Enseignement de spécialité

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1 Enseignement de spécialité 241

2 Programme de SVT Terminale S, Spécialité (Bulletin officiel n 8 du 13 octobre 2011) L enseignement de spécialité de sciences de la vie et de la Terre prépare l élève à une poursuite d études dans ces domaines scientifiques en renforçant l acquisition des connaissances et démarches spécifiques qui y sont associées. Le programme est organisé en trois thèmes, dans le respect de la logique structurant les programmes du lycée en relation avec les Univers-métiers correspondants. C est l occasion pour l élève de mieux appréhender la perspective de ses futures études, de préciser son choix d orientation et de faciliter la transition vers l enseignement supérieur. 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 (fondées sur le raisonnement, l observation, l habileté expérimentale, le débat argumenté, etc.) qui offrent une place prépondérante à l initiative de l élève, au développement de son autonomie et de ses compétences. Les thèmes abordés permettront notamment de développer par la pratique des capacités méthodologiques portant sur la microscopie, l expérimentation (éventuellement assistée par ordinateur), l analyse du terrain, la recherche documentaire, la modélisation numérique, etc. Thème 1 La Terre dans l Univers, la vie et l évolution de la vie Énergie et cellule vivante (on se limite aux cellules eucaryotes) Tout système vivant échange de la matière et de l énergie avec ce qui l entoure. Il est le siège de couplages énergétiques. 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. [Les mécanismes moléculaires de la chaîne photosynthétique et la conversion chimio-osmotique ne sont pas au programme. Seuls les bilans devront être mémorisés. La réduction dans le chloroplaste d autres substances minérales que le CO 2 n est pas au programme.] La plupart des cellules eucaryotes (y compris les cellules chlorophylliennes) respirent : à l aide de 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. [Le détail des réactions chimiques, les mécanismes de la chaîne respiratoire et la conversion chimio-osmotique ne sont pas au programme.] Certaines cellules eucaryotes réalisent une fermentation. L utilisation fermentaire d une molécule de glucose produit beaucoup moins d ATP que lors de la respiration. [On se limite aux fermentations alcoolique et lactique.] 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.] Thème 2 Enjeux planétaires contemporains Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir Les enveloppes fluides de la Terre (atmosphère et hydrosphère) sont le siège d une dynamique liée notamment à l énergie reçue du Soleil. Elles sont en interaction permanente avec la biosphère et la géosphère. Le climat, à l échelle globale ou locale, est à la fois le résultat de ces interactions et la condition de leur déroulement. La compréhension, au moins partielle, de cette complexité permet d envisager une gestion raisonnée de l influence de l Homme. 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. 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. [Il 242 Programme

3 s agit de traiter le passage de l atmosphère primitive à l atmosphère oxydante en s appuyant sur un nombre limité d arguments pétrographiques.] 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. [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.] 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. [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.] 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. [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.] Thème 3 Corps humain et santé Glycémie et diabète La glycémie est un paramètre du milieu intérieur. Son maintien par l organisme dans une gamme de valeurs étroite est un indicateur et une condition de bonne santé. - 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). [La digestion n est pas en elle-même au programme. Elle est simplement l occasion d enseigner les notions fondamentales concernant les enzymes.] La régulation de la glycémie repose notamment sur les hormones pancréatiques : insuline et glucagon. [Les autres mécanismes physiologiques de régulation de la glycémie sont exclus.] 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. [Les mécanismes de la réaction auto-immune sont exclus.] Le déclenchement des diabètes est lié à des facteurs variés, génétiques et environnementaux. [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.] Programme 243

4 Partie 1 Énergie Enseignement de Spécialité Le programme de SVT Terminale S Spécialité et cellule vivante Objectifs généraux Chapitre 1 La photosynthèse Chapitre 2 Respiration et fermentations cellulaires Chapitre 3 L utilisation de l ATP par les muscles Partie 2 Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir Objectifs généraux Chapitre 1 L atmosphère primitive et son évolution Chapitre 2 L évolution récente de l atmosphère et du climat Chapitre 3 De l évolution récente du climat au climat de demain Chapitre 4 Le Crétacé : une période particulièrement chaude Partie 3 Glycémie et diabète Objectifs généraux Chapitre 1 La catalyse enzymatique Chapitre 2 La régulation de la glycémie Chapitre 3 Les diabètes Bordas/SEJER, Paris, 2012 ISBN

5 _ indd /07/12 09:22

6 1 Partie Titre Ligne Énergie et 1 Titre Ligne cellule vivante 2 Chapitre Chapitre Chapitre La photosynthèse Respiration et fermentations cellulaires L utilisation de l ATP par la fibre musculaire _ indd /07/12 09:22

7 Partie 1 Énergie et cellule vivante Les objectifs généraux de cette partie Cette partie du nouveau programme de Terminale s apparente à la partie correspondante du précédent programme. Si l on s intéresse à nouveau aux grands types de métabolismes, des différences notables sont cependant à prendre en compte. L étude se situe cette-fois-ci d emblée à l échelle cellulaire. On ne cherche pas particulièrement à dégager les notions d autotrophie et d hétérotrophie mais plutôt à montrer comment une cellule vivante échange matière et énergie avec son milieu. Le rôle de l ATP, sa production et son utilisation, occupent une place centrale dans cette approche. Cette partie du programme permet d approfondir l étude amorcée en classe de Seconde (La cellule, unité structurale et fonctionnelle). En Terminale, on élucide le rôle des organites tels que les chloroplastes et les mitochondries. Les mécanismes moléculaires des grandes fonctions que sont la photosynthèse, la respiration et les fermentations sont abordés, tout en restant à un niveau accessible, conforme aux limites édictées par le programme. Cette partie du programme permet de développer un certain nombre de compétences : Des connaissances : Rôle des chloroplastes. Phases photochimique et chimique de la photosynthèse. Rôle de la chlorophylle. Rôle des mitochondries. Glycolyse, cycle de Krebs, chaîne respiratoire. Fermentations alcoolique et lactique. Rôles de l ATP. Métabolisme des fibres musculaires. Ultrastructure de la fibre musculaire. Mécanisme de la contraction et intervention de l ATP dans la contraction. Des capacités expérimentales : Réaliser une préparation microscopique. Observer au microscope. Concevoir et mettre en œuvre un protocole expérimental. Utiliser une chaîne ExAO. Réaliser une chromatographie, etc. Des attitudes : Au travers des capacités expérimentales, les élèves seront amenés à respecter les règles d hygiène et de sécurité exigées dans tout travail de laboratoire. Conformément au programme, le chapitre 1 traite du processus photosynthétique. Après avoir montré que les cellules chlorophylliennes effectuent la photosynthèse, on localise cette fonction dans le chloroplaste. Les phases photochimique et chimique sont expliquées, en s appuyant sur des résultats expérimentaux. Le rôle de la chlorophylle dans la conversion de 246 Partie 1. Énergie et cellule vivante

8 l énergie lumineuse en énergie chimique est mis en évidence. À l issue de ce chapitre, on a compris l origine des matières organiques que les cellules hétérotrophes pourront à leur tour exploiter. Ce chapitre comporte de nombreuses activités expérimentales. Le chapitre 2 est consacré aux métabolismes respiratoire et fermentaire. Le rôle de la mitochondrie est précisé, tandis que les principales étapes de la respiration sont expliquées et situées. Deux exemples de fermentations sont présentés : fermentation alcoolique et fermentation lactique. Dans ce chapitre, on montre comment l ATP ainsi produit permet diverses activités cellulaires. Le chapitre 3 présente de façon plus détaillée le métabolisme de la fibre musculaire et l intervention de l ATP dans le mécanisme de la contraction. À la fin de cette partie, on pourra trouver : Un bilan général. Une double page «Des clés pour aller plus loin». Un aperçu de la diversité des métiers de la biologie. Une correspondance entre le programme officiel et les chapitres du manuel Connaissances Énergie et cellule vivante (on se limite aux cellules eucaryotes). Tout système vivant échange de la matière et de l énergie avec ce qui l entoure. Il est le siège de couplages énergétiques. 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. [Les mécanismes moléculaires de la chaîne photosynthétique et la conversion chimio-osmotique ne sont pas au programme. Seuls les bilans devront être mémorisés. La réduction dans le chloroplaste d autres substances minérales que le CO 2 n est pas au programme.] La plupart des cellules eucaryotes (y compris les cellules chlorophylliennes) respirent : à l aide de 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. [Le détail des réactions chimiques, les mécanismes de la chaîne respiratoire et la conversion chimio-osmotique ne sont pas au programme]. Certaines cellules eucaryotes réalisent une fermentation. L utilisation fermentaire d une molécule de glucose produit beaucoup moins d ATP que lors de la respiration. [On se limite aux fermentations alcoolique et lactique]. chapitre 1 Les chapitres du manuel La photosynthèse (pages 12 à 31) Les activités pratiques Act. 1 Des cellules qui effectuent la photosynthèse Act. 2 Les chloroplastes, organites de la photosynthèse Act. 3 La «phase chimique» de la photosynthèse Act. 4 La «phase photochimique» de la photosynthèse Act. 5 Le rôle de la chlorophylle chapitre 2 Respiration et fermentations cellulaires (pages 32 à 53) Les activités pratiques Act. 1 Les cellules respirent Act. 2 Les mitochondries, organites de la respiration Act. 3 Les étapes de la respiration cellulaire Act. 4 La respiration : une conversion de l énergie chimique Act. 5 L ATP : une nécessité pour les activités cellulaires Act. 6 Fermentations cellulaires et production d ATP Les objectifs généraux 247

9 Connaissances 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]. Les chapitres du manuel chapitre 3 L utilisation de l ATP par la fibre musculaire (pages 54 à 65) Les activités pratiques Act. 1 Le métabolisme des cellules musculaires Act. 2 La fibre musculaire, une cellule très spécialisée Act. 3 Le mécanisme moléculaire de la contraction Bilan général (pages 66-67) L ATP : un rôle majeur dans les couplages énergétiques nécessaires au fonctionnement des cellules 248 Partie 1. Énergie et cellule vivante

10 Partie 1 chapitre 1 La photosynthèse Activités pratiques 1 Des cellules qui effectuent la photosynthèse (p ) 1. Les intentions pédagogiques Les objectifs de cette première double page d activités sont avant tout méthodologiques et techniques. En effet, du point de vue des connaissances, on s appuie ici essentiellement sur des acquis (classe de Seconde), que l on pourra remobiliser à l aide des pages 8 à 10. Cependant, les auteurs ont ici choisi volontairement des algues filamenteuses ou unicellulaires afin de situer d emblée l étude à l échelle cellulaire. L intérêt des trois études expérimentales proposées est de maîtriser trois méthodes permettant de mettre en évidence, voire de mesurer, le processus photosynthétique : production de matières organiques, en l occurrence de l amidon, que l on peut mettre en évidence à l aide d un réactif, l eau iodée ; consommation de dioxyde de carbone, source du C, que l on peut mesurer par ExAO à l aide d un capteur approprié ; production de dioxygène, indicateur du processus de photosynthèse, que l on peut également mesurer par ExAO à l aide d une sonde à dioxygène. La justification de ces trois méthodes suppose d avoir bien compris le bilan chimique global de la photosynthèse. La maîtrise des différentes techniques utilisées est indispensable : elles seront utilisées à plusieurs reprises dans divers chapitres et pourrons d ailleurs être évaluées au cours de l épreuve pratique du baccalauréat. L expérience proposée par le document 1 est classique. L utilisation de la spirogyre permet de bien visualiser le phénomène à l échelle cellulaire. Remarquons que les deux préparations sont colorées à l eau iodée. C est donc ici la différence d intensité de la coloration qui traduit effectivement une production d amidon. L intérêt de l utilisation de l eau iodée pourra être rappelé à l aide des pages d acquis 8 à 10. Le document 2 est proposé ensuite afin de le mettre le plus directement possible en relation avec le document 1. En effet, si la photosynthèse consiste en une production de matières organiques, donc carbonées (voir acquis page 8), on comprend qu il est nécessaire de disposer d une source de carbone. La consommation de dioxyde de carbone pour produire des matières organiques est à la base des processus chimiques de la photosynthèse. On retrouvera avec beaucoup plus de détails les étapes de ce processus lors de l étude de la «phase chimique» de la photosynthèse (cycle de Calvin), pages 18 et 19. Le document 3 montre une des méthodes les plus utilisées, car fiable et facile à mettre en œuvre, pour mettre en évidence la photosynthèse et mesurer l intensité du Chapitre 1. La photosynthèse 249

11 processus. Les auteurs ont volontairement choisi de présenter cette méthode en dernier afin de souligner qu il s agit en fait d une méthode indirecte, le dioxygène étant un «déchet» du processus photosynthétique. Il ne sert ici que d indicateur de la réalisation effective du processus et de son intensité. Cette technique sera notamment exploitée au cours de la réaction de Hill (page 21). Pour relever l intérêt de cette étude et montrer le lien entre rejet de dioxygène et photosynthèse, on pourra, comme proposé ici, procéder à une injection d ions hydrogénocarbonates, source de CO 2. À noter que le manuel numérique enrichi (version Premium) propose une séquence vidéo montrant des bactéries «attirées» par le dioxygène produit par des cellules chlorophylliennes. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : L eau iodée est un réactif de couleur orangée qui colore l amidon en brunnoir. La photographie a montre que le contenu des cellules de spirogyre prend une teinte brune en présence d eau iodée. La photographie b montre que des cellules semblables, placées à la lumière, prennent une coloration nettement plus foncée. Cela signifie que les cellules présentes sur la photographie b contiennent plus d amidon que les cellules présentes sur la photographie a. On peut donc en déduire que les cellules de spirogyre produisent de l amidon lorsqu elles sont placées à la lumière. L amidon est une molécule organique : une telle production de matière organique en présence de lumière est la définition même d une activité photosynthétique : lorsqu elles sont placées à la lumière, les cellules de spirogyre effectuent la photosynthèse. Doc. 1 à 3 : L équation-bilan de la photosynthèse s écrit ainsi (voir page 10) : 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 Cette équation montre que la photosynthèse consiste en une production de glucose, de formule C 6 H 12 O 6. Or, l amidon est un polymère du glucose (voir page 8), formé à partir de celui-ci. Donc, la mise en évidence d une production d amidon par des cellules chlorophylliennes, telle que présentée par le document 1, traduit bien une activité photosynthétique de la part de ces cellules. Cette équation montre également que la source de carbone utilisée pour produire les molécules organiques est le dioxyde carbone CO 2. Donc, en mesurant la concentration du milieu en dioxyde de carbone, comme présenté par le document 2, on peut mettre en évidence une consommation de dioxyde de carbone qui traduit également une activité photosynthétique de la part des cellules vivant dans ce milieu. Enfin, l équation-bilan de la photosynthèse montre que ce processus produit du dioxygène, qui est rejeté dans le milieu comme un déchet. Donc, en mesurant la concentration du milieu en dioxygène, comme présenté par le document 3, on peut mettre en évidence une production de dioxygène qui traduit une activité photosynthétique de la part des cellules vivant dans ce milieu. Doc. 2 et 3 : Les méthodes présentées par les documents 2 et 3 présentent l intérêt d une étude en temps réel, en continu. De plus, le processus est aisément quantifiable : les mesures des variations de concentration en CO 2 ou en O 2 au cours du temps permettent ainsi une mesure de l intensité de la photosynthèse. 250 Partie 1. Énergie et cellule vivante

12 Doc. 2 et 3 : L expérience du document 2 montre une diminution de la concentration en dioxyde de carbone. Cela montre que les cellules chlorophylliennes exposées à la lumière ont absorbé du dioxyde de carbone pour réaliser la photosynthèse. On peut mesurer l intensité du phénomène : l intensité de la photosynthèse est ici de 1,3 mg/l de CO 2 absorbé par minute (1,3 mg.l -1.min -1 ). L expérience du document 3 montre une augmentation de la concentration en dioxygène. Cela montre que les cellules chlorophylliennes exposées à la lumière ont rejeté du dioxygène, issu de la photosynthèse. On peut mesurer l intensité du phénomène. Avant l ajout de NaHCO 3, l intensité de la photosynthèse est de 0,6 mg/l d O 2 rejeté par minute (0,6 mg.l -1.min -1 ). Après l introduction de NaHCO 3, l intensité de la photosynthèse augmente : elle est de 1,5 mg/l d O 2 rejeté par minute (1,5 mg.l -1.min -1 ). En effet, disposant d une source de carbone minéral plus importante, les cellules ont pu accentuer l intensité de la photosynthèse, ce qui a produit plus de dioxygène. 3. Ressources complémentaires Manuel numérique enrichi (version Premium) Bordas : «La concentration en dioxygène, un indicateur de la photosynthèse». La photosynthèse révélée par des bactéries : microcinématographie où l on observe des bactéries attirées par le dioxygène produit par les cellules chlorophylliennes d une algue filamenteuse exposées à la lumière. Chapitre 1. La photosynthèse 251

13 Activités pratiques 2 Les chloroplastes, organites de la photosynthèse (p ) 1. Les intentions pédagogiques Après avoir montré que les cellules chlorophylliennes sont capables de réaliser la photosynthèse, on cherche maintenant la localisation intracellulaire de cette fonction. Les élèves savent depuis la classe de 2 de que les cellules eucaryotes sont compartimentées et que leur cytoplasme renferme divers organites. Le document 1 présente une activité pratique qui permet de démontrer que les chloroplastes sont bien les organites où se déroule la photosynthèse. Cette activité prolonge celle du document 1 page 14. On réinvestit ainsi le test à l eau iodée mais on choisit de réaliser une investigation à l échelle infracellulaire. Divers végétaux chlorophylliens se prêtent bien à cette étude, l élodée par exemple. Les photographies remarquables présentées sur cette page ont été réalisées avec une mousse des milieux humides, la funaire (funaria hygrometrica). Remarques : Pour obtenir de bons résultats, il est indispensable d éclairer certains pieds pendant plusieurs heures, dans des conditions optimales, proches de celles rencontrées dans la nature, tandis que d autres pieds sont placés à l obscurité pendant 24 heures. Sur les deux photographies, les cellules sont observées dans l eau iodée (d où une teinte générale légèrement orangée sur la première photographie, qui se superpose à la couleur verte des chloroplastes mais qui ne correspond absolument pas à un test positif). On note une photorépartition des chloroplastes : lorsque les limbes sont placés à l obscurité (première photographie), les chloroplastes ont tendance à se plaquer sur les parois latérales. En revanche, lorsque les limbes sont à la lumière (deuxième photographie), les chloroplastes se placent sur les faces supérieures et inférieures des cellules, ce qui optimise la capture de la lumière. Les chloroplastes des cellules placées à la lumière apparaissent souvent plus gros, «gonflés» par les grains d amidon qu ils renferment. Au contraire, ceux des cellules placées à l obscurité apparaissent plus minces car ils ont «déchargé» leur amidon pendant la période d obscurité. Le document 2 permet, grâce à des électronographies, de comprendre l architecture interne du chloroplaste. Le choix d un chloroplaste possédant des grains d amidon permet de faire la relation avec l étude du document 1. Le schéma en trois dimensions aide à la représentation de la structure du chloroplaste. Ce sera l occasion de localiser l emplacement des molécules de chlorophylle. On insistera surtout sur le développement du système de membranes internes qui permet d augmenter considérablement la quantité de molécules chlorophylliennes exposées à la lumière et la surface d échanges avec le stroma (couplage entre les phases chimique et photochimique). En revanche, l existence d un espace intrathylakoïdien est de peu d intérêt en classe de Terminale, car le fonctionnement des photosystèmes et les transferts d électrons sont hors programme. 252 Partie 1. Énergie et cellule vivante

14 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : Dans les cellules d un rameau placé à l obscurité et colorées à l eau iodée, on n observe pas de réaction positive traduisant une présence d amidon. Les chloroplastes sont plaqués contre les parois latérales des cellules et conservent leur couleur verte naturelle. L observation de cellules d un rameau placé à la lumière et colorées à l eau iodée montre que les chloroplastes, exposés à la face supérieure des feuilles, sont plus gros et renferment des grains colorés en brun foncé par l eau iodée : il s agit de grains d amidon. Comme étudié précédemment, on en déduit que des cellules chlorophylliennes produisent de l amidon lorsqu elles sont exposées à la lumière. On constate que c est dans les chloroplastes que cette photosynthèse s effectue. L absence de grains d amidon dans les chloroplastes des cellules placées à l obscurité peut s interpréter de la façon suivante : puisque ces cellules ont probablement réalisé la photosynthèse auparavant (lorsque ces rameaux étaient exposés à la lumière), on peut en déduire que l amidon produit par photosynthèse est soit utilisé soit exporté hors du chloroplaste. Doc. 2 : La mise en relation du schéma 3D proposé avec une électronographie doit permettre à l élève de placer correctement les légendes. Doc. 2 : Les grains d amidon, lorsqu ils sont présents, sont situés dans le stroma du chloroplaste. Doc. 1 et 2 : Une cellule chlorophyllienne comporte de très nombreux chloroplastes, organites ovoïdes, de couleur verte, contenant la chlorophylle. Ainsi, la surface totale de tous les chloroplastes d une cellule est bien supérieure à celle de la cellule qui les renferme. De plus, dans un chloroplaste, la membrane interne qui renferme les molécules de chlorophylle forme de nombreux petits sacs aplatis, les thylakoïdes, qui s empilent en granums. Ainsi, la surface totale des membranes thylakoïdiennes d un chloroplaste est largement supérieure à celle du chloroplaste qui les renferme. Une telle organisation d une cellule chlorophyllienne «démultiplie» la surface garnie de molécules de chlorophylle exposées à la lumière. Chapitre 1. La photosynthèse 253

15 Activités pratiques 3 La «phase chimique» de la photosynthèse (p ) 1. Les intentions pédagogiques Dans les activités de ce chapitre, les auteurs proposent d innover, en abordant la «phase chimique» de la photosynthèse avant l étude de la «phase photochimique». Un tel choix peut surprendre ; il s avère pourtant judicieux car conforme à une véritable démarche d investigation et donne beaucoup plus de sens aux recherches effectuées par les élèves. En effet, après avoir constaté que de l amidon s accumule sous forme de grains dans le stroma des chloroplastes, il est légitime de rechercher comment cet amidon peut y être fabriqué. On constatera alors que cette synthèse nécessite de l énergie (ATP) et de l hydrogène (transporteurs réduits RH 2 ). L origine de l ATP et des RH 2 se trouvera alors posée, ce qui conduira à l étude de la «phase photochimique». On comprendra alors mieux l intérêt de cette étape cruciale. En effet, si l on commence par étudier la «phase photochimique», l intérêt de la production d ATP et de RH 2 ne peut être compris par les élèves. Cependant, dans la synthèse du chapitre (pages 24 et 25) et dans le schéma-bilan (page 27), l ordre dans lequel s enchaînent les deux phases sera rétabli. Le document 1 présente les très classiques expériences de Calvin, Benson et Bassham. On trouve dans divers ouvrages des présentations très diverses de ces expériences, souvent éloignées de la réalité. C est pourquoi les auteurs ont voulu présenter ici des documents authentiques, tant en ce qui concerne le dispositif expérimental que le chromatogramme obtenu. Ainsi, le dispositif expérimental utilisé par ces chercheurs est bien constitué pour l essentiel d une sorte de flacon aplati, montage d ailleurs nommé «lollipop» (sucette). Sur le cliché du chromatogramme, les noms ont été francisés et des repères de couleur ajoutés pour aider à son interprétation. Si l on souhaite prolonger cette approche historique, on trouvera, sur le site ressources Bordas, les références et le lien de l article original de Melvin Calvin (Prix Nobel de chimie, 1961). À noter que le manuel numérique enrichi (version Premium) propose une animation qui permet d appréhender les méthodes de chromatographie bidimensionnelle et d autoradiographie, peu évidentes pour des élèves de lycée. Les trois chromatogrammes présentés par le document 2 sont en revanche des dessins. En effet, les documents originaux doivent nécessairement être simplifiés pour pouvoir être interprétés par des élèves de lycée. Le document 3 présente le cycle de Calvin : celui-ci est volontairement simplifié afin de bien mettre en évidence les étapes essentielles et de pouvoir être facilement mis en relation avec les chromatogrammes des documents 1 et 2. L ATP est encore probablement une molécule inconnue des élèves à ce stade. On peut se contenter de mentionner qu il s agit d une molécule fournissant de l énergie chimique et dont une étude plus approfondie sera faite ultérieurement. Rien 254 Partie 1. Énergie et cellule vivante

16 n empêche cependant d aller dès à présent un peu plus loin en s appuyant sur les documents 1 page 40 et 2 page 43. La notation simplifiée RH 2 pour les transporteurs d hydrogène est conforme aux instructions du programme. Le graphique associé rend compte d une expérience qui permet de retrouver l étape du cycle au cours de laquelle s effectue l incorporation du CO 2. Le manuel numérique enrichi (version Premium) propose une animation montrant la réalisation pas à pas du cycle de Calvin. À la fin de cette étude, on constate la nécessité, pour la synthèse des glucides dans le stroma des chloroplastes, d un apport permanent d ATP et de RH 2. Le problème de l origine de cet apport est posé : c est l objet des Activités Pratiques suivantes. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : Les molécules identifiées ont impressionné sous forme de taches noires le papier photographique. Cela signifie qu elles sont radioactives, donc qu elles ont été produites à partir du dioxyde de carbone radioactif ( 14 CO 2 ) injecté dans le dispositif. Doc. 1 à 3 : Le chromatogramme présenté par le document 1, obtenu après 30 secondes, montre que toutes les molécules représentées sur le cycle du document 3 sont radioactives. Elles se sont formées à partir du dioxyde de carbone radioactif ( 14 CO 2 ) injecté dans le dispositif, ce qui montre que le cycle a fonctionné. Les autoradiographies présentées par le document 2 permettent d établir l ordre chronologique des étapes présentées par le document 3 : la première molécule organique formée par incorporation du CO 2, obtenue ici après 2 secondes, est l APG. Ensuite, une deuxième molécule se forme à partir de l APG : il s agit du triose phosphate. Après 5 secondes, on obtient deux autres molécules, le Ru-BP d une part, des hexoses d autre part. Les trois autoradiographies du document 2 montrent que la quantité d APG reste à peu près constante. Ceci est conforme au fonctionnement cyclique présenté par le document 3 : l APG se transforme en triose au fur et à mesure de sa production. Doc. 3 : L expérience montre qu en présence de CO 2 et à la lumière, les quantités d APG et de Ru-BP sont constantes. Ceci s explique, car en présence de CO 2 et à la lumière, le cycle fonctionne : APG et Ru-BP sont utilisés au fur et à mesure de leur production, donc leurs quantités restent constantes. Si l on stoppe l approvisionnement en CO 2, on constate une augmentation de la quantité de Ru-BP et une diminution de la quantité d APG. En effet, comme le montre le cycle de Calvin, s il n y a pas d apport de CO 2, le fonctionnement du cycle est interrompu. Plus précisément, c est l étape de fixation du CO 2 sur le Ru-BP pour former de l APG qui n est plus réalisée. L APG présent se transforme en triose, mais il n est pas régénéré, ce qui explique la diminution de la quantité d APG. Les trioses encore présents se transforment en Ru-BP, qui s accumule puisqu il ne peut être transformé en APG. Doc. 3 : Pour que le cycle de Calvin puisse fonctionner, il faut un apport permanent de CO 2, qui fournit la source de carbone nécessaire à la synthèse des molécules organiques. Mais il faut aussi de l ATP, qui apporte de l énergie, et des molécules RH 2 qui fournissent de l hydrogène. Énergie et hydrogène sont nécessaires à la réduction de l APG en triose. Chapitre 1. La photosynthèse 255

17 3. Ressources complémentaires Manuel numérique enrichi Bordas (version Premium) : La phase chimique de la photosynthèse (cycle de Calvin) : cette animation comporte deux modules, l un sur les techniques expérimentales utilisées (chromatographie bidimensionnelle, autoradiographie), l autre sur les étapes du cycle de Calvin. Site ressources : The path of carbon in photosynthesis (Melvin Calvin, Nobel Lecture, December 11, 1961) Activités pratiques 4 La «phase photochimique» de la photosynthèse (p ) 1. Les intentions pédagogiques L étude de la «phase photochimique» de la photosynthèse ne prend un sens que si l on comprend le nécessaire couplage avec la phase chimique. Si la phase chimique de la photosynthèse a été traitée auparavant, les élèves ont compris que le cycle de Calvin ne peut «tourner» que s il y a un apport permanent d ATP et de RH 2. La problématique de cette double page est donc de comprendre comment la phase photochimique de la photosynthèse fournit ces éléments. Le document 1 reprend la célèbre expérience d Arnon, présentée ici de façon simplifiée. L intérêt est double : rappeler la nécessité d un apport d ATP et de RH 2 pour la réalisation des synthèses organiques dans le stroma des chloroplastes et montrer que cet apport peut être réalisé par des thylakoïdes exposés à la lumière. L expérience de Gaffron présentée par le document 2 rappelle bien entendu la nécessité de la lumière mais son intérêt essentiel est de démonter l existence d un couplage entre les deux phases. En s appuyant sur les conclusions de l expérience d Arnon, il est nécessaire de faire réfléchir les élèves sur l interprétation possible de la décroissance progressive de la fixation du CO 2 constatée pendant les les vingt premières secondes qui suivent le passage à l obscurité. L expérience du document 3 se rapproche de celle présentée par le document 3 page 19. Mais la place de cette expérience se situe bien à ce moment de l étude puisque son interprétation repose sur le couplage des deux phases de la photosynthèse. Après avoir compris la nécessité et le rôle précis de ce qu on appelle «phase photochimique» de la photosynthèse, il est maintenant possible de réaliser l expérience dite de «Hill» présentée par le document 4. Pour donner du sens à cette étude, il est d abord nécessaire d exposer clairement l hypothèse de départ, que l on cherchera à éprouver. La lecture de l hypothèse telle qu exposée dans le manuel permet de comprendre que, d après cette hypothèse, deux conditions sont nécessaires à la réalisation de la réaction : la présence d un accepteur d électrons (le fameux «réactif 256 Partie 1. Énergie et cellule vivante

18 de Hill») d une part, de l énergie lumineuse captée par la chlorophylle d autre part. Il est alors possible et très formateur de demander aux élèves de concevoir un protocole précis permettant de vérifier cette double condition. On pourra aider les élèves en faisant d abord rechercher quel peut être le paramètre indicateur de la réalisation ou non de la réaction, c est-à-dire la production ou non de dioxygène. On montrera ainsi l origine du dioxygène produit au cours de la photosynthèse. Pour confirmer cette origine, on pourra s appuyer sur l exercice 7 page 29 qui présente les expériences de Ruben et Kamen. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : L expérience 1 montre que le stroma seul ne permet pas la production de molécules organiques par incorporation de CO 2. En revanche, la comparaison des expériences 1 et 2 montre que les thylakoïdes exposés à la lumière permettent cette synthèse. Il apparaît donc que les thylakoïdes exposés à la lumière sont nécessaires à la synthèse de glucides dans le stroma des chloroplastes. L expérience 3 montre que les thylakoïdes exposés à la lumière peuvent être remplacés par un apport de RH 2 et d ATP. On peut donc déduire de cette expérience que les thylakoïdes exposés à la lumière sont responsables de la production d ATP et de RH 2 nécessaires au fonctionnement du cycle de Calvin (voir document 3 page 19). Doc. 1 et 2 : L expérience de Gaffron montre une incorporation élevée et constante de CO 2 lorsque les algues sont exposées à la lumière. En effet, ces cellules chlorophylliennes réalisent alors la photosynthèse. À l obscurité, cette incorporation cesse rapidement : la photosynthèse est un processus qui exige de la lumière. Cependant, on constate que l incorporation du CO 2 ne cesse pas immédiatement lors du passage à l obscurité mais diminue progressivement pendant 20 secondes environ. Cela montre que l incorporation du CO 2 peut chimiquement se produire à l obscurité mais est tributaire de phénomènes qui exigent directement de la lumière. L expérience d Arnon permet de proposer une interprétation : À la lumière, les thylakoïdes fournissent en permanence ATP et RH 2 nécessaires au fonctionnement du cycle de Calvin (voir document 3 page 19). Il y a donc incorporation constante de CO 2. Lors du passage à l obscurité, la production d ATP et de RH 2 par les thylakoïdes cesse. Cependant, l incorporation du CO 2 se poursuit un court instant en utilisant les stocks manifestement très limités d ATP et RH 2 précédemment produits par les thylakoïdes à la lumière. Doc. 3 : À la lumière, les thylakoïdes fournissent ATP et RH 2 nécessaires au fonctionnement du cycle de Calvin. APG et Ru-BP sont utilisés au fur et à mesure de leur production, donc leurs quantités restent constantes. À l obscurité, on constate une augmentation de la quantité d APG et une diminution de la quantité de Ru-BP. En effet, à l obscurité, l apport d ATP et de RH 2 est interrompu (car ceux-ci sont produits par les thylakoïdes exposés à la lumière) : le cycle de Calvin cesse donc de fonctionner, la réduction de l APG en triose étant alors impossible. Le Ru-BP encore présent peut se transformer en APG mais il n est pas régénéré : sa quantité diminue donc. L APG s accumule mais il n est pas transformé en triose : sa quantité augmente. Chapitre 1. La photosynthèse 257

19 Doc. 4 : De 0 à 1 minute, on ne constate aucune production de dioxygène. La réaction ne se produit pas. L ajout de 0,1 ml de réactif se traduit par une production de dioxygène qui révèle l oxydoréduction entre l eau et le réactif. Celle-ci cesse rapidement par épuisement du réactif : en effet, la production de dioxygène est réactivée par l injection d une nouvelle quantité de réactif (t = 3 min). Au temps t = 5 min, le passage à l obscurité se traduit par un arrêt immédiat de la production de dioxygène : ceci montre que cette oxydoréduction nécessite l énergie lumineuse. L expérience de Hill montre qu une suspension de chloroplastes permet une oxydoréduction entre l eau et un accepteur d électrons. Cependant, la réduction de l accepteur n est possible qu en présence de lumière car, elle exige de l énergie. C est cette oxydoréduction qui permet de former les transporteurs réduits RH 2 nécessaires à la phase chimique de la photosynthèse. Le cycle de Calvin est donc couplé à cette oxydoréduction, qui exige de la lumière. Les H nécessaires à la réduction du CO 2 proviennent donc de la dissociation de la molécule d eau. L O de la molécule d eau, qui n est pas nécessaire, est rejeté sous forme de dioxygène. Le dioxygène produit au cours de la photosynthèse provient donc de l eau. Activités pratiques 5 Le rôle de la chlorophylle (p ) 1. Les intentions pédagogiques Là encore, la place de cette activité, la dernière de ce chapitre, peut surprendre. Elle est cependant parfaitement logique et conforme à la démarche d investigation. En effet, après avoir vu qu une suspension de chloroplastes éclairée permet la réalisation de l oxydoréduction entre l eau et les transporteurs d hydrogène R, on s interroge sur le rôle exact de la chlorophylle. La première étape, dans le cadre de cette démarche, consiste à préciser ce qu est la chlorophylle et à en obtenir un extrait. C est ce qui est proposé par le document 1 : les deux activités, extraction de la chlorophylle brute et réalisation d une chromatographie, sont très classiques. Le document 2 ne présente pas, lui non plus, de difficulté particulière. Les documents du manuel permettent d établir la relation entre la comparaison visuelle directe des radiations lumineuses absorbées par une solution de chlorophylle et le spectre d absorption mesuré par spectrophotométrie. Cette étude peut être complétée par la mise en évidence du spectre d action de la chlorophylle, présentée par l exercice 6 page 29. Il est possible de faire cette mise en évidence expérimentale par ExAO mais sa mise en œuvre est délicate : il est en effet difficile d obtenir une intensité lumineuse constante et suffisante avec les filtres colorés et les sources lumineuses utilisés en lycée. 258 Partie 1. Énergie et cellule vivante

20 Le document 3 permet d aller plus loin dans l explication des propriétés de la chlorophylle, tout en restant à un niveau accessible pour des élèves de lycée. La fluorescence de la chlorophylle est un phénomène facile à observer. À noter qu elle est beaucoup plus importante si la solution de chlorophylle est éclairée par une lumière ultra-violette. La réémission de lumière dans une longueur d onde plus élevée est spectaculaire mais n est pas l apanage de la chlorophylle. Elle traduit cependant la capacité de la solution à absorber de l énergie et à la réémettre sous forme de photons. Mais le rôle fondamental de la chlorophylle a est sa capacité à restituer l énergie absorbée d une autre façon, c est-à-dire par oxydoréduction entre un donneur et un accepteur d électrons. Sans entrer dans le détail de ces transferts d électrons (qui relèvent de l enseignement supérieur), le schéma proposé par ce document illustre les deux devenirs possibles de l énergie lumineuse absorbée par la chlorophylle : restitution sous forme de lumière ou conversion en énergie chimique. Pour aller un peu plus loin, on pourra s appuyer sur l exercice 8 page 30 qui démontre le rôle des pigments accessoires et permet d établir la notion d «antenne collectrice». Les pigments accessoires peuvent transmettre l énergie qu ils absorbent aux molécules de chlorophylle a. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 et 2 : La chlorophylle brute est une solution limpide de couleur verte. Cependant, la réalisation d une chromatographie révèle que ce n est pas un corps pur mais un mélange de plusieurs pigments. Ainsi, dans cet extrait de chlorophylle brute, on met en évidence la présence de chlorophylle a, de couleur vert-foncé, de chlorophylle b, de couleur vert-clair mais aussi de xantophylles (de couleur jaune) et du carotène (de couleur orangé). Le document 2 montre qu un pigment a la propriété d absorber sélectivement certaines radiations de la lumière blanche. L association de différents pigments peut permettre d élargir le spectre de la lumière absorbée. Doc. 2 : En comparant les spectres A et B, on constate que la chlorophylle absorbe une grande partie des radiations lumineuses bleues et rouges. C est ce que confirme la spectrophotométrie : la chlorophylle absorbe environ 75 % des radiations de courte longueur d onde (bleu) et présente un maximum d absorption (75 % également) vers 660 nm (donc dans le rouge). Doc. 3 : La chlorophylle a la propriété de pouvoir réémettre l énergie lumineuse absorbée sous la forme de radiations lumineuses rouges. C est ce que l on constate in vitro lorsqu on éclaire une solution de chlorophylle brute. Lorsqu on ajoute du réactif de Hill, cette fluorescence disparaît : en effet, l énergie lumineuse absorbée par la chlorophylle n est plus restituée par fluorescence mais est utilisée pour réaliser l oxydoréduction entre l eau et le réactif de Hill. Cette expérience démontre la capacité de la chlorophylle à convertir l énergie lumineuse absorbée en énergie chimique. Chapitre 1. La photosynthèse 259

21 Exercices p. 28 à 31 La correction des exercices 1 à 4 figurent dans le manuel de l élève page Les produits de la photosynthèse À partir de l introduction de dioxyde de carbone radioactif, on constate une augmentation progressive de la radioactivité mesurée dans les hexoses, l APG et le Ru-BP. En effet, les chlorelles éclairées effectuent la photosynthèse. Le cycle de Calvin fonctionne : du dioxyde de carbone radioactif est incorporé, se fixe sur le Ru-BP qui forme de l APG. À partir de l APG, des hexoses sont produits et le Ru-BP est régénéré. Ces molécules organiques étant produites à partir du dioxyde de carbone prélevé par les chlorelles dans le milieu, il est logique qu elles deviennent radioactives. L augmentation progressive de la radioactivité au cours des 20 premières minutes montre qu une quantité de plus en plus importante de ces molécules est produite. Cependant, on constate ensuite que la radioactivité de l APG et du Ru-BP se stabilise à sa valeur maximale. Ceci montre que la quantité de ces deux molécules n augmente plus. En effet, au cours du cycle de Calvin, APG et Ru-BP sont à la fois produits et transformés : il est donc logique que leur quantité reste constante. En revanche, la radioactivité des hexoses continue d augmenter : en effet, les hexoses produits sont soustraits du cycle de Calvin au fur et à mesure de son fonctionnement et ils s accumulent dans les cellules chlorophylliennes. 6 Le spectre d action des pigments chlorophylliens Dans cette étude, une diminution de la concentration en dioxyde de carbone et une augmentation de la concentration en dioxygène traduisent respectivement une consommation et une production de ces deux gaz, révélateurs d une activité photosynthétique. Inversement, une augmentation de la concentration en dioxyde de carbone et une diminution de la concentration en dioxygène traduisent respectivement une production et une consommation de ces deux gaz qui montrent que les feuilles respirent mais n effectuent pas la photosynthèse. Ainsi, on constate que les feuilles effectuent la photosynthèse lorsqu elles sont exposées à la lumière blanche. En revanche, lorsqu elles sont à l obscurité, les feuilles respirent mais n effectuent pas la photosynthèse. Lorsqu elles sont exposées à la lumière rouge, on constate une activité photosynthétique plus importante encore que lorsque les plantes sont exposées à la lumière blanche. En effet, la lumière rouge correspond à des radiations absorbées par la chlorophylle : ce sont donc des radiations efficaces. En revanche, lorsqu elles sont exposées à la lumière verte, on ne constate pas d activité photosynthétique. En effet, les radiations vertes ne sont pas, ou peu, absorbées par la chlorophylle : elles ne sont donc pas efficaces pour réaliser la photosynthèse. La lumière blanche a une efficacité moindre que la lumière rouge, car la lumière blanche est un mélange de radiations dont toutes ne sont pas efficaces. 7 L origine du dioxygène émis par la photosynthèse Dans les deux expériences, l O de la molécule d eau est en quelle que sorte «mar- 260 Partie 1. Énergie et cellule vivante

22 qué» par sa teneur en 18 O. Dans les deux cas, elle est nettement différente de celle des ions hydrogénocarbonates. Or, on constate que, pour les deux expériences, la teneur en 18 O dans le dioxygène produit par photosynthèse est exactement la même que dans l eau de la culture. On peut donc en déduire que l O qui constitue le dioxygène produit par photosynthèse provient bien de l eau, et non des ions hydrogénocarbonates. 8 Une couleur étonnante pour un végétal chlorophyllien Le document 2 montre que toutes les radiations lumineuses ne pénètrent pas également en profondeur. Par exemple, à 50 m de profondeur, les radiations rouges sont absentes et il ne reste plus que 60 % des radiations bleues. Ceci compromet la réalisation de la photosynthèse car la chlorophylle a absorbe précisément les radiations rouges et bleues. Or, c est l énergie lumineuse absorbée par la chlorophylle a qui est convertie en énergie chimique. On remarque que les radiations vertes pénètrent bien en profondeur (il en reste 80 à 95 % à 50 m) mais ces radiations ne sont pas absorbées par la chlorophylle a. Le document 1 montre que les algues rouges possèdent bien de la chlorophylle a mais aussi un autre pigment, la phycoérythrine, qui absorbe les radiations vertes. Le document 3 permet de comprendre la complémentarité entre les pigments des algues rouges : on constate en effet qu après un bref éclair à 550 nm (donc dans le vert), la fluorescence réémise se déplace très rapidement vers les longueurs d onde plus grandes et présente un pic à 680 nm caractéristique de la chlorophylle a. La lumière utilisée au cours de cette expérience (550 nm) n a pu être absorbée par la chlorophylle a car ce pigment n absorbe pas les radiations de cette longueur d onde. En revanche, elle correspond au maximum d absorption de la phycoérythryne. La longueur d onde de la lumière fluorescente réémise prouve que celle-ci provient de la chlorophylle a. Ceci montre donc que c est la phycoérythrine qui a absorbé la lumière (à 550 nm) mais que celle-ci a pu ensuite être transmise à la chlorophylle a, qui l a réémise par fluorescence (à 680 nm). Bilan : À une profondeur importante, ce sont essentiellement les radiations vertes qui pénètrent dans l eau de mer, les autres radiations étant en grande partie absorbées par l eau. Les algues rouges possèdent un pigment rouge, la phycoérythrine, qui absorbe ces radiations vertes. La phycoérythrine peut alors transmettre l énergie lumineuse ainsi absorbée à la chlorophylle a qui, elle, effectue la conversion en énergie chimique. 9 Les pigments photosynthétiques des feuilles rouges Au cours de cet exercice, les élèves sont amenés à réaliser extraction et chromatographie des pigments contenus dans des feuilles. Il s agit ensuite de comparer les chromatogrammes et les spectres d absorption des pigments obtenus. Ces activités sont donc tout à fait comparables à celles des pages 22 et 23. Pour ne pas donner la solution dans le manuel et laisser les élèves faire leur propre expertise, seuls les résultats concernant les Prunus à feuilles vertes sont ici présentés. Résultat attendu : Les pigments anthocyaniques des feuilles rouges ne sont pas solubles dans les solvants organiques. Ils ne migreront donc pas. Les élèves découvriront alors que ces feuilles contiennent, malgré les apparences, les mêmes pigments chlorophylliens que les Prunus à feuilles vertes. Chapitre 1. La photosynthèse 261

23 Partie 1 chapitre 2 Respiration et fermentations cellulaires Activités pratiques 1 Les cellules respirent (p ) 1. Les intentions pédagogiques Depuis le Collège, les élèves savent que les êtres vivants respirent et ils connaissent les caractéristiques essentielles de la fonction respiratoire. Par ailleurs, en classe de Seconde, ils ont vu que la cellule était une unité fonctionnelle, siège d une activité métabolique caractérisée par des échanges avec le milieu. La première activité proposée permet de mettre en évidence la fonction respiratoire, à l échelle de la cellule. Les objectifs cognitifs étant ici modestes, l accent sera mis sur les capacités expérimentales. Il est tout à fait possible de laisser aux élèves une large autonomie, y compris dans la conception même des expériences à réaliser. C est la raison pour laquelle les auteurs ont choisi de ne pas détailler le protocole expérimental et de proposer un exemple de résultat. D autres protocoles, voisins de ceux utilisés ici, peuvent être retenus. La première étude (document 1), réalisée chez les levures, permet de mettre en évidence l existence d échanges gazeux caractéristiques de la respiration à l échelle des cellules. Le lien est établi entre ces échanges gazeux et la mise à disposition d un métabolite organique. On peut d ailleurs aller plus loin en réalisant différentes injections de solutions glucosées à différentes concentrations : on observera alors que l intensité des échanges gazeux est liée à la concentration de la solution de glucose injectée. La deuxième étude (document 2), a pour objectif de déterminer si les cellules autotrophes respirent. En effet, le programme précise à ce sujet : «La plupart des cellules eucaryotes (y compris les cellules chlorophylliennes) respirent.». Effectivement, il est impératif à ce stade de l étude de gommer l idée communément répandue que les cellules hétérotrophes respirent alors que les cellules chlorophylliennes n effectueraient que la photosynthèse. Le bilan général de la Partie 1 (pages 66-67) permet de bien visualiser la complémentarité des deux types de métabolismes et leur coexistence dans les cellules chlorophylliennes. L étude expérimentale peut être réalisée avec de nombreuses algues chlorophylliennes : Scenedesmus, Euglènes, Chlorelles, etc. On peut également utiliser des fragments de feuilles : on se situera alors à une échelle pluricellulaire. Les élèves pourront élaborer eux-mêmes un protocole : les mesures à l obscurité seront justifiées par la nécessité de s affranchir du phénomène de photosynthèse. On veillera alors à réinterpréter les mesures à la lumière, qui apparaîtront comme une mesure du bilan entre échanges gazeux photosynthétiques et échanges gazeux respiratoires. 262 Partie 1. Énergie et cellule vivante

24 Remarque : avec le matériel couramment utilisé en lycée, on constate souvent un léger décalage dans le temps entre les échanges de dioxygène et les échanges de dioxyde de carbone. En effet, les sondes à dioxyde de carbone sont «moins réactives» que les sondes à dioxygène. 2. Les pistes d exploitation 3. Ressources complémentaires Doc. 1 : Dans l élaboration du protocole, on insistera sur la nécessité d une mesure (ou d une période de mesure) «témoin», c est-à-dire sans ajout de glucose. On retrouvera les échanges gazeux caractéristiques de la respiration, absorption de dioxygène et rejet de dioxyde de carbone : la comparaison entre les mesures avant et après introduction du glucose démontre que la respiration nécessite bien de disposer d un métabolite organique. Doc. 2 : Les mesures réalisées à la lumière ne permettent pas de conclure. En effet, nous avons vu (chapitre 1, page 15) qu à la lumière, les cellules chlorophylliennes réalisent la photosynthèse ; celle-ci se traduit par une absorption de dioxyde de carbone et par un rejet de dioxygène. Cependant, à l obscurité, la photosynthèse s arrête : on constate alors une diminution de la concentration en dioxygène et une augmentation de la concentration en dioxyde de carbone dans le milieu, ce qui démontre que les cellules chlorophylliennes respirent. Doc. 2 : Il n y a aucune raison de penser que les cellules chlorophylliennes cessent de respirer lorsqu elles sont placées à la lumière. En effet, la respiration est une fonction indépendante des conditions d éclairement. Il faut donc admettre, qu à la lumière, il y a coexistence des échanges gazeux de la photosynthèse et de la respiration : les mesures effectuées à la lumière correspondent donc au bilan de ces échanges. L augmentation de la concentration en dioxygène constatée à la lumière résulte du rejet du dioxygène par photosynthèse déduit de l absorption de ce gaz par la respiration. Le rejet de dioxygène par photosynthèse étant plus important que la quantité absorbée par respiration, le bilan reste positif. La même interprétation peut être faite pour la diminution de la concentration en dioxyde de carbone. Site ressources Bordas : Les Sciences de la Vie et de la Terre au lycée (Jean-Jacques Auclair) : échanges gazeux cellulaires associés aux deux grands types de métabolismes - Photoautotrophie et hétérotrophie pour le carbone (ExAO). Chapitre 2. Respiration et fermentations cellulaires 263

25 Activités pratiques 2 Les mitochondries, organites de la respiration (p ) 1. Les intentions pédagogiques Après avoir montré que la plupart des cellules eucaryotes respirent, il s agit de localiser la respiration cellulaire et de montrer que l essentiel de la respiration se déroule dans des organites spécialisés, les mitochondries. En classe de 2 de, les élèves ont vu les différents niveaux d organisation du vivant et savent donc que les cellules eucaryotes sont compartimentées, c est-à-dire possèdent des organites, éléments intra cytoplasmiques délimités par une membrane. Le rôle du noyau et celui des chloroplastes sont désormais connus. Les mitochondries ont pu être observées mais leur rôle n a pas encore été étudié. Sans apporter ni preuve ni argument, le document 1 permet seulement de rappeler que les mitochondries sont des organites présents dans la plupart des cellules eucaryotes. Le document 2 permet de fonder l hypothèse selon laquelle les mitochondries sont les organites de la respiration. En effet, on peut établir un lien entre la richesse en mitochondries et les besoins énergétiques de cellules spécialisées, dont les besoins énergétiques apparaissent particulièrement importants. Pour éprouver cette hypothèse, il s avère alors nécessaire de disposer de mitochondries isolées. Divers organes peuvent être utilisés (on utilise souvent le cœur : voir protocoles détaillés proposés sur le site ressources Bordas). Cependant, comme l explique le document 3, seule une ultracentrifugation permet d obtenir une fraction mitochondriale suffisamment pure. Au lycée, on devra se contenter d une centrifugation plus modérée : le culot obtenu ne contiendra donc pas seulement les mitochondries mais également divers éléments cytoplasmiques. On pourra donc évoquer cet obstacle si l on n obtient pas les résultats escomptés de façon à faire une analyse critique de l expérience réalisée. L expérience présentée par le document 4 est une mise en évidence de la respiration mitochondriale. Cette étude peut être particulièrement intéressante, du point de vue de la pratique d une démarche scientifique, à condition d être bien menée : Les élèves peuvent émettre l hypothèse que des mitochondries isolées sont capables d oxyder le glucose : on constatera alors qu il n en est rien, ce qui conduira, une fois n est pas coutume, à rejeter l hypothèse formulée et à chercher une autre solution ; Bien évidemment, les élèves ne peuvent supposer par eux-mêmes l étape préalable de la glycolyse. Cette deuxième hypothèse leur sera donc donnée et on demandera alors aux élèves d élaborer un protocole permettant de la vérifier. Remarque : à la place du pyruvate, il est tout à fait possible d utiliser du succinate, qui est un acide organique intermédiaire du cycle de Krebs. 264 Partie 1. Énergie et cellule vivante

26 2. Les pistes d exploitation 3. Ressources complémentaires Doc. 1 et 2 : Différents indices permettent de supposer que les mitochondries jouent un rôle important dans la respiration cellulaire. En effet, la plupart des cellules eucaryotes respirent et la plupart des cellules eucaryotes possèdent des mitochondries. Mais surtout, on peut constater que des cellules qui effectuent des mouvements et qui ont donc des besoins énergétiques importants sont particulièrement riches en mitochondries : c est le cas par exemple des spermatozoïdes et des fibres musculaires. Doc. 3 et 4 : La centrifugation permet d obtenir une suspension de mitochondries isolées, en principe dépourvue des autres éléments cytoplasmiques. On constate que l injection de glucose n a aucun effet sur la concentration en dioxygène et en dioxyde de carbone d une telle suspension : les concentrations en dioxygène et en dioxyde de carbone ne varient pas, ce qui signifie que les mitochondries n utilisent pas le glucose. En revanche, après injection d acide pyruvique, on constate une diminution de la concentration en dioxygène et une augmentation de la concentration en dioxyde de carbone, ce qui montre que les mitochondries peuvent utiliser l acide pyruvique comme métabolite ; les échanges gazeux mis en évidence montrent qu il y a alors bien respiration. Doc. 1 à 4 : Les mitochondries sont donc bien les organites dans lesquels s effectue l essentiel de la respiration cellulaire. Cependant, les mitochondries ne peuvent utiliser directement le glucose : il faut au préalable que celui-ci soit transformé en acide pyruvique. Les mitochondries consomment alors du dioxygène pour oxyder l acide pyruvique et rejettent du dioxyde de carbone, déchet de cette activité respiratoire. Site ressources Bordas : Étude expérimentale de la respiration mitochondriale (site SVT de l académie de Lyon) : Préparation d une suspension mitochondriale (protocole détaillé) : Étude expérimentale (ExAO) La respiration mitochondriale (site SVT de l académie de Nantes) : ressourcepedagogique/ &RH= Chapitre 2. Respiration et fermentations cellulaires 265

27 Activités pratiques 3 Les étapes de la respiration cellulaire (p ) 1. Les intentions pédagogiques Cette étude vise à présenter les étapes de la respiration cellulaire et leur localisation. Il s agit d extraire des informations à partir de différents documents. L objectif essentiel est de montrer que la respiration est bien une oxydation complète d un métabolite organique. Cependant, les élèves vont découvrir que cette oxydation se réalise très progressivement, en de nombreuses étapes successives. Le rôle du dioxygène absorbé par respiration et l origine du dioxyde de carbone rejeté seront alors élucidés. La difficulté essentielle est ici de concilier rigueur scientifique et niveau d explication adapté aux élèves de lycée. Il n est donc pas question, bien évidemment, de détailler les étapes de la glycolyse ou du cycle de Krebs. On insistera davantage sur la signification globale de chacune des grandes étapes de la respiration cellulaire. Conformément au programme, les transporteurs d hydrogène seront notés R (par analogie mais pour les distinguer des transporteurs impliqués dans la photosynthèse) et leur forme réduite sera notée R H 2. Au cours de l activité précédente, les élèves ont mis en évidence l existence de l étape de la glycolyse, qui se déroule dans le hyaloplasme. Le document 1 apporte quelques précisions sur cette première étape. L intérêt de cette étape peut donc facilement être compris : formation d acide pyruvique apte à être utilisé par la mitochondrie. D un point de vue chimique, on montre que cette réaction est globalement une oxydation partielle du glucose (déshydrogénation) et que cette réaction libère de l énergie. Remarque : le pyruvate est la forme ionisée (anion) de l acide pyruvique, état sous lequel ce métabolite est présent dans les cellules. Cependant, pour l équilibre des réactions, il est préférable d utiliser la formule de l acide pyruvique. Le document 2 situe et présente le cycle de Krebs. La connaissance des différentes étapes du cycle de Krebs relève de l enseignement supérieur. En revanche, les élèves de lycée doivent comprendre sa signification globale. La représentation présentée est donc nécessairement simplificatrice mais elle permet néanmoins cette approche : l existence de réactions successives est matérialisée par des flèches (réactions) et par des points colorés (composés intermédiaires). Cependant, ce schéma ne prétend pas représenter le nombre d étapes : l important est de comprendre que l entrée dans le cycle de Krebs se fait par fixation d un accepteur qui est ensuite régénéré : les réactions successives s effectuent donc de façon cyclique (comme pour le cycle de Calvin). L ensemble est présenté de façon chimiquement équilibré pour une molécule de glucose au départ (donc deux acides pyruviques). L important est de comprendre qu en faisant tourner ainsi le cycle de Krebs, le métabolite organique est entièrement dégradé. On comprend alors l origine du dioxyde de carbone rejeté au cours de la respiration. On remarquera que ce rejet est totalement dissocié de l absorption du dioxygène qui n intervient pas à ce niveau. Le document 3 situe et présente les oxydations réalisées par la chaîne respiratoire. La représentation 3D d une mitochondrie (microscopie à balayage et schéma) permet 266 Partie 1. Énergie et cellule vivante

28 de montrer que ce système de replis en crêtes augmente la surface de la membrane interne et son contact avec la matrice. On pourra d ailleurs compléter cette étude par l observation des mitochondries des fibres musculaires cardiaques, particulièrement riches en crêtes mitochondriales. L existence d un espace intermembranaire ne présente pas d intérêt pour les élèves de lycée puisque les mécanismes de la chaîne respiratoire et de la conversion chimio-osmotique sont hors programme. Le modèle moléculaire présenté par ce document est inédit : comme indiqué, ce modèle résulte d une exploration scientifique. Il permet de matérialiser ce qu est la chaîne respiratoire et de situer très précisément les transferts d électrons. L élève découvre alors le rôle du dioxygène dans le processus de la respiration cellulaire. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 à 3 : L étape de la glycolyse est un préalable à la réalisation du cycle de Krebs. En effet, le glucose est le métabolite le plus abondant disponible pour la cellule. Cependant, il ne pénètre pas dans la mitochondrie : il doit au préalable être transformé en acide pyruvique qui, lui, pourra entrer dans la mitochondrie et «alimenter» le cycle de Krebs. Le cycle de Krebs (et dans une moindre mesure la glycolyse) produisent de grandes quantités de transporteurs réduits R H 2. Ce sont précisément ces transporteurs qui pourront être oxydés par la chaîne respiratoire. Par ailleurs, la chaîne respiratoire régénère les transporteurs d H à l état oxydé, ce qui permet l entretien du cycle de Krebs et de la glycolyse. Les trois grandes étapes de la respiration sont donc liées entre elles. Doc. 2 et 3 : Le dioxyde de carbone rejeté au cours de la respiration provient des réactions de décarboxylations et de déshydrogénations réalisées au cours de cycle de Krebs. Le CO 2 est «ce qui reste» des métabolites organiques et qui ne sera pas ultérieurement utilisé : il est donc rejeté. Le dioxygène intervient quant à lui au cours des réactions d oxydation des transporteurs réduits R H 2 réalisées par la chaîne respiratoire : c est l accepteur final des électrons et des H. Sans dioxygène, l ensemble des réactions de la respiration serait rapidement bloqué en amont. Doc. 1 à 3 : De l ATP est produit au cours de chacune des trois grandes étapes de la respiration. Cependant, ce sont les réactions d oxydation des transporteurs réduits R H 2 réalisées par la chaîne respiratoire qui produisent la plus grande quantité d ATP. Doc. 1 à 3 : Le bilan global de la respiration peut donc s écrire ainsi (pour le glucose): C 6 H 12 O O ADP + 36 Pi 6 CO H 2 O + 36 ATP Le métabolite organique (ici le glucose) est totalement dégradé car la totalité du C qu il contenait est rejeté sous forme minérale (CO 2 ). 3. Ressources complémentaires Site ressources Bordas : Arrangement of electron transport chain components in bovine mitochondrial supercomplex I1III2IV1 (Thorsten Althoff, Deryck J. Mills, Jean-Luc Popot, and Werner Kühlbrandt, The EMBO Journal) : Chapitre 2. Respiration et fermentations cellulaires 267

29 Activités pratiques 4 La respiration, une conversion de l énergie chimique (p ) 1. Les intentions pédagogiques 2. Les pistes d exploitation À ce stade de l étude, le moment est venu de faire le point sur les aspects énergétiques de la respiration. Le document 1 apporte les précisons indispensables concernant la molécule d ATP. Son intervention dans les activités cellulaires sera illustrée par deux exemples au cours des Activités pratiques 5 et son intervention dans la contraction musculaire est l objet du chapitre 3. Rien n empêche d utiliser ce document plus tôt au cours de l étude (et même au cours du chapitre 1) quitte à y revenir par la suite. Une exploration des modèles moléculaires de l ADP et de l ATP peut permettre de retrouver les éléments essentiels entrant dans la composition de ces molécules (que l on pourra éventuellement comparer aux nucléotides, soulignant ainsi l unité chimique du monde vivant). L intérêt du document 2 est de montrer que la consommation en dioxygène par les mitochondries dépend de la présence d ADP dans le milieu : on démontre le couplage entre les oxydations de la chaîne respiratoire et la phosphorylation de l ADP. Le document 3 permet de dresser le bilan énergétique de la respiration : on récapitule les différentes étapes et on indique les quantités d ATP produites. Le document 4 permet d estimer le «rendement» de la respiration. Intéressante en elle-même, cette quantification sera utile pour effectuer une comparaison avec les fermentations (voir Activités pratiques 6, page 45). Remarque : dans les anciens ouvrages, l estimation du rendement de la respiration est classiquement calculée en prenant la valeur de 30,5 kj libérés par mole d ATP hydrolysée. Il s agit de la valeur pour les conditions chimiques dites «standard». En fait, l énergie libre d hydrolyse de l ATP dépend de la température, du ph et des concentrations relatives en ADP, Pi et ATP. Dans les conditions qui règnent dans les cellules, cette valeur peut atteindre 55 kj par mole. La valeur de 50 kj par mole peut donc être retenue pour établir ce bilan. Doc. 1 : L ATP joue un rôle de couplage énergétique car toute réaction biologique qui produit de l énergie investit cette énergie sous forme de synthèse d ATP (au moins dans un premier temps). Inversement, toute activité biologique qui nécessite de l énergie consomme de l ATP. Autrement dit, toutes les réactions métaboliques sont, d un point de vue énergétique, couplées à une synthèse ou une hydrolyse d ATP. Doc. 2 : Avant t 1, la concentration en dioxygène est constante : c est la valeur témoin. L introduction de mitochondries au temps t 1 se traduit par une légère diminution de la concentration en dioxygène (1 mg.l -1.min -1 ) qui traduit une activité respiratoire modérée. Ceci s explique car les mitochondries sont les organites de la respiration. Après t 2, on constate une activité respiratoire nettement plus importante (3 mg.l -1.min -1 ). On peut donc en conclure que l ajout d ADP facilite la respiration mitochondriale. 268 Partie 1. Énergie et cellule vivante

30 En effet, nous avons vu que les oxydations réalisées par les mitochondries sont associées à la production d ATP. Or, cet ATP est formée à partir d ADP : le déroulement de la respiration nécessite donc la présence d ADP dans le milieu. D ailleurs, on constate, peu avant t = 3 min, que l intensité respiratoire redevient modérée : on peut penser que tout l ADP injectée à t 2 a été utilisée, ce que confirme la reprise d une intensité respiratoire importante dès l ajout d ADP au temps t 3. Au temps t 4, l ajout de cyanure a bloqué la chaîne respiratoire en empêchant le transfert des électrons au dioxygène qui est normalement l accepteur final des électrons de la chaîne respiratoire. Il n y a alors plus de respiration, la concentration en dioxygène reste constante. Doc. 3 et 4 : Le rendement de la respiration dans le cas de l oxydation d une mole de glucose peut être estimé ainsi : énergie investie en ATP / énergie libérée par oxydation complète du glucose = 36 X 50 kj / kj = 63 % Doc. 1 à 4 : On dit que la respiration permet une conversion de l énergie chimique car l énergie «potentielle» d un métabolite organique (énergie qui pourrait par exemple être libérée par combustion) se trouve en partie convertie sous la forme de molécules d ATP, donc sous une autre forme chimique. 3. Ressources complémentaires Site ressources Bordas : Modèles moléculaires de l ADP et de l ATP (fichiers.pdb). Chapitre 2. Respiration et fermentations cellulaires 269

31 Activités pratiques 5 L ATP : une nécessité pour les activités cellulaires (p ) 1. Les intentions pédagogiques Comme l indique le programme, il s agit ici de montrer que l ATP produit «permet les activités cellulaires». Le cas des cellules musculaires, et notamment l intervention de l ATP au cours de la contraction, sera l objet d une étude plus approfondie proposée au cours du chapitre 3 : on pourra cependant déjà mentionner cet exemple ici. Deux autres exemples concrets sont présentés et peuvent faire l objet d une étude expérimentale. L exemple présenté par le document 1 est désormais classique : l existence de mouvements de cyclose a pu être constatée en observant les chloroplastes (chapitre 1). La nécessité de l intervention de l ATP sera démontrée en utilisant une solution inhibitrice de la synthèse d ATP : les élèves pourront d ailleurs comprendre comment cette solution inhibe la synthèse d ATP (blocage de la chaîne respiratoire : voir document 2, page 40). Cette activité se prête particulièrement bien à l exécution de différents gestes techniques : réalisation d une préparation microscopique, utilisation du microscope, utilisation de différentes solutions, respect des règles de sécurité, numérisation d images fixes ou de séquences vidéo, etc. La séquence de trois images successives, extraites d une séquence vidéo disponible sur le manuel numérique Bordas, version Premium, permet, par une observation précise et un calcul d échelle, d estimer la vitesse de la cyclose. Ceci peut permettre, par exemple, de montrer un ralentissement de la cyclose dans certaines conditions (cas où la cyclose n est pas totalement stoppée par l inhibiteur d ATP par exemple). Remarquons enfin que cet exemple a le mérite de confirmer l existence du métabolisme respiratoire chez les végétaux chlorophylliens. Le document 2 est informatif : il explique de façon simple et imagée pourquoi l ATP est nécessaire dans la plupart des réactions de biosynthèse : la schématisation proposée permet de faire une analogie avec l énergie disponible ou restituée lors d une variation d altitude (cas d une chute d eau par exemple). Mais l intérêt essentiel de ce document est de fournir les éléments permettant l interprétation de l expérience présentée par le document 3. Cette expérience est celle de la biosynthèse d amidon à partir du glucose. Classiquement, cette expérience était réalisée dans les programmes précédents pour démontrer la nécessité d une enzyme. Ici, l objectif est différent. On pourra néanmoins faire le lien avec le rôle des enzymes qui est l objet du chapitre 1 de la partie 3. Un protocole détaillé est proposé sur le site ressources Bordas. L important est de montrer que cette biosynthèse de l amidon ne s effectue pas à partir du glucose seul mais devient possible si l on utilise du glucose 1-P. À l aide du document 2, on peut alors proposer une interprétation : la phosphorylation du glucose, obtenue par couplage avec une hydrolyse d ATP, élève le niveau d énergie du glucose et permet la biosynthèse de l amidon. 270 Partie 1. Énergie et cellule vivante

32 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : La cyclose est un mouvement intracytoplasmique des organites. Cette mise en mouvement nécessite de l énergie. On observe qu en présence d un inhibiteur de la respiration la cyclose est ralentie, voire stoppée : cela signifie que la respiration fournit l énergie nécessaire à la réalisation de la cyclose. La solution utilisée (ions CN ) bloque le transfert d électrons de la chaîne respiratoire. Or, ce sont ces oxydations qui permettent la production d ATP au cours de la respiration. En absence de production d ATP, la cyclose est stoppée : ceci démontre que l ATP est nécessaire à la réalisation des mouvements intracytoplasmiques. Doc. 1 : La respiration s effectue selon les mêmes modalités pour toutes les cellules eucaryotes. La solution utilisée est donc susceptible d interférer avec la respiration cellulaire de l expérimentateur. Il faut donc veiller à ne pas l ingérer par exemple. Remarque : La concentration utilisée ici ne présente pas de danger, sauf en cas d ingestion importante. On soulignera cependant que ceci peut expliquer la toxicité de la consommation par les animaux (ou de jeunes enfants) du feuillage de ces végétaux comme le laurier-cerise. Doc. 2 et 3 : Les résultats obtenus avec le tube 1 montrent que la synthèse d amidon à partir de glucose n est pas spontanée, même en présence d enzyme. Le tube 2 montre qu elle est toujours impossible même si l on ajoute des ions phosphate. En revanche, si les ions phosphate sont «fixés» au glucose, il y a bien synthèse d amidon, comme le montre le test à l eau iodée. Ceci s explique car cette biosynthèse nécessite de l énergie : grâce au transfert d un groupement phosphate réalisé par couplage avec une hydrolyse d ATP, le glucose 1-P possède un niveau d énergie suffisant pour réaliser la réaction de biosynthèse de l amidon. Doc. 1 à 3 : Le rôle de la respiration cellulaire est de produire de l ATP. L hydrolyse de l ATP ainsi produit fournit l énergie nécessaire aux diverses activités cellulaires comme la réalisation de mouvements ou les réactions de biosynthèse. 3. Ressources complémentaires Manuel numérique Bordas : ATP et mouvements cellulaires : cyclose chez l Élodée (microcinématographie). Site ressources Bordas : Biosynthèse de l amidon à partir du glucose 1-P : protocole expérimental détaillé. Chapitre 2. Respiration et fermentations cellulaires 271

33 Activités pratiques 6 Fermentations cellulaires et production d ATP (p ) 1. Les intentions pédagogiques Cette dernière activité du chapitre est très classique : si la respiration apparaît comme un métabolisme énergétique présent dans la plupart des cellules eucaryotes, il convient de montrer aux élèves de Terminale S que ce n est pas le seul et que, contrairement à une idée répandue, «la respiration n est pas indispensable à la vie». Cette notion est particulièrement importante du point de vue évolutif (on verra au cours de la partie 2 que l atmosphère terrestre était initialement dépourvue de dioxygène). Elle revêt également de l importance pour comprendre les différentes voies métaboliques intervenant au cours de l exercice musculaire. Enfin, à l aide des documents «Des clés pour aller plus loin» (page 68), on pourra souligner l exploitation que l Homme peut faire de diverses fermentations. Le document 1 présente le montage classique permettant de mettre en évidence la production d éthanol par les levures, en conditions anaérobies. Remarquons aussi que cette page permet de résoudre «l énigme» proposée en ouverture du chapitre (rôle du foulage des grains de raisin). Le document 2 complète l étude précédente par une mesure ExAO, ici réalisée avec trois sondes. Les auteurs ont veillé à laisser une large place à l autonomie des élèves, qui doivent être capables de mettre eux-mêmes au point le protocole expérimental permettant de répondre au problème posé. Le document 3 présente plusieurs intérêts fondamentaux : Il montre le couplage glycolyse/fermentation. On comprend alors que la glycolyse permet une production d ATP (sans nécessiter ni dioxygène ni organite spécialisé) et que la réaction de fermentation proprement dite permet l entretien du mécanisme en régénérant les transporteurs d H à l état oxydé. Il établit un bilan énergétique de la fermentation, comparé à celui de la respiration. Remarquons cependant que la fermentation étant une dégradation incomplète du métabolite, il subsiste un produit secondaire encore énergétique et donc valorisable. Le document 4 présente un autre exemple de fermentation, la fermentation lactique, conformément au programme. L intérêt est de montrer qu il existe plusieurs types de fermentations et de pouvoir les comparer pour en dégager les caractéristiques communes. Le choix de la fermentation lactique est justifié, car il sera réinvesti dans le chapitre 3, à propos du métabolisme des cellules musculaires. Le lien pourra être établi avec les connaissances des élèves sur l information génétique et avec le chapitre 1 de la partie 3 sur la catalyse enzymatique : on peut en effet expliquer que c est en fait l équipement enzymatique dont sont dotées les cellules qui permet d orienter vers tel ou tel type de fermentation. Les conditions du milieu interviennent également. 272 Partie 1. Énergie et cellule vivante

34 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 à 3 : Le bilan de la fermentation alcoolique s établit ainsi : C 6 H 12 O ADP + 2 Pi 2 C 2 H 6 O + 2 CO ATP Il y a donc dégradation incomplète du glucose en éthanol et en dioxyde de carbone et production d ATP. Doc. 1 à 3 : Le «foulage» du raisin met en contact les levures situées sur la peau des grains de raisin avec le jus sucré contenu dans les grains. Ce piétinement favorise ainsi la fermentation alcoolique et la production du vin. Doc. 2 et 3 : De 0 à 180 s, les levures sont dans des conditions aérobies (la sonde à dioxygène montre la présence de dioxygène dans le milieu) : on constate alors une diminution de la concentration en dioxygène et une augmentation de la concentration en dioxyde de carbone. Il n y a pas de production d éthanol. Pendant cette période, les levures respirent de façon à couvrir leur besoins énergétiques. À partir de 180 s, le milieu est épuisé en dioxygène, comme l atteste la sonde à dioxygène : la respiration est donc impossible. On constate à partir de ce moment une production d éthanol et une augmentation très importante de la production de dioxyde de carbone : les levures réalisent alors la fermentation alcoolique, ce qui leur procure un peu d énergie. Doc. 3 et 4 : Ces deux exemples de fermentation débutent par l étape de glycolyse qui permet de produire un peu d ATP par dégradation incomplète du glucose. La deuxième étape est différente : dans le cas de la fermentation alcoolique, il y a production d éthanol à partir de l acide pyruvique ; dans le cas de la fermentation lactique, il y a production d acide lactique à partir de l acide pyruvique. Bien qu étant différentes, ces réactions ont en commun d oxyder les transporteurs réduits R H 2 produits par la glycolyse. Dans les deux cas, cette deuxième réaction est donc couplée à la glycolyse : elle est indispensable pour entretenir le mécanisme. 3. Informations complémentaires Site ressources Bordas : Les Sciences de la Vie et de la Terre au lycée (Jean-Jacques Auclair) : fermentation alcoolique : suivi de la consommation de glucose et de la production d éthanol par la levure. Chapitre 2. Respiration et fermentations cellulaires 273

35 Exercices p. 50 à 53 Les corrections des exercices 1 et 2 figurent dans le manuel de l élève page L effet Pasteur Les bonnes réponses sont : 1-a ; 2-c. 4 L énergie des spermatozoïdes Le document 1 montre que la pièce intermédiaire d un spermatozoïde est particulièrement riche en mitochondries. Or, les mitochondries sont les organites spécialisés dans la respiration cellulaire. Le document 2 montre que le fructose peut être transformé en acide pyruvique. Or, le sperme est un milieu riche en fructose (comme l indique le document 3). L acide pyruvique est un composé organique qui est susceptible d entrer dans la mitochondrie : c est le métabolite nécessaire à la respiration mitochondriale. La comparaison des conditions 2 et 3 de l expérience du document 3 montre que la mobilité des spermatozoïdes nécessite de l ATP : en effet, celui-ci est présent dans les conditions 3 où les spermatozoïdes sont mobiles mais il est absent dans les conditions 2 où l on constate alors une diminution de la mobilité des spermatozoïdes. En effet, l ATP permet les activités cellulaires, ici les mouvements du flagelle. La comparaison des conditions 1 et 3 montre que l ajout d ATP n est pas nécessaire si le milieu est oxygéné : cela signifie que l ATP peut être produit par le spermatozoïde lui-même si le milieu est oxygéné, donc par respiration. Bilan : Les spermatozoïdes sont des cellules eucaryotes particulièrement riches en mitochondries. Ils peuvent utiliser le fructose présent dans le sperme. Après transformation en acide pyruvique, la respiration mitochondriale permet de produire l ATP nécessaire aux mouvements du flagelle. Cela nécessite cependant que le milieu soit suffisamment riche en dioxygène. 5 Les plantes respirent-elles? 1. L étude des fragments de racine montre une diminution de la quantité de dioxygène dans le milieu. Cette diminution est stoppée par l addition de cyanure qui bloque le transfert des électrons de la chaîne respiratoire. Ceci montre donc que les racines absorbent du dioxygène pour respirer. Ce métabolisme est indépendant de l éclairement. L étude des fragments de feuilles chlorophylliennes montre également une diminution de la quantité de dioxygène dans le milieu lorsque les feuilles sont à l obscurité. À la lumière, en revanche, on constate une augmentation de la concentration de dioxygène. Cependant, on constate que cette augmentation est plus importante lorsqu on ajoute du cyanure : cela démontre qu il existe bien à la lumière un mécanisme qui contribue à faire baisser la concentration en dioxygène. Donc, comme les fragments de racine, les fragments de feuilles respirent à la lumière comme à l obscurité. 2. Les racines sont des organes non chlorophylliens. Pour ces organes, la respiration est la seule fonction qui se traduit par un échange de dioxygène avec le milieu, en l occurrence une absorption de dioxygène. C est pourquoi on constate une diminution de la concentration en dioxygène (environ 20 unités par minute), imputable à la 274 Partie 1. Énergie et cellule vivante

36 respiration des racines, diminution qui cesse lorsqu on inhibe le métabolisme respiratoire. Les feuilles sont en revanche des organes chlorophylliens : à l obscurité, la respiration est, comme pour les racines, la seule fonction qui se traduit par un échange de dioxygène avec le milieu : la concentration en dioxygène du milieu diminue donc (environ 20 unités par minute). À la lumière, les feuilles respirent également mais la fonction photosynthétique s effectue également : elle se traduit par un rejet de dioxygène. Les mesures effectuées à la lumière correspondent donc au rejet de dioxygène par photosynthèse déduit de la quantité absorbée par respiration (le bilan est alors d environ 40 unités rejetées par minute). Après ajout de cyanure, seule la fonction photosynthétique demeure : on mesure donc alors intégralement le rejet de dioxygène par photosynthèse (environ 60 unités par minute). 6 Diversité des métabolismes chez les levures Le document 1 montre que les deux souches de levures se sont multipliées puisqu elles ont constitué des colonies. Cependant, la souche P forme des colonies plus petites que la souche G. On peut émettre l hypothèse qu une colonie de la souche P est plus petite car elle contient moins de cellules, sa vitesse de croissance étant plus lente. Le document 2 montre que les levures de la souche G contiennent plus de mitochondries que les levures de la souche P. Or, les mitochondries sont les organites de la respiration. De plus, les mitochondries des levures G ont des crêtes mitochondriales bien développées, contrairement aux levures de la souche P. L expérience montre que ce sont les crêtes qui sont susceptibles de réaliser les oxydations couplées à une production d ATP. En effet, nous avons vu que les molécules constituant la chaîne respiratoire sont localisées dans ces replis de la membrane interne. Ceci montre donc que les levures P, qui ont peu de mitochondries et dont les crêtes mitochondriales sont peu développées, auront un métabolisme respiratoire beaucoup moins important que les levures G. L expérience du document 3 montre que les levures G sont devenues rouges : cela signifie que ces levures ont pu faire fonctionner la chaîne respiratoire en utilisant le triphényl-tetralozium comme accepteur d électrons à la place du dioxygène, formant ainsi du formazan, de couleur rouge. En revanche, les levures P sont restées blanches : cela montre qu elles n ont pas mis en œuvre le métabolisme respiratoire. Bilan : les levures P et G diffèrent par les mitochondries dont elles sont dotées : Les levures G possèdent beaucoup de mitochondries, aux crêtes mitochondriales bien développées. Elles développent un métabolisme respiratoire qui fournit l énergie nécessaire à la croissance des colonies. Les levures P ont peu de mitochondries et celles-ci sont inefficaces. Pour se procurer l énergie nécessaire à leur croissance, les levures P doivent donc recourir à un métabolisme autre que respiratoire, probablement la fermentation. Cependant, le rendement énergétique de la respiration est nettement supérieur à celui de la fermentation : les levures de la souche G se reproduisent donc plus vite et forment des colonies plus grosses que les levures de la souche P. Chapitre 2. Respiration et fermentations cellulaires 275

37 7 L utilisation de glucides par une souche de levures Le protocole à mettre en œuvre ne présente pas de difficulté particulière et s apparente à l étude présentée par les Activités pratiques 5, page 44. Les résultats obtenus pourront cependant être variables, en fonction des souches de levures utilisées, mais aussi en fonction de la durée de l étude expérimentale. Par exemple, si les levures sont en général capables d utiliser le maltose comme métabolite de la respiration, il faut savoir que l utilisation de ce métabolite nécessite une induction de l expression de certains gènes, ce qui prend du temps. Si l on souhaite obtenir un résultat positif avec le maltose, il faut donc au préalable cultiver les levures dans un milieu contenant du maltose pour que cette induction se réalise. Cependant, peu importe ici le résultat, mais il faudra que le raisonnement tenu par l élève soit cohérent avec les résultats obtenus. 276 Partie 1. Énergie et cellule vivante

38 Partie 1 chapitre 3 L utilisation de l ATP par la fibre musculaire Activités pratiques 1 Le métabolisme des cellules musculaires (p ) 1. Les intentions pédagogiques L objectif de ce chapitre est de réaliser une étude plus approfondie du métabolisme cellulaire, en l appliquant au cas des cellules musculaires et du rôle de l ATP dans la contraction musculaire. Le choix des cellules musculaires est justifié car les besoins énergétiques de ces cellules sont bien évidemment particulièrement importants. Il convient également d inscrire cette étude dans une cohérence verticale : les élèves ont fait une première approche du métabolisme des muscles au collège (classe de 5 e ). Par ailleurs, la couverture des besoins énergétiques au cours de l effort a été étudiée en classe de seconde. Il existe donc des acquis sur lesquels on pourra s appuyer. Cependant, on se situe, en classe de Terminale S, à l échelle de la cellule et des mécanismes moléculaires. Cette première activité permet de réinvestir les connaissances acquises dans le chapitre précédent en les appliquant au cas des cellules musculaires. Les documents proposés offrent la possibilité d exercer diverses capacités : activité expérimentale et d observation, exploitation de données chiffrées ou de graphiques. Cette étude est aussi l occasion d une éducation à la santé puisqu elle permet de mieux comprendre l intervention des différents types de métabolismes, anaérobie et aérobie, au cours d un effort ou dans la pratique de différents sports. Le document 1 apporte la preuve de la nécessité de l ATP pour la contraction musculaire : on confirme ainsi que la cellule musculaire n échappe pas à la «règle» universelle dans le monde vivant : tout processus biologique qui nécessite de l énergie utilise de l ATP. On notera que le document proposé se situe bien à l échelle de la fibre, donc à l échelle cellulaire. Cette expérience peut être tentée en classe : elle est cependant délicate à réaliser car elle nécessite un fort grossissement et une bonne préparation des fibres musculaires dissociées. C est pourquoi le manuel numérique propose une séquence vidéo de cette expérience, réalisée en microcinématographie. L étude comparée des deux photographies suffit cependant à tirer les conclusions nécessaires. Il est également possible, et plus facile, de faire réaliser par les élèves une expérience similaire mais sur un faisceau de fibres musculaires (voir exercice 3 page 64). À noter que la solution utilisée contient des ions (nécessaires à l équilibre osmotique de la fibre mais aussi à la contraction). Cependant, entre les deux situations expérimentales, la présence ou l absence d ATP est le seul paramètre qui varie. Chapitre 3. L utilisation de l ATP par la fibre musculaire 277

39 Le document 2 amène les élèves à réfuter une hypothèse qui aurait pu apparaître plausible, à savoir celle d une abondance des réserves d ATP dans la cellule musculaire. L étude du graphique montre cependant que le stock d ATP, aussi faible soitil, ne s épuise pas immédiatement : ceci pourra être expliqué grâce aux informations données par le texte et par le schéma situés en vis-à-vis. C est la phosphocréatine qui permet de régénérer immédiatement et en permanence ce stock d ATP. Cependant, on constate que ce processus est limité à une brève période de temps (quelques dizaines de secondes tout au plus). On soulignera cependant son intérêt, qui est de pouvoir réaliser instantanément une contraction musculaire. L intérêt du document 3 est tout d abord de montrer que le muscle utilise les deux processus producteurs d ATP étudiés au cours du chapitre 2 : la respiration, bien entendu, mais aussi la fermentation. Ces processus ne seront pas réétudiés pour eux-mêmes, mais on pourra s appuyer sur le chapitre précédent, notamment en ce qui concerne la fermentation lactique (document 4 page 45). L intervention «chronologique» des trois voies générant de l ATP permet de bien mettre en évidence leur complémentarité. On pourra également montrer que le métabolisme anaérobie lactique (fermentation) permet une production d ATP avant même que l adaptation du système cardioventilatoire apporte aux cellules musculaires le surplus de dioxygène nécessaire. Mais il permet aussi un apport supplémentaire d énergie lorsque le système respiratoire atteint ses capacités maximales. Il conviendra alors de souligner les inconvénients de cette voie métabolique : accumulation d acide lactique (cause d une acidose musculaire) et rendement faible, qui suppose de grosses réserves de glycogène. Les conséquences d une accumulation d acide lactique sont très discutées mais la plupart des chercheurs considèrent que la diminution du ph constitue la principale cause de fatigue musculaire : pour un ph inférieur à 6,4, l action des enzymes intervenant dans la production d ATP (glycolyse notamment) est quasiment stoppée, ce qui conduit rapidement à l épuisement. L épuisement des stocks de glycogène peut aussi être un facteur limitant (cas des exercices prolongés). L exercice 3 page 65 permet d aller plus loin en mettant en évidence la spécialisation des fibres musculaires pour l une ou l autre de ces voies métaboliques (fibres de type I et II). Le cas un peu particulier des fibres cardiaques est évoqué dans les pages «Des clés pour aller plus loin», page 69). 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : Dans cette expérience, la fibre est placée dans une solution ionique : seule la présence ou l absence d ATP distingue les deux situations expérimentales. En présence d ATP, on constate un raccourcissement de la portion de fibre, qui passe de 60 µm environ à 50 µm. Ce raccourcissement (et l aspect plus dense du contenu cellulaire) montre que la fibre s est contractée. La présence d ATP est donc nécessaire à la contraction d une cellule musculaire. Doc. 2 et 3 : Comme le montre le premier graphique, on constate généralement au cours d un effort l intervention successive de trois voies métaboliques susceptibles de fournir au muscle de l ATP. Dans un premier temps, c est la phosphocréatine qui intervient : en effet, cette voie permet une production immédiate d ATP. Cependant, cet approvisionnement ne peut pas être soutenu dans le temps. 278 Partie 1. Énergie et cellule vivante

40 Très rapidement, l ATP est plus tardivement fournie par fermentation lactique. Le métabolisme respiratoire intervient ensuite, car il nécessite un approvisionnement accru des cellules musculaires en dioxygène, ce qui suppose une adaptation cardioventilatoire (augmentation des rythmes cardiaque et respiratoire) qui nécessite du temps pour s installer. On constate donc que, suivant le type d exercice, la part prise par ces trois voies est différente : Dans le cas d un exercice violent mais extrêmement bref, comme l haltérophilie, seule la voie de la phosphocréatine intervient. Notons cependant que les autres voies métaboliques seront nécessaires après cet effort pour restaurer les stocks utilisés. Au cours d une course brève (100 à 400 m), la voie de la fermentation lactique est prépondérante car la phosphocréatine est vite épuisée et la voie respiratoire n a pas le temps de s installer au cours de l effort. Au cours d un exercice prolongé, la voie respiratoire assure durablement la production d ATP, car c est le système le plus efficace (meilleur rendement, pas de production d acide lactique). Le graphique relatif au nageur de haut niveau montre cependant que la fermentation lactique intervient également lorsque l effort imposé est très important, lorsqu il dépasse les capacités maximales d approvisionnement en dioxygène. Doc. 2 et 3 : Les avantages et inconvénients des différentes voies métaboliques peuvent être comparés sous forme d un tableau. Voie de la phosphocréatine Fermentation lactique Respiration Avantages ATP instantanément disponible : permet un effort immédiat. ATP produit rapidement. Ne nécessite pas d approvisionnement en dioxygène. Production rapide d ATP, production possible au-delà des capacités maximales d apport en dioxygène. Rendement élevé, production d ATP importante et durable, pas de production d acide lactique. Inconvénients Stock très faible, intervention limitée aux premières dizaines de seconde d un effort physique. Rendement faible (consommation très importante des réserves de glycogène), production d acide lactique à l origine d une fatigue musculaire, voire d un épuisement. Nécessite le temps d adaptation des systèmes cardiaque et ventilatoire permettant l accroissement de l apport en dioxygène. Production d ATP limitée par les capacités maximales d approvisionnement en dioxygène (VO 2 max). 3. Ressources complémentaires Manuel numérique Bordas : «La fibre musculaire utilise de l ATP» (microcinématographie). Chapitre 3. L utilisation de l ATP par la fibre musculaire 279

41 Activités pratiques 2 La fibre musculaire, une cellule très spécialisée (p ) 1. Les intentions pédagogiques L objectif de cette double-page doit être replacé dans le cadre d une démarche d investigation : après avoir montré que la contraction musculaire nécessite de l ATP et avoir étudié comment cet ATP est produit, on cherche à comprendre comment l ATP est susceptible d intervenir dans le processus de contraction musculaire. Cependant, pour pouvoir répondre à cette question, une étude relativement détaillée de la cellule musculaire s impose. Ainsi, il ne s agit pas de mener cette étude pour elle-même mais comme un préalable à l étude suivante qui dévoilera le rôle précis de l ATP dans la contraction musculaire. Le document 1 propose des observations simples de fibres musculaires : celles-ci peuvent être réalisées par les élèves eux-mêmes en dilacérant un fragment de muscle. L aspect strié des fibres est parfaitement visible (même sans coloration). Une coloration au bleu de méthylène ou à l éosine améliore cependant l observation. La présence de plusieurs noyaux, relégués en périphérie, sera mise en relation avec la dimension, inhabituelle pour une cellule, de la fibre musculaire : en effet, la fibre musculaire est un syncytium et résulte de la fusion de nombreuses cellules. Les deux photographies proposées dans le manuel ont été choisies de façon à compléter les observations réalisées par les élèves. Comme indiqué, il ne s agit pas de fibres dilacérées mais de coupes : l observation est donc plus précise. Les deux photographies, l une en coupe longitudinale, l autre en coupe transversale, aideront à se représenter la structure d une fibre musculaire. L observation en coupe longitudinale pourra être comparée à celle du muscle cardiaque qui figure page 69. Le document 2 situe l étude à une autre échelle, elle-aussi indispensable afin d envisager l intervention de l ATP dans le mécanisme de la contraction. Les dessins permettront à l élève de situer l échelle ultrastructurale par rapport aux observations microscopiques réalisées précédemment. L aspect strié constaté au microscope optique pourra notamment être mis en relation avec l alignement des stries Z des différentes myofibrilles d une même fibre et l alternance des bandes claire et sombre constituant un sarcomère. Le vocabulaire scientifique utilisé est précis ; les auteurs ont cependant choisi de limiter celui-ci au strict nécessaire (les notions de bandes A et bandes H, par exemple, ne s avèrent pas indispensables). La réalisation d un schéma de l ultrastructure du sarcomère est judicieuse : utile avant d aborder l activité suivante, la réalisation d un tel schéma permet également de s assurer que l architecture des sarcomères (disposition relative des myofilaments en particulier) a été correctement comprise. On pourra aussi exploiter les électronographies présentées en ouverture de chapitre, pages 54 et 55, pour constater que si les myofibrilles occupent la majeure partie du cytoplasme de la fibre musculaire, cette dernière comporte également de nombreuses mitochondries ainsi que des réserves de glycogène (sous forme de granules, colorables par une technique appropriée). Informations complémentaires : La zone plus claire d une bande sombre est communément appelée «bande H». Il 280 Partie 1. Énergie et cellule vivante

42 est facile de comprendre que cette partie centrale (qui ne comporte que des filaments de myosine) apparaît moins sombre que les deux extrémités de la bande sombre (qui comportent les deux types de filaments). Cependant, l axe de cette bande H apparaît au contraire très foncé (c est ce qu on appelle la ligne M) : cet aspect est dû à la présence, à ce niveau, d une enzyme, la créatine kinase ou créatine phosphokinase (CPK). C est cette enzyme qui catalyse la réaction : Phosphocréatine + ADP = Créatine + ATP Bien entendu, de telles précisions sont clairement hors programme. Elles peuvent cependant être nécessaires pour répondre aux interrogations de certains élèves. 2. Les pistes d exploitation 3. Ressources complémentaires Doc. 1 : Le dessin ou la photographie légendé devra faire apparaître, sans ambigüité, qu une fibre est une cellule, avec membrane cellulaire, cytoplasme (d aspect strié), noyaux situés en périphérie du cytoplasme, plaqués contre la membrane plasmique. Doc. 1 et 2 : Le cytoplasme d une fibre musculaire est essentiellement occupé par des filaments protéiques disposés parallèlement à l allongement de la fibre. Un ensemble de filaments constitue ce qu on appelle une myofibrille : chaque myofibrille est une succession de sarcomères et montre donc une alternance de bandes sombres (comportant des filaments épais) et de bandes claires (ne comportant que des filaments fins). Or, les différentes myofibrilles d une fibre sont disposées de telle sorte que les bandes claires et sombres sont alignées : on retrouve donc l aspect strié au niveau de la fibre tout entière. Doc 2 : Pour la coupe longitudinale du sarcomère, il suffit de se reporter au schéma. Les coupes transversales présentées ici montrent les deux types de filaments : les filaments de myosine, plus épais, apparaissent comme des cercles sombres, les filaments fins d actine comme de simples points, de plus petit diamètre. Doc 2 : Les bandes claires ne comportent que des filaments d actine alors que les bandes sombres comportent des filaments de myosine. La partie centrale d une bande sombre ne comporte que des filaments de myosine alors que les deux extrémités de chaque bande sombre comportent les deux types de filaments. Or, les filaments d actine sont fins alors que les filaments de myosine sont plus épais. En conséquence : les zones qui ne comportent que des filaments d actine apparaissent claires alors que les zones qui comportent des filaments de myosine apparaissent globalement sombres ; dans une bande sombre, la partie centrale (qui ne comporte que des filaments de myosine) apparaît légèrement moins foncée que les deux extrémités (qui comportent les deux types de filaments). Préparations microscopiques de tissu musculaire : Laboratoire Nublat : Site ressources Bordas : L observation de fibres musculaires au microscope (Site SVT de l académie de Rennes) : Différences muscle squelettique - muscle cardiaque (Site «Vie» - Jussieu) Chapitre 3. L utilisation de l ATP par la fibre musculaire 281

43 Activités pratiques 3 Le mécanisme moléculaire de la contraction (p ) 1. Les intentions pédagogiques La connaissance suffisamment précise de la structure d une fibre musculaire permet maintenant d envisager, aussi simplement que possible, le mécanisme moléculaire de la contraction afin de comprendre comment l ATP intervient dans ce mécanisme. Le document 1 présente deux électronographies, sélectionnées pour leur grande qualité, qui peuvent aisément être comparées. Dans un premier temps, il s agit de faire constater un raccourcissement du sarcomère, raccourcissement que l on peut d ailleurs quantifier : ici, le sarcomère passe d une longueur de 2,3 µm à une longueur de 1,8 µm, soit un raccourcissement de 20 % environ. Ce constat pourra être rapproché du travail concentrique d un muscle qui se raccourcit au cours de la contraction (vu en classe de 2 de ). L origine de ce raccourcissement peut être comprise par une observation attentive des deux photographies : en effet, on constate une réduction de la bande claire tandis que la bande sombre n a, quant à elle, pas changé de longueur. On insistera sur le fait que les filaments eux-mêmes n ont pas changé de longueur : il n y a donc pas de contraction ou de raccourcissement des myofilaments mais un simple glissement de leurs positions relatives. Le schéma qui accompagne ces photographies peut permettre de bien consolider ce constat. On pourra d ailleurs demander aux élèves de reproduire un schéma légendé, à l échelle, de chacune des deux électronographies. Le document 2 permet tout d abord de préciser le mécanisme de glissement des filaments : l électronographie à très fort grossissement permet de discerner l existence de liaisons entre les filaments de myosine et d actine. L étude des modèles moléculaires montre comment les «têtes» de myosine sont susceptibles de se fixer sur l actine. Une telle étude peut être réalisée par les élèves eux-mêmes en explorant les modèles moléculaires proposés sur le site ressources Bordas à l aide d un logiciel de visualisation moléculaire. Le manuel numérique (version enrichie Premium) comporte une séquence vidéo qui va plus loin : en effet, elle montre comment la tête d une molécule de myosine peut se «déformer» après fixation d une molécule d ATP. Cependant, le glissement qui résulte de cette déformation est extrêmement faible : c est la répétition d un grand nombre de cycles de fixation/déformation de la myosine qui permet d obtenir un raccourcissement du sarcomère tel qu observé dans le document 1. La série de 4 schémas montre les étapes d un tel cycle : à noter que l hydrolyse de l ATP permet la fixation de la tête de myosine en amont de la position occupée au cycle précédent (repérée par la coloration des «boules» d actine). Cependant, c est la libération de l ADP qui permet le glissement proprement dit, la tête de myosine reprenant alors sa conformation initiale. On pourra également remarquer qu en absence d ATP, les filaments restent attachés, car c est la fixation de l ATP qui permet le détachement des têtes de myosine : c est la cause de la rigidité cadavérique («rigor mortis»). En effet, si la production d ATP cesse, les muscles restent dans un état contracté. 282 Partie 1. Énergie et cellule vivante

44 Là encore, le manuel numérique (version enrichie Premium) propose une ressource intéressante sous la forme d une animation qui montre clairement comment l enchaînement de tels cycles permet le glissement des myofilaments. Cette animation est également disponible sur le site ressources Bordas. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : Dans son état contracté, le sarcomère apparaît plus court (1,8 µm) que dans son état relâché (2,3 µm). On peut remarquer que ce sont les bandes claires qui sont plus courtes. La bande sombre a conservé sa longueur. On remarque aussi que la partie centrale de la bande sombre est réduite : dans le sarcomère contracté, la totalité de la bande sombre est constituée des deux filaments, actine et myosine. Cela signifie donc que les deux stries Z se sont rapprochées, les filaments fins d actine ayant glissé par rapport aux filaments épais de myosine pour se rapprocher de la partie centrale du sarcomère. Doc. 1 : Le sarcomère s est raccourci de 2,3 1,8 = 0,5 µm environ. Le raccourcissement d une succession de sarcomères sera donc de 10 mm environ. Doc. 2 : Le raccourcissement du sarcomère n est pas dû à un raccourcissement des myofilaments. C est le glissement des filaments d actine et de myosine qui rapproche les deux stries Z et raccourcit le sarcomère. Ce glissement s effectue par une succession de cycles au cours desquelles les têtes des molécules de myosine s attachent aux filaments d actine, pivotent et exercent une traction sur ceux-ci. Doc. 1 et 2 : La contraction d un muscle est due à la répétition de cycles au cours desquelles les molécules de myosine s attachent aux molécules d actine, pivotent de façon à faire glisser le filament d actine, se détachent puis se fixent à nouveau, mais plus en amont, sur le filament d actine. Ce mécanisme, plus précisément le pivotement de la tête de myosine, nécessite de l énergie. Cette énergie est fournie par l hydrolyse d une molécule d ATP venue se fixer sur la tête d une molécule de myosine. Au cours de la contraction, il faut donc un renouvellement d ATP pour permettre la répétition de tels cycles. 3. Ressources complémentaires Manuel numérique Bordas : Vidéo : Interaction actine-myosine. Animation : Le mécanisme moléculaire de la contraction musculaire. Site ressources Bordas : Modèle moléculaire (fichier pdb) : ensemble actine-myosine. Modèle moléculaire (fichier pdb) : un filament de myosine, tête redressée. Modèle moléculaire (fichier pdb) : un filament de myosine, tête basculée. Animation : Le mécanisme moléculaire de la contraction musculaire. La contraction musculaire (Site «Vie» - Jussieu) La contraction dans les cellules musculaires (animation) (Sagascience CNRS) Chapitre 3. L utilisation de l ATP par la fibre musculaire 283

45 Exercices p. 64 à 65 La correction de l exercice 1 figure dans le manuel de l élève page Contraction musculaire et nécessité d ATP Le protocole expérimental devra comporter le prélèvement d un faisceau de fibres musculaires qui sera soigneusement étalé sur le fond de la cuvette et mesuré par le matériel fourni (papier millimétré, règle gradué). On peut aussi envisager de réaliser une photographie et effectuer une mesure avec un outil numérique (Mesurim par exemple). La première étape consistera à ajouter une solution ionique sans ATP. Une nouvelle mesure sera alors réalisée. On ajoutera ensuite la solution avec ATP et on effectuera une mesure après constat de contraction du faisceau de fibres. Un autre protocole peut être conçu, consistant à prélever deux faisceaux de fibres de dimensions comparables : l un sera imbibé par la solution sans ATP tandis que l autre sera imprégné par la solution ionique avec ATP. Ces deux protocoles ont leurs avantages et leurs inconvénients : l important est que l élève élabore son propre protocole et le justifie. En particulier, l existence d une mesure témoin est ici importante. L élève doit aussi bien souligner que la présence ou l absence d ATP est le seul paramètre variant. 3 Deux types de fibres musculaires L étude du document 1 montre que toutes les fibres musculaires n ont pas la même activité métabolique. Les fibres de type I sont plus foncées, ce qui traduit une plus forte activité respiratoire puisque la coloration est directement liée à l activité d une enzyme intervenant dans la production d ATP par les mitochondries, qui sont les organites de la respiration. Les fibres de type II sont plus claires, ce qui montre une faible activité mitochondriale, donc une faible activité respiratoire. Le document 3 confirme et complète ce constat : Les fibres de type I sont riches en mitochondries, en myoglobine et fortement irriguées : ceci est à mettre en relation avec le métabolisme respiratoire qui se réalise pour l essentiel dans les mitochondries et qui nécessite un apport de dioxygène par le sang et par la myoglobine. Les réserves en glycogène sont moyennement importantes car le métabolisme respiratoire ayant un rendement élevé, ces fibres sont relativement peu consommatrices de glycogène. Le métabolisme respiratoire ne produit pas de déchets organiques qui pourraient être cause d une fatigabilité et, n étant pas très dispendieux, il n épuise pas les réserves de glycogène : ces fibres sont donc peu fatigables. La densité en myofibrilles étant moyenne, la force développée et le volume occupé restent relativement modestes. Le métabolisme respiratoire étant relativement long à s instaurer, la vitesse de contraction est peu élevée. Les fibres de type II sont pauvres en mitochondries et en myoglobine et sont peu vascularisées, ce qui confirme qu elles utilisent peu le métabolisme respiratoire. 284 Partie 1. Énergie et cellule vivante

46 Elles utilisent donc préférentiellement la fermentation lactique pour produire de l ATP. La fermentation lactique ayant un faible rendement, ces fibres ont besoin de réserves importantes de glycogène. L acide lactique produit par la fermentation, la forte consommation de glycogène (qui peut aller jusqu à l épuisement du stock) peuvent rapidement conduire à la fatigue. La densité en myofibrilles et l abondance des réserves de glycogène expliquent le volume important et la force développée. La fermentation lactique peut produire très rapidement de l ATP : ces fibres ont donc une vitesse de contraction élevée. Les fibres de type I sont donc plus adaptées à un effort progressif, de longue durée, tandis que les fibres de type II sont plus adaptées à un effort puissant, rapide, mais de courte durée. Ainsi, comme le montre le document 2, on constate que les sportifs qui pratiquent la course de fond ou le ski de fond ont une majorité de fibres de type I, privilégiant ainsi le métabolisme respiratoire, tandis que les sprinters ou lanceurs de poids ont majoritairement des fibres de type II, impliquant préférentiellement la fermentation lactique. Chapitre 3. L utilisation de l ATP par la fibre musculaire 285

47 286

48 Titre Atmosphère, Ligne 1 Titre Ligne 2 du passé à l avenir Partie2 hydrosphère, climats : C h a p i t r e 1 L atmosphère primitive et son évolution C h a p i t r e 2 L évolution récente de l atmosphère et du climat C h a p i t r e 3 De l évolution récente du climat au climat de demain C h a p i t r e 4 Le Crétacé : une période particulièrement chaude

49 Partie 2 Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir Les objectifs généraux de cette partie Cette partie a pour objectif de sensibiliser les élèves à la complexité des relations existant entre les enveloppes fluides de la Terre et le climat. Elle est l occasion de montrer que l observation et l interprétation des phénomènes passés permettent d appréhender l évolution future de la planète. Il s agit de montrer que l étude des enveloppes fluides de la Terre (atmosphère et hydrosphère), fondée sur une démarche intégrant des observations géologiques, biologiques et des mécanismes physico-chimiques, procure des éléments de réflexion pour la création de modèles permettant d envisager notre futur climatique. Cette approche de la complexité, chère à Edgar Morin, s effectue par l étude des phénomènes à différentes échelles de temps et d espace. L élève est amené à prendre conscience que des phénomènes d ampleur variable, selon l échelle de temps considérée, affectent l atmosphère et le climat, en fonction de paramètres régulateurs différents. L élève comprend que le climat, à l échelle globale et locale, est le résultat de l interaction de ces paramètres régulateurs, mais qu il module aussi les conditions de leur déroulement. Par exemple, on insiste sur le fait que si l évolution du vivant influence l évolution de l atmosphère, celle-ci agit sur l évolution de la vie. Enfin, la connaissance des méthodes usitées pour projeter un avenir climatique, la compréhension des limites inhérentes au raisonnement utilisé (si les conditions changent dans l avenir, ce qui s est effectué par le passé ne se reproduira peut-être pas) conduit à admettre les incertitudes, conduit à développer une attitude critique mais raisonnée, conduit à mieux comprendre comment la science permet d appréhender un enjeu contemporain majeur. Cette partie du programme permet de développer un certain nombre de compétences. Des connaissances : Les objectifs de connaissance sont modestes, mais construits la plupart du temps grâce à la mise en œuvre de démarches d investigation qui offrent une place prépondérante au développement de l autonomie des élèves : la transformation de l atmosphère initiale notamment par le développement de la vie ; la présence d indices pétrographiques attestant le développement d une atmosphère oxydante ; la présence d indices dans les glaces permettant de retracer depuis ans l évolution de la composition atmosphérique ; l existence de données isotopiques ( 18 O/ 16 O) ou polliniques témoignant des modifications climatiques globales et locales sur cette même période ; la composition atmosphérique, en particulier la concentration en gaz à effet de serre, facteur essentiel de l évolution climatique globale, obéissant à des variations d origine naturelle et anthropique et subissant des rétroactions complexes ; la prise en compte d autres facteurs pour établir des modèles climatiques les plus fiables possibles et donc pour permettre aux sociétés et aux individus de se positionner par rapport au climat de demain ; 288 Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

50 l enregistrement dans les roches sédimentaires de variations climatiques importantes, très éloignées de celles de l époque actuelle, sur les grandes durées. Des capacités : Cette partie du programme permet de mettre en œuvre diverses activités expérimentales, manipulatoires. Les élèves seront notamment amenés à concevoir tout ou partie de protocoles expérimentaux et à les appliquer : ExAO (teneur en dioxyde de carbone), utilisation de banques de données (delta 18 O, pollens), de logiciels de modélisations (Simclimat) à réalisation d observations (pollens, foraminifères). Des attitudes : Dans cette partie, les élèves auront l occasion de réfléchir à la complexité du système climatique interface entre plusieurs enveloppes, à l existence de connaissances encore très imparfaites de certains systèmes intervenant dans l établissement du climat (rôle des nuages, des aérosols, des sols...). Ils seront amenés aussi à aborder de façon critique certaines données de prévision et à ouvrir leur perception aux domaines économiques, sociétaux et politiques tout en mesurant toute la nécessité d améliorer les connaissances scientifiques afin de renforcer l efficacité prédictive des modèles climatiques. Le chapitre 1, comme l indique le programme, a pour but de montrer que 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. Il s agit dans ce chapitre de traiter le passage de l atmosphère primitive à l atmosphère oxydante en s appuyant sur un nombre limité d arguments pétrographiques. Le chapitre 2 permet de comprendre comment la composition atmosphérique et certaines données climatiques (température, hygrométrie) ont pu être enregistrées depuis ans. La place prépondérante de la glaciologie est mise en valeur car elle permet de retracer finement les variations climatiques à différentes échelles (du million d années à quelques dizaines d années). Le chapitre 3 aborde quelques aspects du déterminisme climatique ainsi que certaines causes des modifications climatiques (forçages et rétroactions climatiques). L établissement de modèles climatiques reposant sur différents scénarios anthropiques est envisagé ainsi que les incertitudes liées à la connaissance partielle de certains mécanismes intervenant dans l évolution climatique. Le chapitre 4, comme le demande le programme, est un exemple montrant que, dans le passé, des conditions climatiques très éloignées de celles de l époque actuelle ont existé. Les auteurs ont choisi la période du Crétacé, période particulièrement chaude, pour laquelle l explication des conditions climatiques en termes de géodynamique est très intéressante. Les objectifs généraux 289

51 Une correspondance entre le programme officiel et les chapitres du manuel Connaissances Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir Sans chercher l exhaustivité, l objectif de ce thème est d aborder quelques aspects de la relation entre l histoire des enveloppes fluides de la Terre et l histoire du climat à différentes échelles de temps et d espace. Il s agit de montrer que la compréhension, au moins partielle, de cette complexité, permet d établir des modèles climatiques et d envisager une gestion raisonnée de l influence de l Homme. 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 (particulièrement le passage de l atmosphère primitive à l atmosphère oxydante) se trouve inscrite dans les roches sédimentaires. 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 de scénarios d émissions des gaz à effet de serre par l activité humaine. 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. On étudie seulement un exemple, ici le Crétacé, permettant de reconstituer les conditions climatiques et leur explication en termes de géodynamique. Les chapitres du manuel chapitre 1 L atmosphère primitive et son évolution (pages 78-95) Les activités pratiques Act. 1 L atmosphère de la Terre primitive Act. 2 La chute de la concentration du CO 2 atmosphérique Act. 3 L atmosphère devient oxydante Act. 4 L évolution de la vie accompagne celle de l air chapitre 2 L évolution récente de l atmosphère et du climat (pages ) Les activités pratiques Act. 1 L évolution de la composition atmosphérique Act. 2 Les glaces polaires et les paléotempératures Act. 3 Les pollens et l évolution climatique locale Act. 4 L évolution globale du climat Act. 5 Les glaces polaires et l évolution récente du climat Act. 6 Des indices fournis par les glaciers continentaux chapitre 3 De l évolution récente du climat au climat de demain (pages ) Les activités pratiques Act. 1 Les gaz à effet de serre et le climat Act. 2 Le climat : une intervention de nombreux facteurs Act. 3 Le climat de demain : une modélisation délicate Act. 4 Les incertitudes de l évolution du climat chapitre 4 Le Crétacé : une période particulièrement chaude (pages ) Les activités pratiques Act. 1 Des indices sédimentologiques Act. 2 Des indices paléontologiques Act. 3 Une production abondante de roches carbonatées Act. 4 Une intense activité magmatique 290 Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

52 Partie 2 chapitre 1 L atmosphère primitive et son évolution Activités pratiques 1 L atmosphère de la Terre primitive (p ) 1. Les intentions pédagogiques L objectif est ici de comprendre comment il est possible de reconstituer l atmosphère primitive de la Terre. Le document 1 permet de définir les phénomènes d accrétion et de différenciation à l origine des enveloppes terrestres. Il permet d engager l idée d un dégazage du manteau à l origine de l atmosphère. Les documents suivants vont apporter des indices en faveur de cette hypothèse. Le document 2 amène le «message des gaz rares» : argon, xénon et hélium. La confrontation de leurs concentrations atmosphériques et de leur comportement permet de comprendre que l atmosphère terrestre s est formée suite à un dégazage intense et précoce du manteau qui s est poursuivi par la suite d une manière lente et continue. En effet, si le dégazage n avait été que précoce, il n y aurait pas d hélium aujourd hui dans l atmosphère. À l inverse, si le phénomène n avait été que lent et continu, les quantités de xénon ne seraient pas ce qu elles sont (notamment dans les basaltes océaniques). Les documents 3 et 4 donnent une idée de la composition de l atmosphère primitive en se basant sur les émissions volcaniques et le dégazage des météorites indifférenciées (chondrites). Ils montrent une atmosphère initiale réductrice, riche en CO Les pistes d exploitation Doc. 1 et 2 : L hélium est un gaz très léger qui a tendance à s échapper facilement de l atmosphère vers l espace. Pourtant, dans l air, il y a de l hélium. En mesurant la teneur en hélium au-dessus des dorsales océaniques, on a montré que l activité volcanique produit de l hélium. Par ailleurs, l argon présent dans l atmosphère est principalement formé par désintégration radioactive du 40 K, la demi-vie de cet élément étant très longue ; il faut donc envisager que c est un phénomène d enrichissement progressif de l air en argon qui a permis d atteindre les taux actuels. Hélium et argon contribuent donc à faire penser que l atmosphère résulte du dégazage continu du manteau par volcanisme depuis la formation de la Terre par accrétion puis différenciation. Cependant, les analyses de concentration des isotopes du xénon montrent que le dégazage a été plus intense durant les 150 premiers millions d années. Il s est ensuite poursuivi lentement mais de manière continue. Chapitre 1. L atmosphère primitive et son évolution 291

53 Doc. 3 et 4 : Le dégazage des météorites de type chondrite, dont on pense qu elles sont représentatives de la composition moyenne du système solaire (et donc de la Terre primitive), donne des composés chimiques identiques et dans des concentrations proches de ce que l on peut trouver dans les émissions volcaniques. On pense donc que, lorsque les enveloppes terrestres se sont formées par différenciation, le dégazage précoce du manteau a conduit à la formation d une atmosphère très réductrice, riche en dioxyde de carbone, en diazote, en dioxyde de soufre et en eau. Synthèse : On peut reconstituer la composition initiale de l atmosphère terrestre en étudiant les gaz émis par les volcans ou en provoquant le dégazage de certaines météorites représentatives du système solaire primitif. En effet, on peut prouver par l analyse de gaz rares que l atmosphère s est formée par un dégazage précoce du manteau terrestre qui se poursuit toujours via les manifestations volcaniques. L atmosphère primitive de notre planète était dépourvue de dioxygène et riche en dioxyde de carbone. 3. Ressources complémentaires La recherche des temps perdus Une frise réalisée à partir d un travail d élèves, très bien conçue et très utile pour resituer les événements aussi bien biologiques que géologiques à travers les temps géologiques : Informations scientifiques sur la Terre primitive La société française d exobiologie consacre sur son site officiel plusieurs pages très intéressantes sur l origine de l atmosphère, de l hydrosphère, les conditions archéennes : Le message des gaz rares L institut de physique du globe de Paris : Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

54 Activités pratiques 2 La chute de la concentration du CO 2 atmosphérique (p ) 1. Les intentions pédagogiques La première activité pratique de ce chapitre a montré que l atmosphère primitive était réductrice et riche en CO 2. Il s agit maintenant de comprendre que cette atmosphère s est transformée. Tout d abord son taux de dioxyde de carbone a fortement diminué. Le document 1 apporte un éclairage sur la formation de l hydrosphère. Il donne des informations récentes sur l origine supposée extra-terrestre de l eau de la Terre. Le document 2 permet de comprendre la relation existant entre le taux de CO 2 atmosphérique, la présence d eau et le refroidissement de la Terre. Plus il y a eu d océans, plus la Terre s est refroidie et plus le taux de CO 2 atmosphérique a diminué par solubilisation de ce CO 2 dans l eau de mer. Le document 3 conforte les informations précédentes en donnant des arguments pétrographiques attestant à la fois de la présence ancienne d eau liquide et de la diminution progressive du taux de CO 2 atmosphérique. Le document 4 précise encore ces conclusions sur la période mieux connue des temps géologiques. Il permet de relier évolution de l atmosphère et évolution du vivant. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 et 2 : L origine des océans semble être extra-terrestre. L eau aurait été apportée par des objets célestes tels les comètes, les astéroïdes ou météorites lors du phénomène d accrétion (la signature isotopique de l eau des océans et de l eau des météorites est très proche). C est le refroidissement de la Terre qui aurait permis, assez rapidement (150 Ma après la formation de la Terre), la condensation de l eau. Une fois les océans formés, le CO 2 de l air a diffusé dans l eau (ceci d autant plus que la température diminuait). Sa concentration atmosphérique a donc diminué progressivement à mesure que la solubilisation augmentait. Doc. 3 : Les roches sédimentaires très anciennes de Baberton ( 3,5 Ga) montrent l existence à cette époque de la présence d eau liquide, de l existence de phénomènes d érosion et de transport (les galets sont bien ronds, ils ont été transportés par l eau). La température de la Terre était donc compatible avec cet état liquide. Comme l ensoleillement était plus faible à l époque, il faut donc admettre que l effet de serre était plus élevé, ce qui revient à dire que le taux de CO 2 devait être encore très important («paradoxe du soleil froid»). Cependant, la présence de traces glaciaires vers 2,5 Ga semble indiquer que le taux de CO 2 a bien diminué par la suite pour permettre l instauration de conditions climatiques beaucoup plus froides. Doc. 4 : Depuis 600 Ma, le taux de CO 2 atmosphérique a considérablement diminué, il a été divisé globalement par 15. Néanmoins, selon les périodes géologiques, ce taux a varié. Certaines périodes sont même marquées par des hausses de sa concentration Chapitre 1. L atmosphère primitive et son évolution 293

55 (ère Mésozoïque). Une baisse du taux de CO 2 est particulièrement notable ( 400 Ma), elle correspond à la colonisation du milieu aérien par les végétaux. Synthèse : Le taux de CO 2 atmosphérique a fortement diminué au cours des temps géologiques fois plus important qu aujourd hui dans l atmosphère primitive, il a diminué considérablement au cours des temps phanérozoïques par solubilisation dans l eau de mer et par la formation de roches carbonatées. Il était encore 15 fois supérieur au taux actuel au début des temps fossilifères, il a diminué progressivement à cause du développement de la photosynthèse, de la colonisation du milieu aérien par les végétaux et le piégeage de la matière organique ainsi produite. D autres mécanismes sont aussi responsables de cette diminution (altération des roches silicatées notamment). 3. Ressources complémentaires Évolution de l atmosphère : Le site Planet Terre propose une multitude de documents sur cette thématique : Terre%20:%20Structure,%20Composition,%20Evolution.//Atmosphère//Evolution%20de%20 l atmosphère&tri=date&tri_ordre=descending Activités pratiques 3 L atmosphère devient oxydante (p ) 1. Les intentions pédagogiques Conformément au programme officiel, il s agit ici de présenter quelques arguments pétrographiques illustrant le passage de l atmosphère réductrice à l atmosphère oxydante. Les auteurs ont choisi de montrer que ce passage était marqué par la disparition de certaines formations (fers rubanés, uraninite) qui nécessitent une atmosphère privée de dioxygène, et par l apparition de formations (sols rouges) qui nécessitent l existence d une atmosphère riche en dioxygène. Le document 1 présente les fers rubanés, leur datation, leur formation marine à partir d éléments issus des continents. Le fer a été amené du milieu continental mais c est dans le milieu marin qu il a sédimenté. L iconographie choisie permet de bien voir l origine sédimentaire de ces roches (couches successives superposées). Le document 2 présente les gisements d uraninite, leur formation, leur datation. Là aussi, l essentiel est de comprendre que le transport ne peut s effectuer que dans des eaux dépourvues de dioxygène mais que la sédimentation nécessite des eaux oxygénées. Le document 3, à l inverse, présente les paléosols rouges, le fer a sédimenté sur place, en milieu continental. 294 Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

56 Le document 4 permet de comprendre la relation existant entre l oxygénation de l eau et le comportement du fer. En milieu réducteur et pauvre en oxygène, le fer est bivalent (Fe 2+ ). Le fer se trouve sous la forme d hydroxyde ferreux Fe(OH) 2 solubles. En milieu oxygéné, le fer est trivalent (Fe 3+ ). Il prend la forme d oxyde ferrique Fe 2 O 3 ou d hydroxyde ferrique Fe(OH) 3. Ces formes sont insolubles. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : Les fers rubanés présentent un aspect laminé. On peut voir sur la photographie la présence de couches successives qui évoquent la précipitation successive de différents niveaux ferriques intercalés entre des niveaux siliceux. Cet aspect est compatible avec l hypothèse d une formation par précipitation chimique et sédimentation. Doc. 2 : L uraninite a une origine continentale (origine détritique par l altération de roches contenant de l uranium). L uraninite est soluble dans les eaux oxygénées ; après l altération, les particules ont donc été transportées par les eaux continentales dépourvues de dioxygène puis ont sédimenté lorsque la vitesse du courant a diminué. Leur forme arrondie témoigne de ce transport sous forme de particules. Leur absence à partir de 2,2 Ga semble indiquer que les eaux continentales deviennent riches en oxygène. L atmosphère devait être oxydante. Doc. 1, 3 et 4 : La manipulation proposée indique que le fer peut exister sous deux formes ioniques en fonction de l oxygénation de l eau. Si l eau est désoxygénée, le fer est bivalent (Fe 2+ ), cette forme est soluble. Si l eau est oxygénée, le fer est trivalent (Fe 3+ ), cette forme ionique est insoluble (cf. le brunissement de l eau). Les fers rubanés indiquent donc que : avant 2,2 Ga, il n y a pas de dioxygène dans l air (le fer ne pourrait pas être transporté par les eaux douces) mais il y a du dioxygène dans les océans (sinon il n y aurait pas de précipitation) ; après 2,2 Ga, l absence de fers rubanés révèle un changement complet : l atmosphère devenue oxydante fait que le fer précipite en milieu continental. Il n est plus transporté dans les océans. Il se forme des sols rouges. Synthèse : Le fer précipite en hydroxyde ferrique dans les eaux oxygénées. De 4 Ga à 2,2 Ga, des formations sédimentaires contenant du fer précipitent en milieu océanique (fers rubanés). De la même manière, des gisements d uraninite (nécessitant des eaux dépourvues de dioxygène) se forment sur les continents. Après 2,2 Ga, les gisements de fer sont continentaux (paléosols rouges). L uraninite ne se forme plus. Du dioxygène est donc produit sur Terre à partir de 4 Ga. Ce dioxygène a d abord été piégé dans les océans avant d enrichir l air, il y a 2,2 Ga. 3. Ressources complémentaires Évolution de l atmosphère : Le site Planet Terre propose une multitude de documents sur cette thématique : Terre%20:%20Structure,%20Composition,%20Evolution.//Atmosphère//Evolution%20de%20 l atmosphère&tri=date&tri_ordre=descending Chapitre 1. L atmosphère primitive et son évolution 295

57 Activités pratiques 4 L évolution de la vie accompagne celle de l air (p ) 1. Les intentions pédagogiques Cette double page est dédiée à l étude de l évolution conjointe de l atmosphère et de la biosphère. Il s agit de faire comprendre à l élève que l origine de la transformation de l atmosphère est un phénomène biologique mais il s agit aussi de voir que l évolution de l air s accompagne de celle de la vie. Le document 1 présente, grâce à une iconographie variée à différentes échelles, une confrontation de stromatolites fossiles et actuels. Il permet à l élève de comprendre en quoi ce sont les traces des premiers producteurs de dioxygène. Les documents 2 et 3 amènent l élève à comprendre que cette production de dioxygène s est accompagnée de différentes conséquences : disparition en masse de bactéries méthanogènes (et ainsi changement climatique?), formation d ozone et sortie des eaux. Évolution de la Terre et évolution du vivant sont interdépendantes. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : Les stromatolites sont des constructions biologiques. Elles sont liées à l activité de bactéries photosynthétiques : les cyanobactéries. Pour assurer leur photosynthèse, elles absorbent le CO 2 dissous dans l eau, ce qui provoque la précipitation du carbonate de calcium autour d elles. De plus, les colonies bactériennes forment des tapis plus ou moins gélatineux qui piègent des particules minérales présentes dans l eau. L activité bactérienne se traduit ainsi par la formation d une alternance de lits clairs et foncés qui se superposent avec le temps. Doc. 1 et 2 : L apparition des cyanobactéries a permis la production de dioxygène via le processus de photosynthèse. Les plus anciens stromatolites étant datés de 3,5 Ga, on peut donc penser que le dioxygène a commencé à être rejeté dans les océans à partir de cette période. Les cyanobactéries ne sont néanmoins pas les seuls êtres procaryotes présents sur Terre dans ces temps anciens. On a en effet retrouvé les traces de la présence de bactéries que l on soupçonne d être méthanogènes. Ces bactéries, en produisant du méthane par fermentation, auraient pu contribuer à renforcer l effet de serre naturel dans les temps les plus reculés de l histoire de la Terre. Doc. 2 et 3 : Si la vie a permis l évolution de la composition de l atmosphère terrestre, ces transformations ont en retour fortement influencé la vie. Le dioxygène étant très défavorable aux microorganismes fermentaires méthanogènes, l avènement du dioxygène a dû s accompagner de leur disparition en masse. On pense même que cela aurait pu faire diminuer l effet de serre terrestre et donc refroidir considérablement le climat. Le dioxygène d abord toxique s est avéré très précieux par la suite lorsque l évolution a permis la respiration, métabolisme utilisant le dioxygène et permettant un rendement énergétique bien plus élevé. De la même façon, la formation de la couche d ozone à partir du dioxygène atmosphérique est une acquisition essentielle. En protégeant 296 Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

58 la surface de la planète d une partie des rayons ultraviolets du soleil, elle a permis l épanouissement de la vie hors de l eau, il y a 360 Ma. Doc. 3 : Les indices des trois grandes étapes de l évolution de l atmosphère : 1. Les gaz rares de l atmosphère actuelle et en particulier le xénon (page 80). 2. Les fers rubanés et les uraninites (p. 84). 3. Les paléosols rouges (p.85). On peut expliquer l abondance de l azote dans l atmosphère actuelle par le fait que le N 2 est un gaz relativement inerte. Il réagit peu avec les autres. Très peu d êtres vivants sont capables de l utiliser. Doc. 3 : Il existe un «décalage» entre le début de la production de dioxygène par les cyanobactéries ( 3,5 Ga) et le début de l atmosphère oxydante ( 2,2 Ga). Ce décalage s explique par le fait que le dioxygène a d abord été produit dans les océans, il a contribué à la précipitation d immenses quantités de gisements de fer. Synthèse : Les premiers producteurs de dioxygène sont probablement les stromatolites, des êtres vivants procaryotes proches des cyanobactéries actuelles. Ils ont produit du dioxygène par photosynthèse. Les stromatolites les plus anciens sont datés autour de 3,5 Ga. 3. Ressources complémentaires Les stromatolites : Un bon point de départ pour étudier les premiers producteurs de dioxygène : Chapitre 1. L atmosphère primitive et son évolution 297

59 Exercices p. 92 à 95 La correction des exercices 1 à 3 figure à la fin du manuel de l élève (page 228). 4 Un indicateur de l activité photosynthétique Les bonnes réponses sont : 1c ; 2a. 5 Un autre exemple de lien entre évolution de l atmosphère et évolution de la vie La période du Carbonifère ( 360 Ma à 300 Ma) est marquée, d après le document 2, par un très fort piégeage de la matière organique. Il est deux fois plus important à l époque qu aujourd hui. Cela se comprend par le fait que cette période est celle du développement d une abondante flore intertropicale faite de fougères arborescentes et de lycophytes géantes. L activité photosynthétique intense induite par cette flore a permis la formation d une immense biomasse qui, dans des conditions géologiques particulières, a été en partie soustraite à l action des décomposeurs. C est l origine des gisements de charbon que l on exploite encore en partie actuellement. Cette absence de recyclage de la matière produite par les décomposeurs s est accompagnée d un «manque à gagner» en terme de CO 2 atmosphérique car c est par la respiration (et donc la production de CO 2 ) que ces êtres vivants permettent le recyclage de la matière. Le Carbonifère est donc marqué par une baisse du taux de CO 2 atmosphérique, une baisse générale de l effet de serre et ainsi un refroidissement climatique. La biosphère a influencé le climat global de la Terre. De la même manière, l activité photosynthétique a, comme le montre le document 3, entraîné pendant cette période une forte production de dioxygène qui n a pas été compensée par l activité de recyclage des décomposeurs. Le taux atmosphérique de dioxygène a ainsi pu atteindre près de 35 %! On pense que cela a pu contribuer à favoriser l évolution de certains groupes d insectes vers des formes géantes que l on trouve fossilisées et qui sont absolument inédites dans l histoire des temps géologiques. Au Carbonifère, la biosphère a permis la diminution du taux de CO 2 et l augmentation du taux d O 2 atmosphériques, cette évolution de l atmosphère ayant contribué à favoriser l évolution du monde animal. 6 Observer l espace pour connaître l origine de l atmosphère terrestre 1. Deux hypothèses peuvent être avancées concernant l origine de l eau sur Terre : une origine terrestre : le dégazage du manteau qui produit de la vapeur d eau ; une origine extra-terrestre : l apport d eau via des objets célestes tels les comètes ou les météorites. 2. Il y a de l eau dans le système solaire. Cependant cette eau semble différente en fonction des objets célestes comme le montre le document 1. L eau sur Terre n a pas la même «signature isotopique» que sur Mars ou Vénus. Elle contient moins d eau semi-lourde, c est-à-dire qu elle contient moins de deutérium. Y a-t-il une spécificité de l eau terrestre? Quand on sait l importance de l eau pour la vie, on comprend pourquoi les scientifiques cherchent à percer ce mystère. C est en cherchant ailleurs dans le système solaire des traces d eau que l on peut espérer trouver la solution. 298 Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

60 Le télescope Herschel vient de mesurer au passage de la comète Hartley 2 un signal très élevé qui témoigne d un rapport HDO/H 2 O assez faible, proche de 0,016 % ce qui correspond à ce que l on a sur Terre (0,0156 %). Cela semble indiquer que notre eau n est pas unique, spécifique, mais qu elle correspond à l eau que l on trouve sous forme de glace dans les comètes. L origine de l eau sur Terre pourrait donc être extraterrestre, elle aurait été amenée par les astéroïdes, les météorites, les comètes engagés dans le phénomène d accrétion. Mais alors pourquoi y a-t-il une différence avec Mars et Vénus puisqu elles ont des conditions de formation similaires? Pourquoi Mars et Vénus ont-elles davantage d eau semi-lourde? Les planétologues pensent que, dans le passé, la vapeur d eau atmosphérique a été présente en quantité bien supérieure sur Mars et surtout sur Vénus. Elle aurait disparu par le mécanisme de l échappement gravitationnel. Vénus plus proche du Soleil et Mars plus petite que la Terre n auraient pas pu garder toute leur vapeur d eau initiale. Le mécanisme de l échappement gravitationnel privilégiant l échappement dans l espace des molécules les plus légères, et donc la perte de l eau ordinaire par rapport à celle de l eau semi-lourde, il est donc normal que cette dernière se soit concentrée dans les atmosphères de Mars et de Vénus. Ressources complémentaires Le télescope spatial Herschel Pour tout savoir sur l utilisation de ce télescope européen et la quête de la connaissance de l origine de l hydrosphère terrestre : Chapitre 1. L atmosphère primitive et son évolution 299

61 Partie 2 chapitre 2 L évolution récente de l atmosphère et du climat Activités pratiques 1 L évolution de la composition atmosphérique (p ) 1. Les intentions pédagogiques L atmosphère est composée de différents gaz mais aussi de particules liquides (gouttelettes d eau) ou solides (poussières, cristaux salins...). Les capteurs au sol et les données satellitales permettent depuis quelques dizaines d années d obtenir des mesures de sa composition. Afin d étudier certaines variations atmosphériques plus anciennes, les carottes glaciaires se révèlent un outil indispensable. L objectif de cette activité est de mettre en relief l intérêt des analyses réalisées à partir des carottes glaciaires pour connaître l évolution de la composition atmosphérique à plusieurs échelles de temps : de la centaine de milliers d années où les activités humaines sont négligeables à quelques dizaines d années où il est possible de mettre en évidence l impact anthropique. Les documents 1 et 2 illustrent le forage et l obtention de carottes de glaces ainsi que la présence visible au microscope de bulles d air emprisonnées entre les cristaux de glace, véritables archives de l atmosphère au moment de la constitution de la glace. Le document 2 montre les graphiques obtenus après mesures des concentrations de trois gaz (CO 2, N 2 O, CH 4 ) contenus dans les carottes de glace antarctique du forage Dôme C de la mission Epica (European Project for Ice Coring in Antarctica), forage de mètres de profondeur ayant permis de remonter à ans. Le document 3 illustre l apport des carottes glaciaires dans la connaissance de l évolution plus récente (millénaire et séculaire) de la composition atmosphérique pour ces trois mêmes gaz à partir de forages réalisés dans des sites de forte accumulation de neige. Les mesures très récentes locales peuvent être corrélées à celles obtenues à partir de capteurs embarqués à bord de satellites délivrant des mesures plus globales. Le document 4 a pour objectif de montrer les changements de composition atmosphérique à petite échelle en relation avec les activités humaines. L exemple concerne le tétrachlorure de carbone (appartenant aux CFC), polluant atmosphérique non présent naturellement dans l atmosphère et dont la concentration a connu des variations remarquables enregistrées dans les glaces de Summit au Groenland. 300 Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

62 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 et 2 : Les graphiques obtenus grâce aux mesures réalisées à partir du forage au Dôme C en Antarctique permettent d observer des variations périodiques de trois gaz à effet de serre : le dioxyde de carbone, le protoxyde d azote et le méthane. Les trois graphes peuvent être corrélés et montrent 7 à 8 phases (durant environ ans) où les concentrations varient en moyenne de 55 % pour CO 2, de 42 % pour N 2 O et de 75 % pour CH 4. Les courbes montrent des oscillations autour d un point moyen relativement constant sauf pour le CO 2 où les variations semblent plus marquées depuis ans et pour le méthane qui voit sa concentration fortement augmenter dans la période la plus récente. Doc. 3 : À la différence de l échelle temporelle précédente, à l échelle du millier d années, les concentrations des trois gaz montrent toutes une augmentation nette depuis 1850 et extrêmement forte depuis 1950 : courbes en forme de «crosse de hockey». Les valeurs mesurées actuellement (390 ppm de CO 2, 1,75 ppm de CH 4, 320 ppb de N 2 O) dépassent toutes nettement les concentrations maximales atteintes depuis ans. Les mesures actuelles par satellite de la concentration en CO 2 confirment les données glaciaires et précisent la répartition géographique avec des concentrations particulièrement élevées dans l hémisphère Nord entre 30 et 60 de latitude. Doc. 4 : L évolution de la concentration en tétrachlorure de carbone ne peut s expliquer que par les activités humaines domestiques et industrielles. Les mesures réalisées dans la glace sont ainsi cohérentes avec le développement de l utilisation des CFC dans les années 1950 puis sa réglementation à partir des années Synthèse : Les bulles d air emprisonnées dans les glaces polaires permettent de mettre en évidence des variations cycliques, de l ordre de ans, de la concentration de certains gaz à effet de serre ; elles montrent aussi que, depuis 150 ans, on observe une augmentation inégalée depuis ans des concentrations en CO 2, N 2 O et CH 4. La précision des mesures et la réalisation de nombreux forages permettent actuellement de suivre sur quelques dizaines d années, l évolution de certains polluants atmosphériques d origine humaine. 3. Ressources complémentaires Site ressources Bordas : Banque de données du centre d analyse et d information sur le dioxyde ce carbone CDIAC : Informations sur les gaz piégés dans les bulles d air des carottes de glaces et technique de prélèvement, ainsi que des informations sur l évolution temporelle de différents gaz à effet de serre : Chapitre 2. L évolution récente de l atmosphère et du climat 301

63 Activités pratiques 2 Les glaces polaires et les paléotempératures (p ) 1. Les intentions pédagogiques Le document 1 permet de préciser la relation existant entre les proportions des isotopes de l oxygène présents dans l eau ou la glace et la température du lieu de précipitation. Le logiciel proposé permet d afficher l ensemble des stations ayant réalisé des mesures isotopiques, d en extraire celles qui sont les plus représentatives et d obtenir le graphique 1b : ce dernier montre clairement une corrélation simple entre température et δ 18 O. On comprend ainsi comment, en mesurant le rapport δ 18 O (ou le rapport δd) sur des glaces polaires, on peut accéder à des paléotempératures grâce à un thermomètre isotopique convenablement «calibré». Le document 2 montre le graphe obtenu à partir des mesures du rapport δ 18 O dans le forage du Dôme C en Antarctique (même lieu que les graphiques des Activités Pratiques 1 relatifs à la concentration en certains gaz atmosphériques). Les paléotempératures indiquées ont été calculées à partir de l équation de la droite correspondant au thermomètre isotopique (document 1). Ce graphique présente les variations de températures en durée, en amplitude et permet d effectuer une comparaison entre ces variations et celles portant sur l évolution des gaz atmosphériques présentées dans la double page précédente. Le document 3 a pour objectif de faire comprendre aux élèves la nécessité de réaliser des corrélations entre les mesures arctiques et antarctiques afin de s assurer que les variations climatiques enregistrées sont bien globales. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : La carte montre que plus la latitude augmente plus la valeur du rapport δ 18 O diminue. Cela signifie que le rapport de concentration 18 O/ 16 O diminue : les précipitations sont donc proportionnellement enrichies en 16 O (ou appauvries en 18 O). En effet, une masse d air se charge de vapeur d eau vers les basses latitudes. Au cours de son transport vers les hautes latitudes, elle va s appauvrir progressivement en isotopes lourds, au fil des condensations successives. Plus la masse d air se refroidit, plus elle se condense, et plus l eau des précipitations est appauvrie en oxygène 18 (le phénomène est comparable en ce qui concerne le deutérium D ou 2 H). En corrélant les valeurs du rapport δ 18 O mesurées dans les précipitations avec les relevés de température aux différentes latitudes correspondantes, on obtient une représentation linéaire. On dispose ainsi d un «thermomètre» : la mesure du δ 18 O correspond bien à une température. Remarquons qu il est nécessaire de calibrer la droite obtenue en un lieu donné car la correspondance δ 18 O/T C dépend de nombreux facteurs locaux. Enfin, comme tout permet de penser que la corrélation entre δ 18 O et température a toujours été la même par le passé, cette méthode permet de mesurer des températures «fossilisées» sous forme de rapports δ 18 O mesurables dans les glaces anciennes. 302 Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

64 Doc. 1 et 3 : En utilisant le graphe du document 1 pour les variations du δ 18 O, on constate que l amplitude des variations de température mesurées est comprise entre 46 C et 36 C environ. Doc. 2 : Ce graphique montre plusieurs (8) cycles climatiques marqués par une augmentation relativement brusque de la température (entrée dans une période interglaciaire) et une baisse plus progressive (retour vers une période glaciaire). Les 4 derniers cycles glaciaires, d une durée moyenne de ans, sont nettement visibles. L amplitude maximale des variations de température s élève à 15 C pour le dernier cycle. De nombreuses oscillations plus ou moins importantes existent en particulier à l intérieur des périodes glaciaires. Doc. 3 : Les forages GISP, GRIP au Groenland et Vostok en Antarctique permettent : de préciser l évolution des paléotempératures au cours des derniers ans ; de comparer ces variations dans les deux régions polaires. Les graphes δ 18 O et δd sont très semblables. Ils permettent d établir qu il y a ans la température a commencé à chuter ( 12 C) pour atteindre un minimum il y a ans. De nombreuses petites oscillations marquent cette période glaciaire et sont visibles (notamment de ans à ans). Puis, la température augmente «rapidement», jusque vers ans (amplitude de l ordre de + 12 C) et reste élevée, avec des oscillations : nous sommes désormais en période interglaciaire. À Vostok, les grandes variations précédentes sont repérables de façon à peine décalées dans le temps, les oscillations à l intérieur de la période glaciaire sont moins marquées. La bonne corrélation entre les deux pôles suppose qu il existe une origine globale aux grandes variations constatées. Synthèse : L utilisation d un thermomètre isotopique fondée sur le rapport de concentration d isotopes ( 18 O et 16 O d une part, 1 H et 2 H d autre part), calibré à la zone d extraction des carottes glaciaires, permet de mettre en évidence une succession de périodes glaciaires et interglaciaires d une amplitude globale de 10 à 15 C et dont l origine est naturelle et non anthropique. 3. Ressources complémentaires Site ressources Bordas : GeoMapApp est une application de visualisation de la Terre qui est continuellement élargie dans le cadre du système marin de données géoscientifiques (MGDS) à l Observatoire Lamont-Doherty Earth de la Columbia University. À télécharger sur différents sites, par exemple : Chapitre 2. L évolution récente de l atmosphère et du climat 303

65 Activités pratiques 3 Les pollens et l évolution climatique locale (p ) 1. Les intentions pédagogiques 2. Les pistes d exploitation Il est important de faire prendre conscience aux élèves que l étape de recherche des causes ne peut se faire que si l on a pris la précaution de multiplier et de corréler les mesures (nombreux forages dans les glaces polaires) mais aussi d utiliser des données de terrain variées. Ainsi, hors régions polaires, les sédiments lacustres (et les tourbières) contiennent des archives des variations climatiques locales : les associations polliniques. Une reconstitution des paléoenvironnements est possible si on suppose que les exigences climatiques des végétaux du passé étaient les mêmes qu actuellement. Là encore, cette hypothèse est d autant plus plausible qu on s appuie sur une variété importante de fossiles végétaux. Dans ce cadre, les variations climatiques peuvent être étendues non seulement aux variations de température mais aussi aux variations d hygrométrie. On se limitera à identifier des formations végétales correspondant aux grandes zones climatiques actuelles à travers la lecture, et éventuellement la construction de spectres et de diagrammes polliniques. Le document 1 a pour but de permettre aux élèves de manipuler et d exercer leur sens de l observation. L extraction de pollens, la coloration, la réalisation d une lame mince ainsi que l observation microscopique couplée à une banque de données incluant une clé de détermination sont facilement réalisables. Le document 2 permet de faire comprendre l intérêt de déterminer non pas un seul type de pollen mais plusieurs, les associations polliniques reflétant les grands biomes mondiaux. En effet, une même espèce existe dans plusieurs biomes (par exemple le bouleau ou encore les espèces appartenant aux poacées). L évaluation du pourcentage de pollens spécifiques trouvés s avère donc capitale. Si les échantillons le permettent, cela peut donner lieu à un travail intéressant sur la méthodologie nécessaire pour exploiter un culot de centrifugation extrait de tourbe ou de limons carbonatés : échantillonnage à respecter, moyenne des résultats obtenus par différents groupes. Le document 3 propose le logiciel «paleobiomes» (acces-ifé, voir adresse page suivante) présentant plusieurs intérêts : il contient une banque de données de différents sites européens, ce qui permet de réaliser des corrélations mais aussi de travailler sur les dernières années ; il permet de comprendre et de construire les spectres polliniques correspondant à différents niveaux datés et de passer plus facilement à la lecture ou à la construction d un diagramme pollinique. Doc. 1 : Les élèves sont amenés à comprendre que les pollens se «fossilisent» très bien, que leur apparence est caractéristique de l espèce qui les a produits, que l on peut les extraire assez facilement de tourbe ou de sédiments lacustres (archives assez fréquentes). Ils représentent ainsi une source précieuse d informations sur les climats continentaux. 304 Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

66 Doc. 2 : Ce document présente les grandes formations végétales ou biomes représentatives des différentes zones climatiques. On pourra se contenter de la correspondance simplifiée suivante : Biome Toundra Forêt boréale Forêt tempérée fraîche à forêt tempérée Steppes froides et tempérées Forêt chaude Zone climatique Climat polaire Climat subpolaire Climat tempéré océanique à continental Climat de steppe Climat méditerranéen 3. Ressources complémentaires Doc. 3 : La localité est située en Suisse à 641 mètres d altitude dans un climat semicontinental montagnard. Le spectre pollinique montre, il y a ans, une prédominance de poacées (28 %), d artémisia (21,2 %) représentant la moitié de la totalité des pollens trouvés. La moitié restante est constituée aux 2/3 par des pollens de cypéracées et d hélianthémum et pour 1/3 d arbres : des pins et des bouleaux. Cette association traduit un milieu très ouvert de type steppe avec très peu d arbres (11 %). Tous ces pollens traduisent l existence d une steppe froide. Le diagramme pollinique schématise l évolution dans le temps des spectres polliniques successifs (prendre garde au sens de lecture qui n est pas celui des graphes des doubles pages précédentes). Ce diagramme permet d identifier deux phases successives : de ans à ans, la steppe froide est remplacée par une forêt boréale où les arbres de climat froid prédominent (85 %). Cette phase correspond à une augmentation importante des précipitations associée à une hausse des températures. Depuis ans et surtout depuis ans, les associations végétales montrent une certaine stabilité avec en moyenne 50 % de pollens d arbres de climat tempéré, 20 % d arbres de climat froid, ce qui correspond au climat régnant actuellement dans cette localité : un climat semi-continental montagnard. Synthèse : Les pollens constituent des archives climatiques par leur aptitude à se conserver dans les sédiments continentaux. Leur étude permet de vérifier et de compléter les données glaciaires. Seule l évaluation du pourcentage des différentes espèces de pollens présentes dans plusieurs niveaux sédimentaires, couplée à des datations absolues (diagramme pollinique), permet de retrouver les variations climatiques locales. Manuel numérique Bordas enrichi Premium : Animation : extraction des grains de pollen d une tourbe. Site ressources Bordas : Article sur le site de ENS Lyon : «Pollens et climat» d Éric Denoux avec les précipitations annuelles et moyennes des températures du mois le plus froid en relation avec le spectre pollinique de trois milieux (tempéré et humide, méditerranéen et steppe) : techpaleoclim/pollens/pollens La banque européenne de données polliniques : un outil pour la recherche sur les changements globaux : Le logiciel paleobiome téléchargeable à l adresse suivante : Chapitre 2. L évolution récente de l atmosphère et du climat 305

67 Activités pratiques 4 L évolution globale du climat (p ) 1. Les intentions pédagogiques L objectif de cette double page est de faire une synthèse concernant l évolution globale du climat depuis ans à partir des indices glaciaires et polliniques d une part, des foraminifères d autre part. Une démarche possible est d utiliser le document 1 afin de vérifier les données obtenues précédemment (Activités pratiques 3, document 3) dans la localité d Amsoldinger à l échelle mondiale et de recouper ces déductions avec les données glaciaires (Activités pratiques 2, document 3). Peut alors se poser la question de modifications synchrones de températures au niveau des océans. Le document 1 représente une cartographie mondiale réalisée à partir des banques de données polliniques relatives à de nombreux sites. Dans les cartes présentées, il est possible de faire tracer aux élèves les limites de certains biomes représentatifs et de suivre au cours du temps leur extension géographique. Le document 2 apporte des informations sur les foraminifères et présente une activité pratique réalisable en classe qui consiste, à partir de boues océaniques prélevées lors de campagne de forage (campagne du Marion Dufresne), à solubiliser les sédiments et à réaliser un tri sur colonne de tamis (tamis 125 μm). Une simple identification des différentes familles de foraminifères ou, si l échantillon le permet, un comptage du nombre d individus peut être réalisé. Si l on dispose de deux niveaux différents, on peut alors discuter des différences de contenu, émettre des hypothèses sur l origine des variations constatées et surtout faire prendre conscience de la maigre fiabilité des estimations réalisées. Le document 3 identifie les exigences climatiques de trois espèces de foraminifères et montre un graphe relatif à un forage réalisé à l équateur : ce graphe peut être construit à partir d une banque de données téléchargeables en demandant aux élèves de justifier le choix des espèces figurant dans la banque de données. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : Les biomes à observer sont ceux pour lesquels les données sont nombreuses : les forêts (tempérées, tempérées chaudes ou boréales) de l hémisphère Nord (Europe et Amérique du Nord) donnent une bonne image de l évolution climatique. Ces forêts, sont inexistantes à ans où les données polliniques disponibles montrent l existence d une toundra sèche dans le sud de l Europe. Il y a ans, la forêt tempérée occupe presque toute l Europe y compris l Europe du Nord alors qu à une époque récente, la zonation climatique est bien marquée (en Europe comme en Amérique du Nord) par la forêt boréale au Nord, la forêt tempérée réduite aux latitudes d environ 45 degrés, et la forêt tempérée chaude occupant le sud de l Europe et le sud de la côte est-américaine. On peut ainsi reconstituer un scénario climatique : un climat très froid il y a ans (période glaciaire), un optimum climatique il y a ans (maximum interglaciaire) puis des modifications climatiques (un léger refroidisse- 306 Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

68 ment dans le nord de l Europe) entraînent une zonation plus marquée des trois biomes forestiers. Doc. 2 et 3 : L abondance actuelle de trois foraminifères (N. pachyderma, G. bulloïdes, G. ruber) dépend de la localisation des forages réalisés dans l Atlantique Nord et donc de la température des eaux océaniques. Ces espèces actuelles ont donc des exigences thermiques strictes (5 C pour N. pachyderma, 16 C pour G. bulloïdes et 25 C pour G. ruber). Le graphe de droite réalisé à partir d un sondage réalisé à 0 de latitude et 23 longitude ouest permet d identifier les modifications de la température océanique en estimant que les exigences climatiques actuelles sont transférables au passé. Entre ans et ans, les foraminifères les plus abondants sont N. pachyderma, signant une température relativement froide (aux environ de 14 C) ; entre ans et ans, le nombre d individus appartenant à l espèce G. ruber augmente brutalement, signant un réchauffement des eaux superficielles alors que N. pachyderma existe encore. La coexistence des deux espèces permet d envisager une température océanique aux alentours de 18 C. Après ans, G. ruber est presque exclusivement présent témoignant d une accélération du réchauffement océanique et d une température océanique supérieure à 20 C (là encore, prendre garde à l orientation de l échelle de temps). Synthèse : Les deux types d indices, continentaux (pollens) et océaniques (foraminifères), donnent des indications concordantes sur l évolution du climat depuis ans : la période glaciaire prend fin il y a ans et lui succède une période interglaciaire dont l optimum climatique se situe il y a ans. 3. Ressources complémentaires Site ressources Bordas : Article sur le site de l académie de Versailles avec des données sur le carottage (schéma et animation), des banques de données de forage sous forme de fichiers Excel et différentes informations sur les foraminifères : Chapitre 2. L évolution récente de l atmosphère et du climat 307

69 Activités pratiques 5 Les glaces polaires et l évolution récente du climat (p ) 1. Les intentions pédagogiques Dans l activité précédente, les élèves ont compris que différents indices permettent de repérer les grandes variations climatiques d une amplitude de quelques degrés à une dizaine de degrés. L ensemble de documents proposés ici permet de replacer les changements actuels dans l histoire climatique de l Holocène. La période étudiée correspond aux 40 dernières années. À cette échelle, les signaux polliniques, isotopiques et planctoniques ne sont pas utilisables, les techniques de suivi satellitaire sont utilisées pour identifier les changements de composition atmosphérique (Activités pratiques1, document 3). Il est cependant délicat d en déduire des variations des températures. Les mesures d épaisseur, de surface des glaces polaires sont des indices importants de changements climatiques. En effet, le volume des calottes polaires est sous la double dépendance des précipitations neigeuses et des températures. Afin de sensibiliser les élèves à la complexité des phénomènes mis en jeu, les deux régions polaires arctique et antarctique sont étudiées. Le document 1 illustre d une part l extension de la banquise arctique (étendue de mer gelée) mais aussi l évolution d un glacier continental en Alaska à travers deux photographies. Le document 2 permet d appréhender la variation de l extension des glaces (banquise et calotte polaire) mais aussi la variation de masse, obtenue grâce à de nouveaux capteurs satellitaires (Cryosat 2 développé par l ESA : agence spatiale européenne). Le document 3 montre la fragmentation de la banquise antarctique et la dérive de gigantesques icebergs. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1, 2 et 3 : La surveillance satellitaire de l Arctique (inlandsis et banquise) de 1979 à 2011 montre une surface en réduction d environ 1 % par an, en particulier au niveau de la glace de mer. Ces modifications sont aussi visibles dans le paysage au niveau des langues glaciaires dont la longueur est en nette diminution depuis un siècle. Les glaces antarctiques sont elles aussi sous surveillance satellitaire ce qui permet de suivre des phénomènes de mois en mois mais aussi des événements plus ponctuels comme les débâcles d icebergs géants tel l iceberg B15-A, détaché de la barrière de glace de Ross en l an 2000, le plus grand iceberg dont l existence ait jamais été enregistrée. Doc. 1, 2 et 3 : Alors que la superficie des glaces arctiques est mesurée en diminution de 8 % par an, celle des glaces antarctiques semble assez constante de 1978 à Depuis quelques années, des mesures laser effectuées par hélicoptère, confrontées à des données prises par satellite (projet Icesat de la Nasa), permettent d appréhender l épaisseur des glaces (donc leur volume et leur masse). Les données montrent une diminution de masse bien marquée depuis 2006 environ. 308 Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

70 Synthèse : L évolution récente du climat appréhendée à travers les mesures de superficie et d épaisseur des glaces polaires est marquée par un changement des températures estivales et hivernales entraînant, en particulier en Arctique, une diminution des glaciers et de la banquise. 3. Ressources complémentaires Site ressources Bordas : Site du NSIDC National Snow and Ice Data Center comportant une banque de données et d archives avec des mesures sur les glaces de mer mises à jour quotidiennement, après une journée de latence : Activités pratiques 6 Des indices fournis par les glaciers continentaux (p ) 1. Les intentions pédagogiques Dans l activité précédente, les élèves ont compris que les mesures satellitaires permettent d effectuer un suivi des glaces polaires dont l évolution témoigne des changements climatiques très récents. Cette double page permet d aborder un autre aspect de la glaciologie qui s intéresse aux glaces continentales. Elles sont géographiquement plus accessibles et sont présentes dans la mémoire des montagnards. Les glaciers alpins, entre autres, livrent une histoire climatique qui peut s étendre de ans (glaciation du Riss) à aujourd hui. Les indices établis grâce aux glaciers continentaux confirment, précisent et questionnent les changements climatiques mis en évidence par d autres méthodes. Le document 1 aborde la dynamique d un glacier continental depuis la zone d accumulation en amont à la zone d ablation en aval et évoque les produits déposés par les glaciers : les moraines. Il précise aussi les conditions d un équilibre glaciaire (ni recul, ni extension) en relation avec les conditions climatiques hivernales et estivales (température et précipitations). Le document 2 permet d illustrer la notion de bloc erratique, historiquement à l origine de la découverte, dans la première moitié du XIX e siècle, de grandes modifications climatiques et du possible transport par les glaciers d énormes blocs en dehors de leur province géologique d origine. Ce document permet de confirmer l existence de deux maximum glaciaires : ans (Riss) et (Würm). Les documents 3 et 4 illustrent des observations et mesures séculaires et décennales montrant un net recul des langues glaciaires associé à une perte de masse correspondant à une fonte glaciaire importante. Les trois documents permettent aux élèves de comprendre l intérêt des glaciers alpins pour l étude des variations climatiques à différentes échelles de temps. Chapitre 2. L évolution récente de l atmosphère et du climat 309

71 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : Pour comprendre comment les événements climatiques influent sur l évolution d un glacier, il suffit de lire les informations figurant dans l aplat jaune. Doc. 1 et 2 : La présence de blocs erratiques et de moraines dans la région lyonnaise confirme l existence de périodes glaciaires, en particulier la dernière glaciation identifiée localement par les relevés polliniques. Doc. 3 et 4 : Depuis plus d un siècle, on assiste à un recul des glaciers argumenté par les cartographies, les photographies, les témoignages et actuellement les mesures. Corrélativement à ce qui se passe au niveau des glaces polaires, les bilans de masse, décroissants depuis 1985, sont en chute très importante (pour les trois glaciers étudiés) depuis l année 2000, avec une perte équivalant à une épaisseur d eau de 16 mètre soit une perte équivalente à celle de la période Les changements climatiques (températures estivales et hivernales en hausse, chute des précipitations hivernales locales) sont à l origine des évolutions observées. Synthèse : L étude des glaciers continentaux vérifie les autres données (pollens, 18 O des carottes glaciaires, mesures par satellite du volume des glaces polaires) et donne une image locale des changements climatiques globaux ayant affecté le globe depuis ans. 3. Ressources complémentaires Site ressources Bordas : Banque de données européenne d images satellitales dont certaines images de glaciers continentaux ; de très belles images et animations dans le menu image gallery : Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

72 Exercices p. 114 à 117 La correction des exercices 1 à 5 figurent dans le manuel de l élève page Le mercure atmosphérique suivi grâce aux glaces polaires Cet exercice peut être proposé en relation avec le document 4 page 99. Il permet d illustrer le suivi d un autre exemple de polluant atmosphérique d origine anthropique : le mercure. Les documents 1 et 2 permettent d identifier les modifications de la concentration en mercure atmosphérique depuis Le document 1 illustre les mesures réalisées sur une carotte prélevée à Summit à partir des bulles d air emprisonnées dans la glace. Plus les mesures sont profondes, plus elles correspondent à des concentrations anciennes. Ainsi de 80 m à 78 m, la concentration passe de 2,3 à 3 ng.m -3 puis, de 78 m à 65 m, elle diminue jusqu à 1,8 ng.m -3 pour se stabiliser jusqu en surface à des valeurs correspondant à la valeur moyenne de mercure atmosphérique mesurée actuellement à l interface atmosphère/glace (1,6 ng.m -3 en ). Le document 2 montre un pic de concentration en 1970 à 3 ng.m -3 après une hausse nette de 1940 à 1970 et une baisse de 1970 à 1990, avec une stabilisation depuis. Ces caractéristiques sont à rapprocher de celles du document 1 montrant également un pic de concentration à 78 m. Les informations du document 3 permettent d apporter quelques éléments de réponse à l évolution constatée. L augmentation nette de 1940 à 1970 peut correspondre à l augmentation du nombre de centrales au charbon et à la mise en service de nombreuses usines d incinération des produits ménagers. La baisse postérieure à 1970 (et durant 20 ans) correspond au respect des réglementations concernant la commercialisation de produits courants contenant du mercure mais aussi à la mise en œuvre du tri sélectif pour les déchets contenant du mercure donc non incinérables. 7 Les changements climatiques récents enregistrés par la faune et la flore 1. Les anomalies de température données dans le premier graphique sont établies par rapport à l indice (ou index) NAO moyen dont le calcul est fondé sur des différences de pression atmosphérique entre les Açores et l Islande sur la période La NAO (North Atlantic Oscillation) correspond à une oscillation climatique touchant le nord de l Atlantique et l Europe de l Ouest. Un indice NAO très positif correspond à des hivers doux mais pluvieux sur l Europe du Nord mais plus secs autour de la Méditerranée. En revanche, un indice très négatif correspond à des hivers particulièrement froids sur l Europe du Nord et humides autour de la Méditerranée. On observe une succession d anomalies positives et négatives depuis 1950 (période NAO+ et période NAO-) avec, depuis 1985, de fortes anomalies positives de + 3 à + 4 C. Les principales périodes de fortes anomalies négatives se situent avant 1970 alors que la période montre trois oscillations peu marquées. 2. Les deux paramètres écologiques suivis peuvent être corrélés aux changements climatiques. Chapitre 2. L évolution récente de l atmosphère et du climat 311

73 Anomalies T C/index NAO Débourrement des bourgeons (jours) Arrivée des oiseaux migrateurs 1955 : 3 C + 12 jours de retard 1962 : + 3 C 14 jours d avance 1970 : 2,5 C + 12 jours de retard + 7 jours de retard 1982 : + 1,8 C 11 jours d avance 4 jours d avance 1990 : + 4 C 15 jours d avance 8 jours d avance 1997 : + 3,3 C 9 jours d avance 6 jours d avance Ainsi, la bonne corrélation permet de dire que les variations climatiques engendrées par la NAO ont une influence sur le fonctionnement des organismes. Cette déduction est importante car elle permet de justifier le suivi de certaines populations animales ou de certaines espèces végétales comme marqueur des changements climatiques actuels tel le réchauffement global. 8 De brusques événements climatiques 1. Plusieurs arguments sont à extraire et à mettre en relation pour associer les niveaux sédimentaires de Heinrich (présence de nombreux débris détritiques riches en quartz et appauvrissement relatif en foraminifères) à des modifications climatiques : chacun des événements H1 à H5 est encadré par des valeurs du δ 18 O négatives ( 42 à 44 ) signifiant un refroidissement maximum au moment où les sédiments contiennent le plus de grains de diamètre > 150 μm ; les événements de Heinrich correspondent à des modifications dans le contenu pollinique des sédiments prélevés au large du Portugal (sondage MD , N, W). Ces deux périodes sont marquées par une inversion du rapport pollens de végétaux steppiques et semi-désertiques / pollens de végétaux tempérés-chauds et humides, ce qui indique une alternance de périodes marquées par des précipitations avec des périodes de forte aridité. 2. D après le document 1, le refroidissement lors d un événement de Heinrich augmente fortement le volume des calottes glaciaires (en particulier la calotte Laurentide) et les déstabilise. Il en résulte une large décharge d icebergs chargés de fragments rocheux du socle Canadien dans l Atlantique Nord (flèches noires). Ceux-ci se dirigent vers le sud-est (flèche blanche) et fondent à la latitude du point 2 en relâchant des «ice rafted debris» (IRD). Les modifications des circulations atmosphériques et océaniques (sous l effet d un apport important d eaux douces) sont à l origine des changements polliniques constatés. 9 L utilisation des foraminifères pour identifier et corréler des événements climatiques L échantillon actuel subtropical prélevé à 18 de latitude Nord contient 84 % de foraminifères alors que le sédiment polaire prélevé à 66 de latitude Nord présente seulement 53 % de foraminifères et 47 % de débris rocheux (très peu nombreux dans le sédiment subtropical). De plus, dans ce sédiment les grands foraminifères de l espèce G. mennardii sont absents. Ainsi, selon la latitude, le pourcentage de foraminifères ainsi que leur nature varie. On peut supposer que ces changements dépendent (en partie au moins) de la température des eaux atlantiques. La proportion de foraminifères dans différents niveaux d une carotte sédimentaire prélevée à un endroit est un indicateur de l évolution de la température des eaux et atteste donc de modifications climatiques. 312 Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

74 Partie 2 chapitre 3 De l évolution récente du climat au climat de demain Activités pratiques 1 Les gaz à effet de serre et le climat (p ) 1. Les intentions pédagogiques À l issue du chapitre 2, les élèves ont identifié des changements climatiques à différentes échelles. Ils savent que les gaz atmosphériques à effet de serre sont une des composantes essentielles du déterminisme de la température moyenne de la planète. L exemple étudié est volontairement limité au CO 2 mais le lien peut être réalisé avec le document 3 p. 99 du chapitre 2. La double page de documents permet de faire le point sur les mesures actuelles de concentration, sur les phénomènes producteurs (source) et consommateurs (puits) de CO 2, ce qui permet de réaliser un bilan quantitatif de l évolution du CO 2 atmosphérique. Le document 1 a pour objectif de proposer un lien entre augmentation de la concentration en CO 2 atmosphérique et augmentation moyenne globale des températures. Il est intéressant de faire travailler les élèves sur la recherche d arguments ayant permis d établir ce lien et de leur faire prendre conscience de l esprit critique nécessaire quand à l acquisition des mesures mais aussi à la petite fenêtre temporelle étudiée. Ainsi, la démarche consiste à faire appel à un faisceau de présomptions permettant de raisonnablement lier les deux phénomènes. Le document 2 aborde l impact des activités humaines sur les flux de CO 2. Il permet de voir l évolution des flux positifs de carbone (apport de carbone atmosphérique) par rapport aux flux négatifs (carbone soustrait à l atmosphère) et donc d envisager un bilan quantitatif sur la dernière période de 2000 à Ce bilan fait apparaître un déséquilibre : les sources de CO 2 produisant davantage de CO 2 que les puits n en consomment, l atmosphère voit donc sa concentration en CO 2 augmenter, en particulier depuis les années 1950 du fait de l augmentation des activités économiques mondiales. Les documents 3 et 4 permettent de mettre en œuvre une démarche modélisante. Le document 3 illustre le fait que l on retrouve du carbone produit par les activités humaines dissous dans les eaux superficielles (essentiellement dans l Atlantique Nord) comme le montre le document précédent. On peut amener l élève à se questionner sur les limites ou les facteurs influençant la capacité d absorption de l océan. La manipulation proposée permet alors de mettre en évidence les échanges réversibles de CO 2 entre l atmosphère et l hydrosphère. L élève peut être amené à établir, à partir des mesures, des relations logiques entre augmentation de la température atmosphérique, augmentation de la température de l eau, diminution de la solubilité du CO 2. Chapitre 3. De l évolution récente du climat au climat de demain 313

75 Il est ensuite possible de lui faire construire une rétroaction positive de la teneur en CO 2 atmosphérique sur la température par le biais des échanges océaniques. À travers cette problématique complexe, l élève est amené à comprendre l importance des études menées sur le carbone océanique. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : À l aide des carottes de glace mais aussi des mesures atmosphériques directes au niveau des observatoires, on constate une augmentation graduelle de la teneur en CO 2 atmosphérique, augmentation qui s est amplifiée depuis 1955 (310 à 390 ppm soit + 26 %). En parallèle, on observe une augmentation de la température qui est, depuis 1955, parfaitement corrélée à la hausse de la concentration en CO 2 atmosphérique, même si des fluctuations pluriannuelles sont enregistrées (+/ 0,2 C). Il semble donc qu il y ait un lien direct de cause à effet entre ces deux phénomènes. L effet de la teneur élevée en CO 2 atmosphérique sur la température moyenne peut être argumenté par le fait que, parmi les 10 années les plus chaudes depuis 1850, neuf d entre elles appartiennent à la dernière décennie. Doc. 2 : Les sources de carbone anthropiques (combustibles fossiles et utilisation des terres) sont en nette augmentation depuis les années 1950 (les flux ont été multipliés par 5 en 50 ans). Les puits de carbone (photosynthèse et solubilisation du CO 2 dans les eaux océaniques) augmentent aussi sensiblement depuis la même période mais de façon plus réduite (les flux ont été multipliés par 3 en 50 ans). Le bilan carbone est en faveur des sources (+ 8,8 Gt +/ 1,2 par an comparé aux 4,7 Gt +/ 1,1 par an), le CO 2 ne cesse donc d augmenter dans l atmosphère à cause des activités humaines. Doc. 3 : Le CO 2 d origine humaine que l on peut distinguer du CO 2 naturel se retrouve dissous dans la partie superficielle des eaux océaniques en particulier dans l Atlantique Nord. Doc. 4 : En superposant les deux graphiques (concentration en CO 2 et température de l eau, on observe qu à chaque hausse de température correspond une baisse de la concentration en CO 2 présent dans l eau : le CO 2 passe de l eau du cristallisoir à l air. Le phénomène est réversible. En réalité, en envisageant les limites du modèle (en particulier la forte différence de température nécessaire pour visualiser le phénomène dans la modélisation), il existe bien des échanges de CO 2 entre l atmosphère et l hydrosphère : on parle de dégazage ou de pompage. Ainsi, en fonction de la température de l eau, elle-même dépendante de la latitude, des courants marins et du réchauffement de l atmosphère, l un ou l autre des phénomènes est favorisé. Synthèse : Les activités humaines participent à l augmentation de la concentration en CO 2 atmosphérique et donc à l augmentation moyenne de température. Heureusement, des mécanismes permettent de piéger environ la moitié du CO 2 émis. Toutefois, le bilan des flux de carbone n est pas actuellement équilibré et l atmosphère continue à s enrichir en CO Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

76 3. Ressources complémentaires Site ressources Bordas : Une très belle animation publiée par la NOAA montre l évolution du CO 2 atmosphérique depuis ans, avec notamment une information sur le nombre de stations de mesure (depuis 1959) et les différentes techniques utilisées (estimation du CO 2 avant 1959) : Les dossiers de la recherche, août 2009, «L océan atténue le réchauffement», article de Édouard Bard, professeur au collège de France : Chapitre 3. De l évolution récente du climat au climat de demain 315

77 Activités pratiques 2 Le climat : une intervention de nombreux facteurs (p ) 1. Les intentions pédagogiques Limiter le déterminisme du climat à l effet de serre est très réducteur et n illustre pas la complexité des mécanismes régissant le climat. L intention est de mettre en place trois notions clés chez les climatologues : celle de bilan radiatif, celle de forçage radiatif et celle de rétroaction positive. Pour illustrer ces notions, le choix a été fait d étudier essentiellement l albédo. L élève peut réinvestir les documents et notions vues dans la double page précédente à propos des gaz à effet de serre. Le document 1 invite les élèves à réinvestir la notion d inégale répartition de l énergie solaire incidente vue en Seconde et à comprendre que, même si géographiquement le bilan entre l énergie absorbée et l énergie restituée peut être très différente entre l équateur et les pôles par exemple, le bilan radiatif du globe peut être globalement proche de zéro. Le document 2 propose de mettre en évidence un des mécanismes à l origine de la réflexion d une partie du rayonnement solaire : l albédo du sol. Selon le type de couverture au sol (végétation dense, glaces, sable ), l énergie renvoyée est très variable. Les propriétés optiques, dont la couleur et la brillance, expliquent les valeurs obtenues avec un radiomètre. Par ailleurs, les simulations réalisées en imaginant la Terre uniformément recouverte d océans, de forêts, de déserts ou encore de glaces suggèrent l importance de l albédo. À l aide du document 3, les élèves observent la répartition géographique de la moyenne annuelle de l albédo de la Terre obtenue par des mesures satellitales. Une démarche d investigation peut être menée en liant les constats obtenus dans le document 1, le problème soulevé par la répartition géographique de la moyenne annuelle du bilan radiatif, les solutions possibles, leur mise à l épreuve expérimentale dont les résultats figurent dans le document 2 et la moyenne des mesures satellitales d albédo réellement obtenues visibles dans le document 3. Le document 4 illustre la complexité des phénomènes et permet de comprendre comment une évolution climatique est possible. Ce document montre l effet antagoniste de l activité volcanique générant à la fois des particules exerçant un forçage positif (les gaz à effet de serre qui piègent une partie du rayonnement réfléchi par la surface terrestre) mais aussi négatif (les aérosols qui réfléchissent une partie du rayonnement solaire reçu par l atmosphère). L objectif du document 5 est de montrer qu un léger déséquilibre du bilan radiatif moyen au niveau des régions polaires arctiques déclenche un mécanisme auto-entretenu qui peut amplifier le déséquilibre et être à l origine de changements climatiques importants : ainsi, la notion de rétroaction positive qui a pu être construite à l aide du document 4 p. 121 concernant les échanges de CO 2 atmosphère/hydrosphère peut être réinvestie. 316 Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

78 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 et 2 : Au sommet de l atmosphère, l énergie solaire reçue est inégalement répartie : elle est géographiquement déterminée en fonction de la latitude, d autant plus faible que la latitude est élevée. Si l on observe la différence entre l énergie reçue et l énergie renvoyée (bilan radiatif), on voit que le bilan est positif à l équateur (plus d énergie reçue que renvoyée) et négatif aux pôles (plus d énergie renvoyée que reçue). Cependant, la cartographie du bilan radiatif n est pas parfaitement superposable aux bandes parallèles à l équateur. On peut donc supposer que non seulement l énergie reçue varie mais aussi l énergie renvoyée. Différentes hypothèses sont donc envisageables : la nature de la surface (faible bilan radiatif au Sahara, forêts équatoriales en Amérique du Sud et Afrique), l existence de courants océaniques (océan Indien, Pacifique est) Les mesures réalisées avec un radiomètre (document 2) confirment que l albédo varie en fonction de la couleur de la surface donc, en réalité, de la nature du sol (désert avec du sable, glace, forêt, sol cultivé ) et sont cohérentes avec les observations réalisées dans le document 1. Doc. 2 et 3 : L albédo mesuré par satellite confirme aussi les données expérimentales, il est très élevé au niveau des zones englacées, faible au niveau des océans. Doc. 4 : Les gaz à effet de serre réalisent un forçage positif, les aérosols en augmentant l albédo des nuages réalisent un forçage négatif. On comprend donc pourquoi l éruption du Pinatubo, en injectant une masse considérable de particules et d aérosols dans la haute atmosphère, a été suivie d une baisse de la température moyenne du globe. Doc 5. : Le document montre que les mesures réalisées sur l extension des glaces polaires (voir chapitre 2) sont au niveau inférieur des prévisions selon le modèle IPCC. La disparition des glaces polaires, au fort albédo, s accélère depuis L océan Arctique à l albédo beaucoup plus faible augmente le réchauffement local qui lui-même amplifie la fonte. Synthèse : Si le bilan radiatif (différence entre l énergie solaire absorbée et l énergie rayonnée vers l espace) est nul, il n y a pas de modification de la température moyenne sur le globe. Actuellement, certains facteurs sont responsables d un forçage radiatif positif (gaz à effet de serre, diminution de l extension de la banquise), ce qui déséquilibre le bilan radiatif et entraîne un réchauffement. Ce déséquilibre peut s accentuer par «auto-emballement» ou rétroaction positive. 3. Ressources complémentaires Site ressources Bordas : Animation simple sur les réservoirs et les échanges qui aborde aussi les rétroactions positive et négative : educanim3.4.swf&lg=fr Un article très court qui passe en revue quelques paramètres agissant en rétroaction sur le climat : Interview de Marie-Noëlle Houssais (océanographe au CNRS) qui explique la rétroaction de l albédo en relation avec le réchauffement polaire accentué : Chapitre 3. De l évolution récente du climat au climat de demain 317

79 Activités pratiques 3 Le climat de demain : une modélisation délicate (p ) 1. Les intentions pédagogiques Dans les activités précédentes, les élèves ont compris que le climat obéissait à des interactions complexes entre différentes enveloppes et que le bilan carbone actuel était déséquilibré du fait des activités humaines. L objectif de cette double page est de faire comprendre qu il n existe pas une prévision climatique mais plusieurs en fonction des scénarios démographique, économique et sociologique des différents pays et qu il faut aborder les annonces médiatiques avec le recul nécessaire. On élargit donc le champ d investigation en abordant les problématiques globales en liaison avec les données géographiques et historiques vues en 1 re S en histoire-géographie. La construction d un modèle scientifiquement recevable repose aussi sur la connaissance des temps de séjour des émissions anthropiques. À ce titre, il semble important que les élèves comprennent que les rejets actuels auront un effet retardé et durable sur la composition atmosphérique (de 10 ans à plusieurs dizaines de milliers d années) et donc sur les générations futures. L ensemble de ces données permet de construire des modèles climatiques dont un, très simple, est présenté p Le document 1 invite les élèves à s informer sur les différents scénarios proposés par le GIEC (Groupe d Experts Intergouvernemental sur l Évolution du Climat) et leur impact climatique à l horizon 2100 mais aussi, pour chacune de ces perspectives, l évolution des émissions de gaz à effet de serre au cours du XXI e siècle. Le document 2 permet d informer les élèves sur deux paramètres très importants dans la construction de modèles climatiques : le temps de séjour des gaz à effet de serre et leur pouvoir réchauffant. Il est important de montrer aux élèves que seule l évolution des gaz réchauffant est ici proposée alors que les aérosols, par exemple, ne sont pas indiqués mais pris en compte dans les prévisions. À l aide du document 3, les élèves doivent pouvoir comprendre la démarche interdisciplinaire nécessaire à l élaboration de modèles climatiques. En effet, les possibilités de mise en œuvre de nouvelles technologies, les projections démographiques et socio-économiques, mais aussi les données sur le comportement des différents réservoirs capables de rétroactions (atmosphère, cryosphère, hydrosphère, sols) et sur les forçages radiatifs d origine naturelle ou anthropique sont absolument nécessaires pour construire des modèles recevables. Le document 4 est une modélisation simple où il est possible de rentrer les données concernant la date de la simulation, l activité solaire, les émissions de GES, l intensité des rétroactions négatives de l hydrosphère et des producteurs primaires, les valeurs de l albédo La simulation donne des courbes représentant l évolution globale des températures (en C), des concentrations en CO 2 (en ppm), le niveau de la mer (en m) et la latitude de calottes polaires (en degré de latitude). 318 Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

80 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 et 2 : Quelle que soit l évolution démographique, technologique ou socio-économique de la planète, il y aura une augmentation de la température moyenne en 2100 comprise entre + 1,8 C et + 4 C. Cette estimation peut sembler paradoxale quand on observe l évolution prévue des émissions de gaz à effet de serre : en effet, dans tous les scénarios il y a croissance des émissions jusqu en 2050, puis selon les scénarios B1, A1B et A1T, il y a décroissance alors que les scénarios B2, A2 continuent de voir les émissions augmenter jusqu en La solution est donnée dans le document 2 où l on observe le temps de séjour des principaux gaz à effet de serre. Ceux-ci rejoignent et restent dans l atmosphère au minimum 12 ans pour le CH 4 et de l ordre de la centaine d années pour le CO 2 et le N 2 O. Couplées aux données sur leur pouvoir réchauffant, les mesures de durée de séjour dans l atmosphère permettent de comprendre les estimations d augmentation de température mais aussi et surtout qu une politique de décroissance des émissions de GES ne peut être suivie immédiatement d un effet sur la concentration atmosphérique : il existe un délai minimum d environ 40 ans avant d en observer les conséquences. Doc. 3 : L enjeu majeur actuel est de pouvoir effectuer les projections climatiques les plus fiables possibles pour informer les différents citoyens et les gouvernements, leur permettant ainsi d adopter une attitude et des mesures adaptées à la situation envisagée. Tout l enjeu réside dans la fiabilité des modèles numériques climatiques construits. Pour cela, de nombreuses variables doivent être «rentrées» dans les modèles : les évolutions technologiques pouvant être mises en jeu pour réduire les émissions, l évolution démographique et socio-économique mondiale, les connaissances sur les mécanismes régissant le climat (activité solaire, rétroactions exercées par la végétation, les océans, la fonte des glaces ). Ce sont autant de contraintes pour établir des modèles pertinents. Doc. 4. Les courbes en rouge, vert et bleu marine montrent l évolution linéaire au cours du siècle à venir des températures, du niveau de la mer et de la concentration en CO 2 pour les scénarios B1, B2 et A2 si l on maintient les valeurs actuelles d incidence solaire, de l albédo, des rétroactions exercées par la végétation et les océans. Température (en C) en 2100 Niveau de la mer (en m) en 2100 Scénario B1 : réduction des émissions de 8 à 6 Gt/an Scénario B2 : augmentation des émissions de 8 à 14 Gt/an Scénario A2 : augmentation des émissions de 8 à 30 Gt/an + 1 C + 1,7 C + 2,7 C + 0,5 + 0,6 + 0,8 La connaissance des rétroactions exercées par la végétation et par les océans (puits de CO 2 ) est essentielle car, si l on reprend le scénario B2 en augmentant la seule productivité végétale de 10 % alors on réduit l augmentation de + 1,7 C à + 1,3 C et la montée des eaux de 0,1 m. Si l on ajoute une augmentation du flux de CO 2 vers l océan de 10 % alors on obtient pratiquement les estimations correspondant au scénario B1 de réduction des émissions. Chapitre 3. De l évolution récente du climat au climat de demain 319

81 Synthèse : La modélisation du climat de demain est délicate car l établissement des estimations dépend de nombreuses contraintes qu il faut évaluer de façon la plus pertinente possible : incertitude sur la démographie, l économie mondiale, les progrès technologiques et sur certains mécanismes régissant le climat. Les modèles climatiques globaux reposent donc sur des scénarios qui sont réévalués régulièrement en fonction de l économie globale. 3. Ressources complémentaires Site ressources Bordas : Accès au 4 e rapport du GIEC 2007 (la sortie du 5 e rapport est prévue en 2014) : Informations et téléchargement du logiciel SimClimat à partir du lien : Activités pratiques 4 Les incertitudes de l évolution du climat (p ) 1. Les intentions pédagogiques L obtention de modèles climatiques globaux donne un aperçu de l évolution climatique du globe à l horizon de 2100 (voir Activités pratiques 3). Cependant, les prévisions climatiques locales (températures et précipitations) sont encore plus difficiles à obtenir car elles dépendent des courants atmosphériques locaux, des effets de la végétation, des reliefs, des courants océaniques. Il est important de faire comprendre cela aux élèves afin qu ils puissent garder à l esprit le recul nécessaire face à des simulations que l on peut trouver dans les différents médias. À cette difficulté locale se greffent des incertitudes concernant les capacités d absorption des réservoirs tels les végétaux chlorophylliens ou les eaux océaniques mais aussi les modifications des courants atmosphériques et océaniques en particulier dans l hémisphère Nord. L objectif de cette double page est donc de montrer le caractère incertain des connaissances scientifiques actuelles et donc la double nécessité de continuer les recherches, de multiplier les mesures et d adopter une attitude empreinte de doute face aux certitudes annoncées. Le document 1 montre une synthèse réalisée sur le scénario A1B (scénario qui «colle» le plus aux prévisions actuelles) ; elle intègre toutes les données concernant la chimie et la physique de l atmosphère, des océans et des continents. La cartographie mondiale fait apparaître les anomalies de températures et de précipitations sur une période de 20 ans pour les températures ( , en comparaison avec 320 Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

82 celles enregistrées sur la décennie ) et sur 20 ans ( ) pour les précipitations. Les zones en pointillés montrent l accord entre les différents modèles climatiques existant actuellement. Seule la confrontation des résultats de plusieurs modèles et l analyse détaillée des causes conduisant à ces différences peuvent permettre d affiner les estimations à l échelle des grandes régions. Le document 2 permet de remobiliser les acquis sur la productivité primaire nette (PPN) et de montrer comment les facteurs climatiques peuvent intervenir. Il a aussi pour objectif de faire réfléchir les élèves à l importance des projets de recherches expérimentales sur les conditions et les limites de l activité photosynthétique. À l aide du document 3, La notion de courant océanique abordée en classe de Seconde peut être réinvestie à travers l exemple des courants du Labrador (froid) et du Gulf Stream (chaud). Le document envisage la possibilité d un ralentissement de l intensité de ces courants sous la double influence de la fonte des glaces et de la modification des courants atmosphériques. On peut alors réinvestir la notion de rétroaction (ici négative) et éventuellement envisager de parler de balance climatique. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : Les modèles climatiques montrent bien qu à la fin du XXI e siècle, la réponse du système climatique n est pas uniforme à l échelle du globe. En été, les modèles s accordent sur les grandes structures du réchauffement climatique. Les régions continentales de l hémisphère Nord et les régions arctiques se réchauffent plus que la moyenne du globe. Les deux modèles suggèrent un réchauffement supérieur à 5 C dans ces régions. Le réchauffement est moins marqué dans l hémisphère Sud, de l ordre de 1 à 1,5 C. Le modèle présente une zone dans l Atlantique Nord subissant peu l augmentation de température. Les précipitations estivales sont globalement augmentées dans les latitudes supérieures à 45 (+ 0,4 mm/j) et dans la zone équatoriale mais diminuent fortement dans les zones tropicales. En hiver, le réchauffement est moins marqué dans l hémisphère Nord mais beaucoup plus net dans la zone circumpolaire sud tandis que les précipitations diminuent nettement en Amérique centrale et dans le bassin méditerranéen par exemple. Doc. 2 et 3 : La carte du document 2 montre une inégale réaction de la végétation aux facteurs climatiques. Seules quelques zones, comme la Sibérie par exemple, montrent une baisse de la productivité primaire nette (PPN, c est-à-dire la différence entre le carbone fixé par photosynthèse et le carbone rejeté par les processus respiratoires). Dans la majeure partie des autres régions, la croissance de la PPN montre une augmentation allant jusqu à 2 % par an (Amazonie, Alaska par exemple). Le suivi par satellite permet d estimer à + 6 % l augmentation de productivité pour la période considérée ( ) ; la cause principale est l augmentation du CO 2 mais aussi les modifications des températures et précipitations. Ainsi, les producteurs primaires (végétaux continentaux ici mais aussi phytoplancton), en augmentant l emprisonnement de carbone, réduisent l augmentation atmosphérique du CO 2 et atténuent les modifications climatiques envisagées par les modèles. Leur capacité de réaction doit donc pouvoir être estimée à long terme, ce qui en fait un objectif majeur de recherche. La carte du document 3 montre, quant à elle, le retour d un courant superficiel Chapitre 3. De l évolution récente du climat au climat de demain 321

83 chaud : le Gulf Stream qui participe au réchauffement des côtes ouest de l Europe. Son ralentissement éventuel pourrait atténuer l augmentation de température prévue sur l Europe occidentale. Il est donc, là encore, important de réaliser des mesures permettant d identifier la vitesse de ce courant pour intégrer cette contrainte aux modèles climatiques. Synthèse : Il existe actuellement une vingtaine de modèles climatiques, se recoupant partiellement. Seule la confrontation des résultats de plusieurs modèles et l analyse détaillée des causes conduisant à ces différences peuvent permettre d affiner les estimations à l échelle des grandes régions. Ces causes proviennent des incertitudes concernant les capacités de réaction des producteurs primaires, des courants dans l Atlantique Nord mais aussi des limites d absorption du carbone par les océans, des modifications des courants atmosphériques Un consensus se dégage néanmoins sur l existence d un réchauffement assez net dans l hémisphère Nord en été, par contre, l amplitude du phénomène et sa répartition géographique précise est encore soumise à discussion. 3. Ressources complémentaires Site ressources Bordas : Article CNRS montrant deux modèles climatiques de l IPCC (CNRM et IPSL) avec animation correspondant aux scénarios A2 et B1 du GIEC : Explication sur la construction d un modèle numérique du climat (type de celui présenté dans l Activité pratique 4) : Encore plus d explications sur la définition d une maille et les paramètres rentrés dans le modèle : Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

84 Exercices p. 132 à 135 La correction des exercices 1 à 5 figure dans le manuel de l élève page Les océans, acteurs de l évolution climatique 1. La zone équatoriale (+14 de latitude Nord à + 14 de latitude Sud) correspond à la principale source de CO 2 atmosphérique : en effet, le flux de carbone est de + 0,69 X 10 9 t de carbone par an qui rejoint l atmosphère à partir de l océan. On peut supposer que l origine de ce phénomène est la forte température des océans qui diminue la pression partielle en CO 2 océanique (diminution de solubilité). Au-delà de 14 de latitude Nord et entre 14 et 62 de latitude Sud, les océans piègent au contraire du CO 2 à raison de 2,06 X 10 9 t de carbone par an. La faible température océanique en est responsable. On peut supposer que l importance des vents dans les régions polaires, en particulier au pôle Sud, diminuent le piégeage de CO 2 par les océans (valeurs très faiblement négatives voir positives au-delà de 50 de latitude Sud). Globalement, le document 1 montre que les océans soustraient davantage de carbone à l atmosphère qu ils n en apportent (somme algébrique de toutes les valeurs = 1,36 X 10 9 t par an) 2. Le document 2a montre une augmentation moyenne de la température océanique très nette de 1950 à 2000 de + 0,55 C par rapport à la moyenne ; le document 2b permet de préciser que l hémisphère Nord est beaucoup plus touché par cette augmentation, en particulier l Atlantique Nord où localement l augmentation est de + 2 C (océan Arctique, côte nord-est des États-Unis et du Canada) alors qu au-delà de 50 de latitude Sud, les températures océaniques sont globalement en baisse ( 0,5 à 1 C). Le document 3 montre globalement une augmentation de 10 à 15 % de la vitesse des vents depuis 50 ans dans la zone allant de 50 à 70 de latitude Sud. L impact d un réchauffement climatique peut alors être proposé avec l ensemble des informations, complété de la connaissance mise en place avec le document 4 p. 121 : «une température océanique qui augmente favorise le flux de CO 2 de l eau vers l air». Réchauffement des océans hémisphère Nord au-delà de 14 latitude Nord (doc. 2b) Modifications climatiques depuis 50 ans : réchauffement moyen global Diminution de la capacité d absorption du carbone par l océan (doc. 1) Augmentation de la vitesse des vents au-delà de 50 latitude Sud (doc. 3) Le réchauffement actuellement observé pourrait ainsi limiter le rôle régulateur des océans qui permettaient jusqu alors de soustraire environ 1/6 des émissions anthropiques de CO 2 à l atmosphère. Actuellement, l absence de réchauffement (voir Chapitre 3. De l évolution récente du climat au climat de demain 323

85 même leur refroidissement) des eaux polaires sud est un facteur qui permet aux océans de jouer un rôle de piège à CO 2. Qu en sera-t-il demain? Pour l envisager, il est nécessaire de faire un suivi très précis de la température, de la salinité des eaux océaniques mais aussi de la vitesse et de la trajectoire des courants océaniques et atmosphériques. 7 Les aérosols, une composante importante du climat Les aérosols sont d origine humaine (particules industrielles, particules issues de la déforestation) et naturelle (volcanisme en Islande, aux Philippines) ; ils sont présents dans l atmosphère et interviennent dans la dynamique climatique. Le document 1 souligne leur intervention possible comme cause du refroidissement marqué suite à un épisode volcanique de forte intensité. Un lien entre brouillard sec, hiver glacial et quantité d énergie arrivant au sol est soupçonné par Benjamin Franklin dès Le document 3 confirme ce rôle. En effet, les aérosols, soit directement, soit en provoquant la condensation de vapeur d eau autour d eux et donc en contribuant à la formation de nuages, réfléchissent une partie du rayonnement incident. Des mesures montrent, dans le document 2, qu il existe une relation entre l opacité d un nuage, la concentration en aérosols et la taille des gouttelettes d eau du nuage. Ainsi, plus il y a d aérosols, plus la taille des gouttelettes est petite et plus la densité optique du nuage est élevée (le nuage est moins transparent). Le document 4 montre la taille de gouttelettes d eau dans les nuages mesurée par satellite. Les nuages de l hémisphère Nord sont constitués de plus petites gouttes d eau que ceux de l hémisphère Sud. On peut mettre cela en relation avec la présence d aérosols provenant des activités humaines particulièrement importantes dans cette zone du globe. En réalisant une synthèse des quatre documents, il est possible de comprendre le forçage négatif que peuvent exercer les aérosols. En effet, plus la concentration en aérosols est élevée, plus les noyaux de condensation sont nombreux et plus nombreuses sont les gouttes et plus elles sont petites. La capacité des particules à réfléchir l énergie incidente ne dépend pas de leur volume mais de la surface qu elles exposent au rayonnement. Ainsi, pour une même quantité d eau condensée, les nuages composés de petites particules réfléchissent plus que ceux qui sont composés de grosses particules. Ainsi, plus les aérosols sont nombreux plus la réflectivité des nuages augmente. Une augmentation de la production d aérosols anthropiques pourrait donc avoir conduit à une augmentation de l albédo de la planète par l intermédiaire de celui des nuages, ce qui constitue un forçage négatif. 8 Comprendre une rétroaction positive On souhaite montrer que la fonte des glaces polaires peut entraîner une accélération des variations climatiques par rétroaction positive. Conception et réalisation du protocole : Les feuilles à choisir pour les mesures avec le radiomètre sont d une part une feuille très claire (blanche brillante si possible) et d autre part une feuille très foncée (marron foncé mat ou bleu marine). Ces deux feuilles modélisent d une part la surface englacée et d autre part un sol nu ou la surface océanique. 324 Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

86 L énergie absorbée par les deux sables se traduit par une augmentation de température. Il est donc nécessaire d obtenir la même énergie incidente pour les deux sables : ainsi, la lampe sera de même puissance, placée à même distance et avec la même inclinaison, sans source de lumière parasite. Les sondes thermométriques ExAO seront placées de la même façon dans les bacs (inclinaison et profondeur). Si possible, les températures initiales seront les mêmes pour faciliter la lecture graphique. Au bout de 45 minutes, le sable blanc a gagné 2 C alors que le noir a gagné 4,5 C. Avec le logiciel «SimClimat», il est possible de fixer l albédo moyen sur une simulation de 200 ans. On peut ainsi observer l évolution de la température pour l albédo actuel (32,99) et pour un albédo inférieur de 3 % à la valeur actuelle tout en maintenant identiques les autres contraintes du modèle. Dans ce cas de figure, la hausse de température est amplifiée de + 1,7 C. L ensemble des simulations permet de comprendre qu à une hausse de température correspond une fonte des glaces. Le sol nu ou l océan (dans le cas de la banquise), dont l albédo est plus faible, remplace la glace : l énergie emmagasinée au niveau de la surface est alors plus forte, le sol ou l océan se réchauffe accélérant la fonte glaciaire et accélérant ainsi les variations climatiques par rétroaction positive. Chapitre 3. De l évolution récente du climat au climat de demain 325

87 Partie 2 chapitre 4 Le Crétacé : une période particulièrement chaude Activités pratiques 1 Des indices sédimentologiques (p ) 1. Les intentions pédagogiques L objectif de cette double page est de présenter la période du Crétacé, exemple choisi par les auteurs afin de montrer que dans le passé des conditions climatiques très différentes des conditions actuelles ont existé sur la planète. Le programme officiel demande de n étudier qu un seul exemple. Or, la période du Crétacé est particulièrement propice à une étude climatique car on dispose d indices nombreux, de traces pétrographiques courantes sur le territoire national ; enfin, les explications en termes de géodynamique font appel à des phénomènes bien connus des élèves (volcanisme, fonctionnement des dorsales océaniques). Le document 1 est une présentation de la situation de la biosphère au Crétacé. Il permet de situer cette période comme une période globalement plus chaude qu aujourd hui avec un taux de CO 2 atmosphérique particulièrement important. Le document 2 correspond à une version simplifiée du travail de Christopher Scotese qui a compilé un nombre important de données pétrographiques pour réaliser ce planisphère qui montre les variations latitudinales de certains faciès sédimentaires du Crétacé. Les documents 3, 4 et 5 donnent les informations nécessaires à l élève pour appliquer le principe d actualisme, fondamental dans ce chapitre, et ainsi décrypter la carte du document Les pistes d exploitation Doc. 1 et 2 : Au Crétacé, la faune est très différente de la faune actuelle : les dinosaures dominent le monde et cela dans tous les milieux. La flore dominée par les plantes à fleurs est luxuriante. Le taux de CO 2 atmosphérique est quatre fois plus élevé qu aujourd hui et le taux de dioxygène nettement plus important. Enfin, il fait globalement plus chaud, de trois degrés environ. Les roches sédimentaires repérées sur le planisphère sont indicatrices d un climat chaud. On constate qu on les trouve non seulement aux basses latitudes mais également près des pôles, ce qui signe un climat au Crétacé globalement plus chaud que le climat actuel. 326 Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

88 Doc. 1 à 5 : Le Crétacé est une période globalement chaude puisque les faciès sédimentaires indicateurs de climats chauds se retrouvent à de hautes latitudes. On trouve du charbon au Groenland, en Sibérie alors qu au Crétacé la position géographique de ces régions était semblable à l actuelle. Il se forme aussi des évaporites non loin du cercle polaire. Toutes ces données sédimentologiques sont concordantes et montrent qu à cette époque la température est assez élevée partout sur le globe. Il est important d insister sur le fait que cette conclusion s appuie sur un ensemble des données et non sur une observation isolée dans un endroit précis. Synthèse : On peut reconstituer le climat du Crétacé grâce à l étude de certaines roches sédimentaires indicatrices du climat. En appliquant le principe de l actualisme, on peut montrer que des roches qui se forment aujourd hui dans des zones intertropicales se formaient au Crétacé à de hautes latitudes, parfois même près des pôles. Le climat était donc globalement plus chaud qu aujourd hui. 3. Ressources complémentaires Les climats des temps géologiques Un site incontournable pour traiter des questions climatiques à grandes échelles de temps : le site de Christopher Scotese qui propose pour chaque époque des planisphères climatiques : La recherche des temps perdus Une frise réalisée à partir d un travail d élèves, formidablement bien conçue et très utile pour resituer les événements aussi bien biologiques que géologiques à travers les temps géologiques : Activités pratiques 2 Des indices paléontologiques (p ) 1. Les intentions pédagogiques Cette activité pratique permet de compléter l étude sédimentologique par une étude paléontologique. Toujours en appliquant le principe de l actualisme, l élève est amené à constater l existence d un climat globalement chaud au Crétacé. Cette activité est l occasion d exercer les élèves à des capacités techniques (préparation, observation microscopique). Les documents 1 et 2 donnent des informations sur la faune et la flore du Crétacé. Des espèces emblématiques ont été choisies pour faciliter la compréhension. Chapitre 4. Le Crétacé : une période particulièrement chaude 327

89 Le document 3 présente une activité classiquement proposée pour l évaluation des capacités expérimentales. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 et 2 : Les données paléontologiques confirment les conclusions tirées de l analyse des roches sédimentaires puisque l on voit que des espèces aujourd hui inféodées à des climats chauds équatoriaux ou tropicaux, vivaient au Crétacé à de hautes latitudes. En appliquant le principe de l actualisme, on peut affirmer que le climat du Crétacé était globalement plus chaud qu aujourd hui. Doc. 3 : D après le graphique, l indice stomatique du Crétacé est d environ 6,5, ce qui donne une concentration de CO 2 atmosphérique supérieure à 800 ppm. La photographie du document 3 permet un calcul approximatif d un indice stomatique actuel d un peu plus de 8 (51/6). La concentration atmosphérique de CO 2 est donc en accord avec ce que l on connaît (environ 380 ppm). Attention : dans le premier tirage du manuel (spécimens), la flèche rouge sur le graphique a été placée par erreur à 7,5 alors qu elle doit être à 6,5 ; cette erreur sera corrigée dans le tirage destiné aux élèves. Doc. 1 à 3 : La concentration en CO 2 atmosphérique était bien plus élevée au Crétacé qu aujourd hui ; on peut donc imaginer que l effet de serre était alors bien plus fort. Cet effet de serre accru a dû s accompagner d une élévation générale de la température de la planète. Synthèse : Les données paléontologiques permettent dans un premier temps de confirmer les données sédimentologiques : on trouve aux hautes latitudes des fossiles et des roches indicatrices de climat chaud. Elles permettent en outre de mieux comprendre ce climat globalement chaud en permettant d estimer la concentration en CO 2 atmosphérique. Elle était alors bien plus élevée qu aujourd hui, ce qui provoquait un effet de serre plus important et réchauffait le climat. 3. Ressources complémentaires Les fossiles du Crétacé Pour avoir un aperçu de la biodiversité du Crétacé : La recherche des temps perdus Une frise réalisée à partir d un travail d élèves, déjà citée dans les Activités Pratiques précédentes : Dossier Sagasciences Un dossier du CNRS sur les grands événements du monde physique et l histoire de la vie : Une conférence scientifique sur le sujet Des documents intéressants dans cette conférence pour faire réfléchir les élèves sur le lien climat-biodiversité-environnement au cours des temps géologiques : Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

90 Activités pratiques 3 Une production abondante de roches carbonatées (p ) 1. Les intentions pédagogiques Après avoir mis en évidence les conditions climatiques régnant au Crétacé, après avoir compris que cette période est caractérisée par une forte teneur en CO 2 atmosphérique, il s agit de relier cette forte concentration à des causes géodynamiques. Cette double page en présentant le contexte transgressif du Crétacé donne une première cause : la précipitation intense des carbonates permise par la prédominance des plates-formes continentales. Le document 1 présente l expansion du domaine marin au Crétacé. Il permet de définir la notion de mer épicontinentale, de plate-forme continentale et de transgression. Le terme de Crétacé est défini par rapport à l imposante sédimentation carbonatée de l époque. Le document 2 montre que l existence de ces carbonates permet d estimer la température de l eau des mers de l époque. C est un autre argument que l on pourra confronter aux données acquises sur les continents. Le document 3 présente une manipulation classique qui permet de comprendre que la formation des carbonates s accompagne d une libération de CO Les pistes d exploitation Doc. 1 : La «mer de la craie» était particulièrement étendue au Crétacé puisqu elle recouvrait une bonne partie de l Europe occidentale, et qu elle «débordait» sur toutes les côtes mondiales. Doc. 2 : Au début du Crétacé, la température de l eau des mers a considérablement augmenté (+ 10 C), elle a par la suite régressé pour atteindre environ 20 C. Doc. 3 : 1. CO 2 + Ca(OH) 2 CaCO 3 + H 2 O 2. CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca HCO 3-3. Ca HCO 3 - CaCO 3 + CO 2 + H 2 O La précipitation des carbonates se traduit donc par une production de CO 2 et la dissolution des carbonates par une consommation de CO 2. Aux échelles de temps brèves (jusqu à quelques milliers d années), les réactions de précipitation-dissolution des carbonates s équilibrent ; le bilan est nul et cela n influe pas sur le taux de CO 2 atmosphérique. Aux grandes échelles de temps (baisse du CO 2 au Carbonifère ou depuis le début du Tertiaire, hausse au Crétacé...), les variations du taux atmosphérique de CO 2 sont dues aux variations relatives de l altération continentale (qui pompe du CO 2 ) et du volcanisme (qui en fournit). Chapitre 4. Le Crétacé : une période particulièrement chaude 329

91 Synthèse : Les conditions climatiques mais aussi les conditions géodynamiques (la transgression marine) ont favorisé la formation de la craie (ou plus généralement des dépôts carbonatés). La libération de CO 2 par le volcanisme intense a contribué à élever le taux de CO 2 dans l hydrosphère et dans l atmosphère. 3. Ressources complémentaires De précieuses informations concernant le lien existant entre la précipitation des carbonates et le climat : Des données complémentaires sur ce livre universitaire : Dérive des continents, paléoclimats et altérations tropicales, Yves Tardy et Claude Roquin, Ed. BRGM. Activités pratiques 4 Une intense activité magmatique (p ) 1. Les intentions pédagogiques Après avoir mis en évidence les conditions climatiques régnant au Crétacé, après avoir compris que cette période est caractérisée par une forte teneur en CO 2 atmosphérique, il s agit de relier cette forte concentration à des causes géodynamiques. Dans cette double page, il va s agir du volcanisme exceptionnel observé au Crétacé. Le document 1 apporte une explication à la transgression marine décrite dans l activité précédente. Les causes tectoniques sont précisées, le lien entre l activité des dorsales et le niveau marin expliqué. Le document 2 amène une explication supplémentaire. Le Crétacé est marqué par une intense activité tectonique (ouverture de l océan Atlantique) mais aussi par une activité particulièrement intense des points chauds. Toute cette activité volcanique a contribué sur une longue durée à renforcer la teneur atmosphérique en CO Les pistes d exploitation Doc. 1 : Le Crétacé inférieur est caractérisé par une tectonique globalement distensive. C est l époque à partir de laquelle l océan Atlantique commence son ouverture (d abord par le Nord puis par le Sud). De la même manière, l océan Indien commence à voir le jour. Le Crétacé est donc une période marquée par une intense activité des 330 Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

92 dorsales océaniques. L activité magmatique modifie considérablement le volume des dorsales sous l effet d une intumescence thermique. Elles «gonflent» à cause de la chaleur magmatique. Cette augmentation de volume diminue d autant le volume libre disponible pour l eau de mer dans le bassin océanique. Celle-ci «déborde» donc sur les continents en provoquant une transgression généralisée. Doc. 2 : Les volumes de laves émises par les LIP au Crétacé sont absolument considérables. La production de ces points chauds est sans comparaison avec un gros volcan actuel : Ontong-Java 44 millions de km 3 contre quelques dizaines ou centaines de km 3! Le plateau d Ontong Java correspond à lui seul à la production de l ensemble des dorsales océaniques pendant plus de 3 millions d années! Doc. 1 et 2 : Cette énorme production magmatique (dorsales + LIP) a provoqué un dégagement de CO 2 intense et prolongé sur toute la période du Crétacé ; il a donc contribué à augmenter la teneur atmosphérique en CO 2. D immenses quantités de CO 2 ont diffusé de l eau des océans vers l atmosphère. Cette production accrue de CO 2 a augmenté l effet de serre de la planète et réchauffé le climat. Synthèse : La présence accrue de CO 2 dans l atmosphère est liée au contexte géodynamique du Crétacé. L activité magmatique des dorsales et des points chauds est intense, la sédimentation carbonatée est exceptionnelle. Tous ces phénomènes produisent du CO 2 qui a diffusé de l eau des océans vers l atmosphère et réchauffé le climat. 3. Ressources complémentaires Une mise au point très claire sur la question des plateaux océaniques volcaniques : Sur le site Planet-Terre, une intéressante mise en perspective sur l activité interne du globe et l évolution de la biosphère : Chapitre 4. Le Crétacé : une période particulièrement chaude 331

93 Exercices p. 150 à 153 La correction des exercices 1 à 3 figure à la fin du manuel de l élève page Une modélisation de l évolution de la température et du taux de CO 2 Les bonnes réponses sont : 1c ; 2c. 5 Des changements climatiques à l époque de la Pangée La répartition latitudinale des faciès sédimentaires indicateurs de climats chauds permet de dire que le Trias correspond à une période de réchauffement consécutivement au Permien. En effet, si au Permien le climat semble relativement chaud sur la planète (le climat froid est localisé aux pôles, la zone équatoriale semble aride et le climat intertropical semble déborder largement des tropiques), le Trias marque un net réchauffement. Il n y a plus de zones froides, on trouve des charbons et même des évaporites près des pôles. Les continents étant tous à la même position à ces époques, comment expliquer ces variations climatiques? Le document 3 indique que le Permien et le Trias sont marqués par le fonctionnement de différents points chauds à l origine de trapps. On sait que la production magmatique de ce type de volcan est intense, cela explique donc une forte production de CO 2 à l origine d un effet de serre qui réchauffe la planète. Les trapps se concentrent principalement sur la fin du Permien et le début du Trias, c est sans doute ce qui explique le réchauffement observé au début de l ère Secondaire ( 250 Ma). 6 L évolution du climat depuis le Crétacé 1. Mise à part une période chaude de quelques dizaines de millions d années au début de l ère Cénozoïque (Paléocène, début Eocène), le climat de la planète s est globalement refroidi depuis le Crétacé. 2. On observe une diminution nette de la production de laves par les dorsales depuis le Crétacé. Cela s est traduit par une régression marine importante au cours de l ère Tertiaire mais aussi par une baisse de la production de CO 2 atmosphérique qui pourrait en partie expliquer le refroidissement observé. 3. La période actuelle est une période plutôt froide à l échelle des temps géologiques, elle est marquée par la présence de calottes glaciaires, ce qui n est le cas que depuis une dizaine de millions d années. 332 Partie 2. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir

94 7 Albédo et climat au Crétacé Le document 1 montre que la température du Crétacé est globalement plus élevée que la température actuelle. Cependant, dans le détail, on peut voir que c est surtout au niveau des hautes latitudes que la différence se fait. Cette différence de plus de 10 à 30 C aux pôles induit l absence de calottes glaciaires. Cette absence a un impact important sur l albédo de la planète puisque celui-ci est d autant plus grand qu il y a davantage de glaces sur la planète. En provoquant l absence de la formation de calottes glaciaires aux pôles, le climat du Crétacé a induit une baisse de l albédo global de la planète. En gardant mieux sa chaleur, la Terre a pu ainsi durablement conserver un climat chaud. 8 Une période au climat très différent : le Carbonifère Le document 1 indique que le Carbonifère supérieur est une période marquée par le développement d une grande calotte glaciaire au niveau de l hémisphère Sud. Le document 2 indique que cette période correspond à une diminution du taux de CO 2 atmosphérique. En diminuant l effet de serre, ceci a pu conduire à un refroidissement climatique. La période suivante, le Permien, correspond en revanche à une hausse de ce taux de CO 2, et donc à un réchauffement climatique. Le document 3 permet de comprendre ces évolutions atmosphériques. Ce sont les conditions géodynamiques qui expliquent en effet ces changements de concentration en CO 2. Le Carbonifère moyen est caractérisé par la formation puis l érosion d une vaste chaîne de montagnes, la chaîne hercynienne. Or, les scientifiques ont montré que l altération des roches consomme du CO 2. Ce phénomène très lent mais répété sur 50 Ma a conduit à prélever une quantité considérable de CO 2 dans l atmosphère, ce qui a refroidi le climat. Ceci est d autant plus important que le Carbonifère est aussi marqué par la formation de charbons dans le contexte du démantèlement de la chaîne hercynienne. Cette formation de combustibles fossiles par piégeage de matière organique a aussi contribué à diminuer le taux de CO 2 atmosphérique. Par la suite, un épisode volcanique majeur à la fin du Carbonifère a injecté du CO 2 dans l atmosphère, d où le réchauffement du climat. Chapitre 4. Le Crétacé : une période particulièrement chaude 333

95 _ indd /07/12 09:26

96 3 3DUWLH Titre Ligne 1 Glycémie Titre et diabète Ligne 2 &KDSLWUH &KDSLWUH &KDSLWUH La catalyse enzymatique La régulation de la glycémie Les diabètes _ indd /07/12 09:26

97 Partie 3 Glycémie et diabète Les objectifs généraux de cette partie Cette partie permet d aborder des thèmes importants en termes de choix d orientation des élèves. On traite en effet ici d une maladie assez courante, le diabète, dont on envisage tous les aspects : mécanismes physiologiques normaux, réactions enzymatiques impliquées, mécanismes des différentes pathologies et traitements existants. Les chapitres de cette partie s appuient beaucoup sur des acquis de la classe de Première S : fonctionnement d un système de régulation, démarche épidémiologique et interactions du génome et de l environnement dans le déclenchement d une maladie. Les principes de la digestion et de l action des enzymes remontent à la classe de Cinquième et nécessiteront donc sans doute d être réactivés à l aide des documents proposés dans les pages «acquis». De nombreuses approches sont possibles pour traiter cette partie qui offre de multiples occasions de pratiquer démarche d investigation et expérimentation. Il sera également possible de demander aux élèves de faire des synthèses de résultats de recherche documentaire, tout particulièrement sur la partie traitant des diabètes. Cette partie du programme permet de développer un certain nombre de compétences : Des connaissances : Elles sont limitées dans le cadre de l enseignement de spécialité, mais trois points essentiels devront être appréhendés par les élèves. Les notions fondamentales concernant les enzymes tout d abord ; puis le système de régulation de la glycémie et enfin les mécanismes des deux principaux types de diabète. Des capacités expérimentales : Les deux premiers chapitres offrent de multiples occasions de faire concevoir et réaliser des protocoles expérimentaux aux élèves. Il sera également possible de travailler sur des logiciels de modélisation moléculaire ou d analyse de séquences. Le chapitre 2 permet de construire progressivement le schéma fonctionnel de la régulation de la glycémie. Des recherches documentaires pourront être menées dans le cadre du chapitre 3, tout comme l organisation de débats ou de discussion sur des sujets de santé publique. Des attitudes : Au travers des capacités expérimentales, les élèves seront amenés à respecter les règles d hygiène et de sécurité exigées dans tout travail de laboratoire. Conformément au programme, le chapitre 1 aborde des notions fondamentales sur l activité enzymatique. Le chapitre 2 étant consacré à la régulation de la glycémie, on étudie le rôle des enzymes sur le seul exemple de la transformation des glucides à grosses molécules des aliments 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) mais l étude de la digestion n est pas en elle-même au programme. 336 Partie 3. Glycémie et diabète

98 Le chapitre 2 est consacré aux métabolismes respiratoire et fermentaire. Le rôle de la mitochondrie est précisé, tandis que les principales étapes de la respiration sont expliquées et situées. Deux exemples de fermentations sont présentés : fermentation alcoolique et fermentation lactique. Dans ce chapitre, on montre comment l ATP ainsi produit permet diverses activités cellulaires. Le chapitre 3 présente de façon plus détaillée le métabolisme de la fibre musculaire et l intervention de l ATP dans le mécanisme de la contraction. À la fin de cette partie, on pourra trouver : un bilan général ; une double-page «Des clés pour aller plus loin» ; un aperçu de la diversité des métiers de la biologie. Une correspondance entre le programme officiel et les chapitres du manuel Connaissances Thème 3 - Corps humain et santé Glycémie et diabète La glycémie est un paramètre du milieu intérieur. Son maintien par l organisme dans une gamme de valeurs étroite est un indicateur et une condition de bonne santé. 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). La régulation de la glycémie repose notamment sur les hormones pancréatiques : insuline et glucagon. 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. chapitre 1 Les chapitres du manuel La catalyse enzymatique (pages 164 à 181) Les activités pratiques Act. 1 Une transformation catalysée par des enzymes Act. 2 Les enzymes : une fonction liée à leur structure Act. 3 La double spécificité des enzymes Act. 4 Activité enzymatique et conditions du milieu chapitre 2 La régulation de la glycémie (pages 182 à 201) Les activités pratiques Act. 1 La glycémie, une constante physiologique importante Act. 2 Le stockage du glucose dans l organisme Act. 3 La libération du glucose dans le sang Act. 4 Le rôle du pancréas Act. 5 Une boucle de régulation de la glycémie chapitre 3 Les diabètes (pages 202 à 227) Les activités pratiques Act. 1 Le diabète, une régulation glycémique anormale Act. 2 L origine des diabètes Act. 3 Le déclenchement du diabète de type 1 Act. 4 Le déclenchement du diabète de type 2 Act. 5 Le traitement des diabètes Les objectifs généraux 337

99 Partie 3 chapitre 1 La catalyse enzymatique Activités pratiques 1 Une transformation catalysée par des enzymes (p ) 1. Les intentions pédagogiques Le programme officiel propose de mettre en évidence les propriétés des réactions enzymatiques à travers l exemple de la digestion des glucides complexes. Cette première activité du chapitre a pour objectif de présenter les glucides complexes, la réaction d hydrolyse de l amidon et d envisager les caractéristiques d une réaction enzymatique par rapport à une réaction chimique. Il ne s agit cependant en aucun cas d une étude de la digestion des aliments qui relève du programme du collège (classe de 5 e ). On s appuiera bien entendu sur ces acquis, que l on pourra mobiliser à l aide de la page 162, mais, comme l indique le programme : «La digestion n est pas en ellemême au programme. Elle est simplement l occasion d enseigner les notions fondamentales concernant les enzymes.» Le document 1 localise dans le tube digestif les différentes réactions aboutissant à l hydrolyse complète de l amidon. On pourra remarquer que les dernières réactions donnant du glucose sont catalysées par des enzymes fixées dans la bordure intestinale et donc difficilement extractibles en comparaison de l amylase présente dans des sucs. C est ce qui justifiera l étude pratique limitée à cette seule enzyme dans la suite du chapitre. Les modèles moléculaires d amylose, d amylopectine et de glucose sont disponibles en téléchargement sur le site ressources Bordas. Le document 2 souligne le rôle de l eau dans ces réactions chimiques d hydrolyse. Un lien pourra être fait avec les notions abordées par les élèves dans le programme de chimie, et l attaque nucléophile des liaisons. L illustration met volontairement en évidence l oxygène au cœur de la liaison osidique entre deux monomères de glucose. La page suivante présente les caractéristiques de la réaction catalysée par l amylase et permet aux élèves de se familiariser avec des procédés expérimentaux simples à mettre en œuvre, qui pourront être déclinés dans la suite du chapitre, selon les problématiques à résoudre. Le document 3 présente une comparaison expérimentale de l hydrolyse chimique et de l hydrolyse biologique. On pourra relier ces propriétés avec les conditions compatibles avec la vie (du point de vue de l environnement chimique et de la durée des réactions). Le document 4 met en parallèle l observation visuelle de l hydrolyse de l amidon par disparition de la coloration par l eau iodée, avec une mesure colorimétrique obtenue par ExAO. Ceci permet de bien comprendre le paramètre mesuré. On trouvera sur le 338 Partie 3. Glycémie et diabète

100 site ressources Bordas, le protocole plus détaillé permettant de réaliser efficacement cette étude expérimentale. Remarque : Les solutions d amylase peuvent être obtenues à partir du broyat d un comprimé de type Maxilase. La pellicule entourant ces comprimés doit être ôtée si l on souhaite mettre en évidence, en fin de réaction, la production de sucres réducteurs. L analyse des mesures au cours du temps fournit les informations nécessaires pour aborder la notion de vitesse de la catalyse enzymatique envisagée ici comme vitesse de diminution de la quantité de substrat. On pourra noter que, contrairement au cas d une réaction enzymatique «canonique», où une ou plusieurs molécules de substrat sont consommées, ici les molécules d amidon subsistent (mais sont «raccourcies»). En réalité, ce n est donc pas une mesure de la diminution du nombre de molécules qui est obtenue mais plutôt celle d une diminution de la masse de ces molécules. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 et 2 : L amidon est une macromolécule. Il doit être hydrolysé par différentes enzymes pour donner des molécules plus courtes et finalement du glucose absorbable par l intestin. Cette digestion est très progressive et prend du temps, d où l appellation de «sucre lent» souvent donnée à l amidon. Doc. 2 et 3 : En présence d eau, l hydrolyse ne peut pas se réaliser dans un temps suffisamment court, sauf dans des conditions de température et d acidité non compatibles avec celles des organismes. Les enzymes rendent ces réactions possibles dans les conditions de la vie : milieu aqueux neutre, température inférieure à 40 C. Doc. 4 : Si l on estime que la totalité de l amidon a été digérée au bout de 5 minutes (absorbance 0,2), la moitié a été digérée au bout de 45 secondes (absorbance 0,4). La vitesse de la réaction enzymatique correspond à la pente de la courbe. Elle devient de plus en plus faible au cours du temps. En début de réaction, elle est maximale (vitesse initiale). Synthèse : Au cours de la digestion, les enzymes accélèrent les réactions chimiques d hydrolyse des glucides complexes, ce qui aboutit finalement à la formation de glucose dans des conditions compatibles avec la vie. 3. Ressources complémentaires Site ressources Bordas : Modèles moléculaires d amylopectine, d amylose et de glucose. Suivi de l hydrolyse enzymatique de l amidon par colorimétrie (ExAO) : protocole détaillé. Les Sciences de la Vie et de la Terre au lycée (Jean-Jacques Auclair) : exemples de suivi de réactions enzymatiques par colorimétrie ou turbidimétrie : Chapitre 1. La catalyse enzymatique 339

101 Activités pratiques 2 Les enzymes : une fonction liée à leur structure (p ) 1. Les intentions pédagogiques Les activités de cette double page constituent une approche originale : elles ont pour objectif de matérialiser les enzymes en partant d une étude d un modèle moléculaire de complexe enzyme-substrat. L enzyme étudiée est l amylase pancréatique porcine pour laquelle un modèle a été déterminé en présence d un substrat et non d un inhibiteur. L utilisation d un modèle d amylase pour cette étude est en cohérence avec l objet du chapitre. Le document 1 suggère différents traitements afin de révéler les propriétés du modèle moléculaire, en particulier le sillon caractéristique de l amylase dans lequel vient s insérer l amidon. On pourra noter la présence de molécules d eau dans le modèle et une structure complexe maintenue par un réseau de liaisons non covalentes. Ces propriétés du modèle seront réinvesties dans les pages suivantes afin d expliquer les spécificités des réactions enzymatiques et l influence des conditions du milieu. On trouvera sur le manuel numérique enrichi Bordas (version Premium) une séquence vidéo qui, sans se substituer à cette étude, apporte un complément intéressant. Les documents suivants s intéressent plus particulièrement au site actif de l enzyme. Le document 2 complète une approche évolutionniste par une approche expérimentale (mutagenèse) afin de déterminer la localisation des acides aminés essentiels à l activité enzymatique. Pour finir, le document 3 montre la diversité des acides aminés du site actif, leurs rôles et leurs interactions. On pourra remarquer qu en raison de la dimension du substrat, le site actif est également de grande taille. Les publications scientifiques recensent jusqu à huit sites de fixation dans le site actif de l amylase! La mise en évidence de cette complexité dans l organisation du site actif permet de montrer en quoi la structure tridimensionnelle de l enzyme est essentielle à sa fonction. Certains auteurs estiment ainsi qu une enzyme est une «structure élaborée qui amène substrat et eau dans des positions optimales pour que la réaction chimique se produise». 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : L amylase est une protéine formée d une seule chaîne. L utilisation d un logiciel de visualisation moléculaire permet de réaliser différentes représentations pertinentes de cette molécule, comme le suggèrent les trois exemples présentés ici. Doc. 2 et 3 : Les acides aminés les plus conservés au cours de l évolution sont situés principalement dans le site actif de l enzyme, endroit où il se lie au substrat. On peut supposer qu une mutation de ces acides aminés serait défavorable à la survie de l organisme qui en est porteur et ne serait donc pas transmise aux générations suivantes (processus de sélection naturelle). 340 Partie 3. Glycémie et diabète

102 Synthèse : Une enzyme est une protéine dont la forme aménage un site actif capable de l associer avec son substrat. À ce niveau, des acides aminés particuliers réalisent la catalyse enzymatique. 3. Ressources complémentaires Site ressources Bordas : Publication d où est tiré le modèle étudié sur cette double-page : Manuel numérique enrichi Bordas (version Premium) : Séquence vidéo (modélisation moléculaire) : «Les enzymes : une fonction liée à leur structure. Exemple de l amylase». Activités pratiques 3 La double spécificité des enzymes (p ) 1. Les intentions pédagogiques Afin d aborder de façon concrète la spécificité de substrat, le document 1 propose une comparaison de la réaction d hydrolyse de l amidon par l amylase, déjà connue, avec l hydrolyse de l albumine par la pepsine. Il convient de bien saisir la problématique qui est posée. Les élèves pourront alors facilement proposer les grandes lignes d un protocole expérimental ou justifier celui qui est ici utilisé. Le précipité d albumine coagulée est obtenu par cuisson de blanc d œuf dans de l eau portée à ébullition sous agitation. On ajoute de l acide chlorhydrique 1M pour les milieux réactionnels contenant de la pepsine. Au suivi qualitatif tel que celui proposé dans le manuel peut être substitué un suivi quantitatif en utilisant une chaîne d acquisition ExAO et un capteur de type colorimètre ou turbidimètre. Dans le cas d une colorimétrie, une courte longueur d onde est à privilégier pour les solutions d albumine (à la différence des solutions d amidon absorbant davantage dans le rouge). Un protocole est proposé sur le site SVT de l académie de Lille (lien sur le site ressources Bordas). La spécificité de substrat ainsi mise en évidence peut être expliquée par le modèle «clé-serrure» présenté selon une approche historique dans le document 2, et confirmé par les approches de modélisation moléculaire telles que celle proposée dans le document 3. On trouvera sur le manuel numérique enrichi Bordas (version Premium) une séquence vidéo («La double spécificité des enzymes») qui complète cette étude en comparant les sites actifs de l amylase et de la pepsine et leur aptitude à fixer spécifiquement un substrat. Chapitre 1. La catalyse enzymatique 341

103 Un approfondissement de cette notion est proposé dans les pages «Des clés pour aller plus loin», page 224, avec la présentation du modèle dit «d ajustement induit». La spécificité d action est plus délicate à démontrer. Elle est envisagée à partir des réactions catalysées par différentes enzymes sur un même substrat. L exemple de substrat choisi dans le document 4 est celui du glucose-6-phosphate car celui-ci est situé au carrefour de voies étudiées dans les parties 1 et 3 du programme de spécialité. Un lien pourra être fait avec les notions de génétique vues au lycée (1 ère S) : on comprend en effet que l équipement enzymatique dont dispose une cellule, résultat de l expression de son génome, conditionne pour une large part son activité. Le document 5 compare la composition des sites actifs et montre des acides aminés différents qui expliquent les propriétés différentes de ces enzymes. Là encore, le manuel numérique enrichi Bordas (version Premium), propose, dans la séquence vidéo précédemment citée, une étude qui aide à la lecture du document Les pistes d exploitation Doc. 1 : Le protocole permet de tester l activité de la pepsine et de l amylase sur les deux substrats. La réaction catalysée est comparable (hydrolyse d une macromolécule). Les témoins en présence d eau montrent que la réaction observée est bien due à la présence des enzymes. L amylase hydrolyse seulement l amidon et non pas l ovalbumine. La pepsine hydrolyse seulement l ovalbumine et pas l amidon. Chacune de ces enzymes est spécifique d un substrat. Doc. 1 à 3 : L enzyme possède une complémentarité de forme avec son substrat. Ainsi, une enzyme ne pourra catalyser de réactions que sur un substrat dont la forme s ajuste à la forme de son site actif. Doc. 4 : Ces quatre enzymes agissent sur le même substrat mais elles ne catalysent pas les mêmes réactions chimiques. Doc. 4 et 5 : L utilisation d un logiciel de visualisation moléculaire fournit les listes d acides aminés suivantes : Site actif de la G6PI : Ile156, Gly157, Ser159, Ser209, Lys210, Thr211, Thr214, Gln353, Glu357, Gln511, Val514, Lys518, His388. Site actif de la G6PD : Lys171, His201, Tyr202, Lys205, Glu239, Asp258, His263, Lys360, Arg365, Gln395. Les sites actifs de ces deux enzymes n ont pas la même composition en acides aminés. En conséquence, elles ne catalysent pas les mêmes réactions chimiques. Synthèse : Une enzyme catalyse une réaction précise sur un substrat précis. Ceci est lié à la structure de l enzyme (qui détermine la spécificité de substrat) et à sa composition en acides aminés (qui détermine les propriétés de l enzyme, sa spécificité d action). 342 Partie 3. Glycémie et diabète

104 3. Ressources complémentaires Site ressources Bordas : Modèles moléculaires de la pepsine, de la G6PI et de la G6PD. Site SVT de l académie de Lille : Protocole de suivi ExAO de la digestion enzymatique de l ovalbumine par la pepsine : Manuel numérique enrichi Bordas (version Premium) : Séquence vidéo (modélisation moléculaire) : «La double spécificité des enzymes». Activités pratiques 4 Activité enzymatique et conditions du milieu (p ) 1. Les intentions pédagogiques De nombreuses conditions expérimentales affectant l activité enzymatique pourraient être envisagées. Le choix s est porté ici classiquement sur la température et le ph. En effet, outre la mise en relation avec la variation possible de ces conditions dans la nature, il est possible de mettre en relation la variation de ces paramètres avec un changement dans la formation du complexe enzyme-substrat. Les cinétiques enzymatiques présentées dans le document 1 montrent une diminution de la vitesse d hydrolyse enzymatique lorsque le ph s éloigne de la valeur 7 à 8. On comparera les vitesses maximales, ce qui nécessite, pour chacun des tests, de délimiter la portion de plus grande pente. Le dispositif expérimental utilisé est identique à celui des Activités pratiques 1. Le ph peut être modifié dans la solution de substrat. L utilisation d un acide ou d une base faibles (acide éthanoïque, bicarbonate de sodium) facilite l ajustement du ph. Le document 2 propose une interprétation de l influence du ph sur les charges portées par les acides aminés de la protéine, en distinguant les acides aminés impliqués dans la structure et ceux impliqués directement dans la catalyse enzymatique. Le modèle «clé-serrure» discuté dans l activité précédente pourra donc être réinvesti. On comprend en effet que la structure tridimensionnelle d une protéine enzymatique est un édifice fragile, résultant de multiples interactions. Des modifications des conditions du milieu sont ainsi susceptibles de modifier cette architecture. L étude de l influence de la température présentée par le document 3 se base sur une approche expérimentale. Il est possible de proposer aux élèves de concevoir eux-mêmes un protocole. Pour obtenir de bons résultats, il est indispensable que les différents produits soient portés à la température désirée avant même d être mélangés. Cette étude pourra être complétée par des tests permettant de déterminer la dénaturation irréversible ou non des enzymes portées à basse ou haute température (voir pistes d exploitation). Chapitre 1. La catalyse enzymatique 343

105 Le document 4 est une modélisation qui fournit des explications sur les deux principaux effets de la température sur les molécules en solution : la température exerce un effet sur l agitation moléculaire et donc sur la probabilité de rencontre de l enzyme et du substrat. À haute température, c est la dénaturation irréversible des protéines sous l effet de la chaleur qui est en cause. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : C est à ph 7 que la pente de la courbe décrivant la variation de la quantité de substrat est la plus élevée. C est donc le ph optimal. Doc. 1 et 2 : Un changement de ph peut modifier les charges des acides aminés catalytiques et empêcher la réaction. Il peut aussi modifier les charges d acides aminés impliqués dans la structure et conduire à un changement de forme de l enzyme ce qui rend plus difficile la formation d un complexe enzyme-substrat. Doc. 3 : C est à 37 C que la réaction est la plus rapide : la totalité de l amidon a disparu au bout de 9 à 12 minutes. À 20 C, on note un début de réaction à 12 minutes seulement (teinte plus claire avec le test à l eau iodée). À 0 C et à 65 C, on ne décèle aucune transformation. L action catalytique de l amylase est donc optimale à 37 C. Elle est néanmoins possible à 20 C mais elle est plus lente. Elle apparaît impossible à 0 C et à 65 C. Pour déterminer si l inactivation est réversible ou définitive, on peut replacer les solutions enzymatiques préalablement portées à 0 C et à 65 C à une température de 37 C pendant quelques minutes puis appliquer le même protocole. Si la réaction se produit, l inactivation est réversible. L altération par la chaleur est irréversible. En revanche, à 0 C, l action des enzymes est stoppée mais le processus est réversible. Doc. 3 et 4 : Lorsque la température diminue, l agitation des molécules diminue, plus de temps est nécessaire pour que des complexes enzyme-substrat se forment. Lorsque la température dépasse une certaine limite, les enzymes perdent leur forme et ne peuvent plus catalyser de réaction sur le substrat. Synthèse : Le ph modifie la structure des enzymes ou les propriétés de certains acides aminés, ce qui peut conduire à une diminution de la vitesse enzymatique. La température augmente les probabilités de rencontre entre enzyme et substrat et donc la vitesse enzymatique. Au-delà d une valeur optimale, la structure de l enzyme peut être définitivement altérée. 344 Partie 3. Glycémie et diabète

106 Exercices p. 178 à 181 La correction de l exercice 1 figure dans le manuel de l élève page L intolérance au lactose La bonne réponse est la réponse d. 3 L influence de la température La bonne réponse est la réponse d. 4 Comprendre le mode d action d un médicament Connaissances attendues : la réaction enzymatique repose sur la formation d un complexe enzyme-substrat basé sur la complémentarité entre les formes de l enzyme et de son substrat. Démarche de résolution : Liaison entre la ressemblance de l acarbose et de l amidon et la capacité de ceuxci de se fixer sur l amylase. Relation entre l activité enzymatique et la vitesse à laquelle se forment les complexes enzyme-substrat. L activité enzymatique est nécessaire à la production de glucose absorbable dans le sang à partir d amidon. Mise en évidence du fait que plus la concentration en acarbose augmente, plus il y a de complexes entre enzymes et acarbose, donc moins il y a de complexe enzyme-substrat. Le document 1 montre que l amidon et l acarbose ont une structure semblable malgré une composition un peu différente (atome d azote, quelques groupements différents). Le document 2 montre que plus la concentration en acarbose est importante, plus la vitesse enzymatique est faible. Il apparaît donc que l acarbose est un inhibiteur de l action enzymatique exercée par l amylase sur l amidon et que cet effet dépend de la concentration en inhibiteur. La comparaison des modèles moléculaires révèle que l acarbose et l amidon se fixent au même endroit dans la structure de l amylase. Ceci montre que l acarbose entre en compétition avec l amidon pour occuper le site actif de l enzyme. Ainsi, plus la concentration en acarbose est importante, plus le nombre de molécules d amylase occupées par de l acarbose sera important. L action de l amylase sur l amidon sera donc diminuée d autant. 5 Expliquer les bases biologiques d une biotechnologie 1. La vitesse enzymatique augmente avec l agitation moléculaire et donc la température. Les enzymes thermophiles permettent de catalyser des réactions à haute température, donc à des vitesses plus importantes que les enzymes ordinaires, sans subir de dénaturation. Par ailleurs, dans le protocole de production de glucose, il sera inutile de refroidir le produit après la première étape de gélatinisation des grains d amidon. 2. L enzyme présentée possède de très nombreuses liaisons ioniques dans sa structure, Chapitre 1. La catalyse enzymatique 345

107 davantage que l enzyme humaine. Cela permet probablement de stabiliser la structure de l enzyme, même à des températures élevées. 6 La digestion de la cellulose par les ruminants La panse des ruminants est à une température de 40 C, ce qui maintient une vitesse enzymatique élevée. Elle contient des quantités très importantes de bactéries qui produisent de la cellulase, enzyme indispensable à la digestion de la cellulose. Le ph est maintenu dans des limites autour de l optimum. La quantité de liquide contenue dans la panse facilite le mélange et la solubilisation de la cellulose et des bactéries productrices de cellulase. 7 Identifier une réaction enzymatique On pourra par exemple montrer l influence du ph ou de la température, notamment l altération irréversible d une haute température. La réalisation d une expérience témoin est nécessaire. 8 Rechercher la présence d une enzyme Cette étude ne présente pas de difficulté particulière. Elle pourra être rapprochée des expériences 4 page 167 et 1 page Partie 3. Glycémie et diabète

108 Partie 3 chapitre 2 La régulation de la glycémie Activités pratiques 1 La glycémie, une constante physiologique importante (p ) 1. Les intentions pédagogiques L objectif est ici de comprendre que la valeur normale de la glycémie est stable malgré l intervention d organes prélevant ou libérant du glucose dans le sang. Les documents 1 et 2 permettent de comparer de multiples mesures de glycémies. Le document 1 compare des mesures faites au même moment chez plusieurs individus ; on peut ainsi avoir une valeur statistique de la glycémie normale en englobant la majorité des sujets de l étude (plus de 95 % entre 0,7 et 1,2 g.l -1 ). Le document 2 compare des mesures faites sur un même individu tout au long de la journée. On peut alors s assurer que le moment choisi pour la mesure n a pas d incidence. Au final, la glycémie est donc une valeur relativement stable, avec des oscillations modérées autour d une «valeur de consigne». Le document 3 traite des organes consommateurs de glucose. Ceux-ci sont normalement connus depuis la classe de Seconde (particulièrement les muscles). On peut, selon les choix de l enseignant, associer ce document avec des éléments vus dans la partie 1 du programme de spécialité : le glucose est utilisé pour la respiration ou la fermentation cellulaire. Le document 4 aborde un point plus complexe avec les actions de l intestin et du foie. Il montre le double rôle du foie : libérer ou prélever du glucose dans le sang selon les besoins. On peut alors ébaucher un schéma de régulation de la glycémie en notant les actions des différents organes effecteurs. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 et 2 : Le document 1 montre que plus de 95 % des individus de l étude présentent une glycémie à jeun comprise entre 0,7 et 1,2 g.l -1. Cette fourchette peut donc être considérée comme représentant les écarts normaux de la glycémie. On voit sur le document 2 que la glycémie varie tout au long de la journée (baisse au moment d une activité physique et hausse après un repas) sans sortir de l encadrement précédemment établi. La glycémie fluctue donc modérément autour d une valeur proche de 1 g.l -1 ; cette valeur définit la constante physiologique qu est la glycémie. Chapitre 2. La régulation de la glycémie 347

109 Doc. 3 et 4 : La glycémie est systématiquement plus faible à la sortie de certains organes (poumons, cerveau ou muscles) ; ces organes sont donc des consommateurs de glucose. Le glucose est utilisé par les cellules pour la régénération de l ATP par respiration ou fermentation. On le voit bien pour les muscles : en cas d effort, les besoins en ATP sont plus importants et le prélèvement de glucose augmente. La glycémie augmente à la sortie des intestins après un repas, c est en effet l absorption intestinale des nutriments qui permet le passage du glucose dans le sang. Doc. 4 : Le foie a un statut particulier car la glycémie peut augmenter ou diminuer selon les cas à sa sortie. Il joue un rôle tampon pour libérer du glucose dans le sang quand la glycémie est trop faible ou, au contraire, en prélever quand elle augmente. Il permet donc le maintien d une glycémie constante malgré des apports intestinaux discontinus et des prélèvements musculaires variables. On peut noter que sa position anatomique est «stratégique» pour contrôler l entrée de glucose dans l organisme : le sang qui a irrigué la région intestinale passe ensuite dans le foie. Synthèse : La glycémie présente des variations, mais elles sont très modérées et encadrent une valeur moyenne constante. Plusieurs organes interviennent pour maintenir la glycémie ; suivant le cas, ils libèrent ou prélèvent du glucose dans le sang. En particulier, le foie est capable d ajuster son action pour maintenir en permanence une valeur de la glycémie constante, ce qui permet un approvisionnement régulier de tous les organes sans excès. Activités pratiques 2 Le stockage du glucose dans l organisme (p ) 1. Les intentions pédagogiques La mise en évidence expérimentale du stockage de glucose dans différents organes est facile à réaliser en utilisant le protocole de mise en évidence du glycogène. La mise en évidence expérimentale des triglycérides est plus complexe, et peut donc être remplacée par une étude de documents. Au terme de cette étude, on pourra compléter le schéma de la régulation de la glycémie en y intégrant organes et formes de stockage du glucose. Le document 1 met en évidence de façon claire la notion de stockage du glucose sous forme de glycogène ou d acides gras. Il permet de présenter ces deux molécules aux élèves et de faciliter la conception éventuelle de protocoles expérimentaux. Le document 2 décrit le protocole de mise en évidence du glycogène dans un organe. On pourra ainsi laisser les élèves réfléchir aux organes qu ils souhaitent tester comme candidats éventuels au stockage du glucose, puis leur donner ce protocole pour la réalisation technique. 348 Partie 3. Glycémie et diabète

110 Le document 3 donne l occasion de ne pas se contenter d une analyse qualitative, mais de faire un dosage du glycogène dans les organes testés. La manipulation est assez complexe, tout comme le calcul final (un fichier d aide est disponible sur le manuel numérique enrichi ou sur le site ressources), mais il est toujours intéressant de laisser les élèves obtenir des résultats, puis de les comparer (entre eux et avec les résultats attendus) pour s interroger sur les raisons d éventuels écarts. On respecte ainsi les attendus du programme de Spécialité sur l autonomie et l investigation concrète de la part de l élève. Le document 4 indique d une part le délai nécessaire à la transformation d une réserve en glucose utilisable par les cellules (notion de réserve rapidement mobilisable ou non), d autre part la durée d utilisation couverte par tel ou tel type de réserve. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : La radioactivité est au début présente dans les seules molécules de glucose ingérées, mais elle décroit régulièrement. En parallèle, on voit augmenter, puis se stabiliser la proportion de molécules de glycogène et d acides gras radioactives. Les isotopes 14 C sont donc passés du glucose vers ces molécules qui représentent une forme de réserve du glucose. Doc. 2 : Le précipité blanc caractéristique du glycogène se voit pour les préparations de foie et de muscle. Ces deux organes sont donc capables de stocker le glucose sous forme de glycogène. Doc. 3 : À masse égale, le foie est plus riche en glycogène que le muscle (environ deux fois plus), mais comme l ensemble des muscles de l organisme représente une masse plus de 10 fois supérieure, c est dans les muscles que la réserve de glycogène est la plus importante. Doc. 4 : Les réserves en glycogène des muscles sont très rapidement utilisables par les cellules (5 s), mais elles sont assez faibles et s épuisent en quelques heures. Celles du foie sont très comparables en termes de délai d utilisation et de durée. En revanche, les triglycérides des tissus adipeux représentent une réserve beaucoup plus importante, mais elles nécessitent plus de temps pour être utilisables par l organisme. L organisme pourra donc puiser dans l une ou l autre de ces réserves en fonction de l urgence du besoin et de la quantité de glucose demandée : un besoin urgent sera assuré par le glycogène des muscles ou du foie, un besoin important mais non immédiat sera satisfait à partir des triglycérides des tissus adipeux. Synthèse : Le glucose circule dans le sang et peut être prélevé par les cellules pour être directement consommé. Certaines cellules peuvent également transformer ce glucose en glycogène (cellules du foie ou des muscles) ou en triglycérides (adipocytes). Ces molécules représentent une forme de stockage du glucose qui pourra être mobilisée plus tard en cas de besoin. 3. Ressources complémentaires Manuel numérique enrichi Bordas (version Premium) : Fichier d aide au calcul des quantités de glycogène présentes. Chapitre 2. La régulation de la glycémie 349

111 Activités pratiques 3 La libération du glucose dans le sang (p ) 1. Les intentions pédagogiques Le stockage de glucose étant connu, il reste à présent à comprendre comment ces réserves peuvent être utilisées par l organisme. Le point essentiel ici est le statut de ces réserves : privées (utilisables par la seule cellule possédant les réserves) ou publiques (pouvant donner lieu à une libération de glucose dans le sang). Les libérations de glucose pourront être ajoutées au schéma de régulation de la glycémie. Le document 1 reprend l expérience historique dite «du foie lavé». Il y a trois possibilités pour lire les résultats de cette manipulation, c est-à-dire rechercher la présence de glucose dans l eau des béchers : des bandelettes réactives colorées, des lecteurs de glycémie ou le glucose RTU, un colorant spécifique du glucose. C est ce dernier qui a été choisi ici, pour enrichir la démarche expérimentale d une analyse quantitative par spectrophotométrie si le professeur le souhaite. L objectif de cette manipulation est de montrer que seul le foie est capable de libérer du glucose dans l eau. Le document 2 présente les structures atomiques des triglycérides, du glycérol et du glucose. La mobilisation des réserves lipidiques est complexe, et il est utile d expliquer clairement les étapes de la transformation des triglycérides en glucose. Le document 3 permet de localiser les deux étapes vues sur le document précédent : dans les adipocytes et dans le foie. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : On trouve du glucose dans l eau de rinçage du muscle et du foie. Les deux contiennent donc du glucose, mais celui-ci peut provenir des vaisseaux sanguins irrigant l organe. On voit que, après lavage, le glucose a disparu dans les deux organes, et qu il ne réapparaît, 5 minutes plus tard, que pour le foie. Le foie est donc le seul capable de libérer du glucose dans le sang. Les cellules musculaires gardent leur glycogène pour leur consommation personnelle. Doc. 2 et 3 : Les triglycérides peuvent redonner du glucose par une transformation en deux étapes : il y a tout d abord production de glycérol, puis cette molécule est transformée en glucose (néoglucogenèse). On voit sur le premier graphique du document 3 que des adipocytes sont capables de produire du glycérol, la première étape a donc lieu dans ces cellules. La deuxième expérience du document 3 utilise du glycérol radioactif que l on perfuse dans des foies de rat. On constate que la radioactivité passe des molécules de glycérol à celles de glucose. Les hépatocytes sont donc capables de transformer le glycérol en glucose et de le libérer dans le sang. 350 Partie 3. Glycémie et diabète

112 Synthèse : Les cellules musculaires peuvent transformer leur glycogène en glucose, mais elles ne peuvent pas le libérer dans le sang et il ne sert qu à leur consommation propre. Les adipocytes peuvent métaboliser les triglycérides en glycérol qui est libéré dans le sang. Enfin, les cellules du foie peuvent produire du glucose et le libérer dans le sang. Cette production de glucose se fait à partir de leurs réserves de glycogène (glycogénolyse) ou du glycérol prélevé dans le sang (néoglucogenèse). 3. Ressources complémentaires Un ouvrage de Claude Bernard, le physiologiste français ayant découvert la fonction du foie et le rôle du glycogène dans la régulation de la glycémie. Cet ouvrage Leçons sur le diabète et la glycogenèse animale (Claude Bernard, éd. Baillière, 1877) est accessible en ligne : Un ouvrage de Miko Grmek, historien spécialiste de Claude Bernard. Le livre reprend la vie de Claude Bernard en explicitant sa démarche, ses conclusions et l héritage laissé : Mirko Grmek, Le legs de Claude Bernard, éd. Fayard, Activités pratiques 4 Le rôle du pancréas (p ) 1. Les intentions pédagogiques À présent, les organes agissant directement sur la glycémie sont connus et leurs rôles sont identifiés. Il s agit maintenant de découvrir qu un organe, le pancréas, joue un rôle essentiel dans la régulation de la constante glycémique en assurant une commande de l activité des organes déjà présentés. On pourra compléter alors le schéma du système de régulation. Le document 1 présente les premières expériences ayant permis d identifier le rôle du pancréas dans la régulation de la glycémie. On peut ainsi dégager le mécanisme d action de cet organe : il agit par voie hormonale sur les autres organes impliqués. Le document 2 permet de comprendre l organisation histologique du pancréas avec les deux grands types cellulaires, endocrine et exocrine. Ce document pourra être utilisé en complément d observations microscopiques du pancréas pour que les élèves soient capables d identifier les acinus et les îlots de Langerhans. Le document 3 présente les hormones pancréatiques, leur lieu de production, leur structure et leur action. Chapitre 2. La régulation de la glycémie 351

113 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : Une hormone est une molécule véhiculée par le sang et qui modifie l action de ses cellules cibles. Pour mettre en évidence le rôle du pancréas, Banting et Best préparent et injectent des extraits pancréatiques à des chiens sans pancréas. Ces extraits corrigent les effets de l ablation, c est-à-dire abaissent la glycémie qui était devenue excessive. Cet effet est exercé par voie sanguine ; il correspond donc à une action hormonale du pancréas. La molécule responsable est détruite par la chaleur. Même si on sera amené à nuancer ensuite, on peut proposer à ce stade l idée d une hormone pancréatique hypoglycémiante. Doc. 2 : On observe deux types cellulaires dans le pancréas. Les cellules acineuses libèrent leur production dans des tubes collecteurs reliés à l intestin, elles correspondent donc à des cellules exocrines. Les cellules insulaires n ont pas de canaux collecteurs, mais sont en contact étroit avec des vaisseaux sanguins ; cela fait d elles de bons candidats pour être des cellules endocrines productrices d hormones. Doc. 3 : Les cellules au centre des îlots de Langerhans produisent de l insuline. Cette hormone est responsable d une baisse de la glycémie (baisse de 0,5 g.l -1 en 30 minutes). Les cellules à la périphérie des îlots produisent du glucagon. Cette hormone fait augmenter régulièrement la glycémie quand elle est produite (hausse de 1 g.l -1 en 1 heure). Les îlots de Langerhans produisent donc en fait deux hormones aux effets inverses sur la glycémie. Synthèse : Le pancréas est capable de modifier la valeur de la glycémie par l intermédiaire d hormones. Si la glycémie est trop basse, il peut la faire augmenter en produisant du glucagon ; si au contraire, la glycémie augmente, il produit de l insuline pour la faire diminuer. Ces deux hormones sont produites par des cellules groupées en amas : les îlots de Langerhans. À noter qu en cas d ablation du pancréas, c est l absence d insuline qui se manifeste par une hyperglycémie. 3. Ressources complémentaires Le site Internet de l Université du Delaware (USA) propose des images de coupes histologiques de différents tissus dont le pancréas : Ouvrage décrivant les étapes ayant mené à la découverte du rôle de l insuline dans la régulation de la glycémie par l équipe de Banting et Best : Michael Bliss, La découverte de l insuline, Saint Laurent, Trécarré, Partie 3. Glycémie et diabète

114 Activités pratiques 5 Une boucle de régulation de la glycémie (p ) 1. Les intentions pédagogiques Le schéma de régulation est pratiquement achevé ; il ne reste plus qu à placer la boucle de rétroaction permettant au système de commande de mesurer la glycémie en permanence et d ajuster ses actions sur les différents organes. Les documents 1 et 2 permettent de retrouver l action précise des hormones pancréatiques sur les différentes cellules effectrices (hépatocytes, adipocytes et cellules musculaires). Si le professeur le souhaite, il pourra proposer une démarche d investigation sur ce point et faire réaliser aux élèves le protocole décrit dans l exercice type ECE de la page 201. L action de l insuline et du glucagon sur les hépatocytes est en effet reproductible expérimentalement en lycée. Par contre, les effets sur les adipocytes sont complexes à montrer et ceux sur les cellules musculaires nécessitent des muscles venant juste d être prélevés et ne sont donc pas réalisables par les élèves. Les documents 3 et 4 montrent la sensibilité des cellules insulaires au glucose. On voit donc le lien qui existe entre la glycémie et les productions des hormones pancréatiques. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 et 2 : Une perfusion de glucagon fait fortement chuter le glycogène hépatique (divisé par plus de 8). Le glucagon stimule donc la transformation de ce glycogène en glucose qui peut être libéré dans le sang, faisant ainsi augmenter la glycémie. Le bilan hépatique est positif avant l injection d insuline, ce qui signifie que le glucose sort du foie. Après l injection, le bilan se rapproche de zéro, donc le glucose sort moins des hépatocytes. On peut extrapoler des valeurs négatives pour la suite de la courbe, montrant une entrée de glucose dans les hépatocytes. L insuline tend donc à favoriser l entrée de glucose dans les cellules du foie, ce qui fait baisser la glycémie. On voit sur le document 2 que des adipocytes ou des cellules musculaires consomment plus de glucose en présence d insuline. L insuline favorise donc le captage de glucose par ces cellules et donc la diminution de la glycémie. Doc. 3 : L ingestion de glucose réalisée ici est équivalente à l absorption intestinale qui succède normalement à un repas. Le taux de glucose augmente dans les vaisseaux sanguins qui irriguent le pancréas. En retour, on voit des modifications au niveau des productions hormonales : plus d insuline et moins de glucagon. Les cellules vont donc prélever plus de glucose et faire chuter la glycémie pour la ramener à sa valeur normale. Doc. 4 : L expérience montre que la production d insuline et de glucagon par les cellules insulaires dépend intimement du taux de glucose dans le milieu de culture. On met ainsi en évidence une sensibilité au glucose de la part de ces cellules. Il y a donc une rétroaction dans le système de régulation de la glycémie : le paramètre régulé (la glycémie) agit sur le système de commande (les cellules insulaires pancréatiques). Chapitre 2. La régulation de la glycémie 353

115 Synthèse : Voir schéma-bilan page Ressources complémentaires Logiciel permettant de modéliser la régulation de la glycémie : Modsim glycémie, société Jeulin. Exercices p. 198 à 201 La correction des exercices 1 à 5 figure à la fin du manuel de l élève (pages 228 à 230). 6 Explication d une anomalie de la glycémie Les résultats de l épreuve de jeûne montrent une insulinémie très élevée (comparée aux valeurs du document 3 p. 193). De plus, la production d insuline n est plus corrélée à la glycémie alors qu on devrait avoir des valeurs faibles quand la glycémie est faible. Le problème vient donc d une production excessive d insuline et d une perte de la sensibilité au glucose. Le document 1 montre la présence de tumeurs de très grande taille dans le pancréas à côté d îlots de Langerhans normaux. L immunohistochimie révèle que ces tumeurs produisent de l insuline. On peut donc supposer que l origine du problème est la tumeur pancréatique : celleci a dû affecter des cellules insulaires qui ont continué à produire de l insuline, mais ont perdu la sensibilité au glucose. L insulinémie est donc très forte, ce qui occasionne les fréquentes hypoglycémies. 7 Régulation de la glycémie pendant un effort physique 1. Plus l effort est long, plus les réserves en glycogène des cellules musculaires diminuent. Elles sont presque épuisées au bout de 2 heures d effort. 2. Dans la première heure, la glycémie est stable ainsi que la glucagonémie, puis ces deux valeurs changent : moins de glucose et plus de glucagon. L insulinémie baisse de façon constante pendant toute la durée de l effort. 354 Partie 3. Glycémie et diabète

116 3. Au cours de la première heure, les cellules musculaires utilisent le glycogène qu elles ont en réserve. Quand cette réserve tend à s épuiser, elles commencent à prélever du glucose dans le sang, ce qui fait baisser la glycémie. Le pancréas détecte cette baisse et ajuste ses productions hormonales : l insuline diminue et le glucagon augmente ; c est donc l action du glucagon qui prédomine. Ce dernier stimule la glycogénolyse et la sortie de glucose au niveau des hépatocytes ; la valeur de la glycémie est ainsi maintenue dans la norme. Parallèlement, des triglycérides sont dégradés dans les hépatocytes et donnent du glycérol libéré dans le sang. Ce dernier sera transformé en glucose dans le foie, ce qui prendra le relais du glycogène hépatique en voie d épuisement. 8 Une hypothèse de Claude Bernard Claude Bernard pense qu il n est pas nécessaire de consommer du sucre pour en avoir dans le sang et que celui-ci peut se former dans l organisme à partir d une autre molécule. Pour vérifier cette idée, il nourrit des chiens exclusivement avec de la viande, donc sans glucose dans leur alimentation. Les dosages réalisés dans la veine porte montrent fort logiquement une absence de glucose. Par contre, après avoir traversé le foie, le sang présente du glucose, que l animal soit à jeun ou non. Le foie a donc été capable de libérer du glucose dans le sang. La deuxième expérimentation confirme ce fait avec un résultat positif au glucose dans le liquide de lavage du foie. Il teste ensuite la décoction de foie qui s avère contenir du glucose, seulement après une action de salive tiède. Cette salive a permis la digestion enzymatique d une molécule contenue dans le foie et a libéré du glucose. L hypothèse de Claude Bernard est donc validée : le foie contient une molécule qui peut être transformée en glucose. Il n est donc pas nécessaire d en consommer pour en avoir dans le sang. Chapitre 2. La régulation de la glycémie 355

117 Partie 3 chapitre 3 Les diabètes Activités pratiques 1 Le diabète, une régulation glycémique anormale (p ) 1. Les intentions pédagogiques L objectif de cette double page est de définir les critères de diagnostic du diabète et de distinguer les critères permettant de classer un diabète dans un des deux grands types qui seront étudiés par la suite. De nombreux sites internet (alfediam, afd ) proposent des définitions très claires et des témoignages utiles pour compléter cette première approche des diabètes. Le document 1 est à comparer avec le document 2 de la page 184, utilisant la même technique de mesure. On repèrera facilement une plus grande amplitude des écarts ainsi que des valeurs globalement plus élevées. Le document 2 donne les critères de diagnostic ainsi que des études de cas simples permettant de les éprouver. Le document 3 met en évidence deux groupes chez les diabétiques en fonction de l âge au moment du diagnostic. Plusieurs éléments peuvent être dégagés ici : l utilisation de l âge pour séparer entre diabétiques de types 1 et 2, l incidence globale du diabète dans la population française et la dominance du type 2 sur le type 1. Ce document pourra être complété par des recherches documentaires mettant en évidence la progression du diabète dans le monde au cours des dernières décennies, ainsi que les conséquences en termes de santé publique que cela engendre (espérance de vie, coût ). Le document 4 permet de préciser les caractéristiques des deux types de diabètes. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : On voit que la glycémie est globalement élevée, le plus souvent au-dessus de 1,5 g.l -1 et souvent au-delà de 2 g.l -1. On remarque de plus que les variations ont de grandes amplitudes sur la journée : 1,5 contre 0,4 pour le tracé du document de la page 184. La glycémie est donc fortement perturbée. Doc. 2 : Le patient 1 présente une glycémie de 4,55, très supérieure à 2 g.l -1 dès le premier jour, ce qui le classe comme diabétique. Le patient 2 peut aussi être considéré comme diabétique car on voit deux glycémies consécutives supérieures à 1,26 g.l -1 pour les jours 3 et 4. Toutes les glycémies du patient 3 sont dans la norme, il n est donc pas diabétique. Le patient 4 a eu une seule glycémie supérieure à 1,26 g.l -1, et peut donc être classé comme intolérant au glucose. 356 Partie 3. Glycémie et diabète

118 Doc. 3 et 4 : Le graphique de gauche montre un pic de diabète vers 75 ans, ce qui en fait une maladie touchant surtout des personnes âgées. Le graphique de droite en revanche montre un pic de déclenchement aux alentours de 15 ans ; ce graphique ne concerne en fait qu une catégorie particulière de diabétiques. On est donc en présence de deux maladies distinctes survenant à des moments différents. Le document 4 permet de préciser ces deux types de diabète : le diabète de type 1 touche des sujets jeunes sans caractéristique particulière. Le diabète de type 2 touche des sujets âgés, souvent en surpoids et sédentaires. Synthèse : Le diagnostic du diabète se fait par une mesure de la glycémie à jeun : des valeurs répétées supérieures à 1,26 g.l -1 permettent de classer les sujets comme diabétiques. 3. Ressources complémentaires Le site Internet de l association française des diabétiques présente des définitions, des descriptions des traitements, des pistes de recherches : Le site Internet d une association de médecins diabétologues présente l état actuel des traitements et des perspectives : Activités pratiques 2 L origine des diabètes (p ) 1. Les intentions pédagogiques On va ici chercher à identifier les mécanismes à l origine des diabètes. Après avoir montré qu il existe deux maladies différentes, il paraît évident que les causes sont aussi différentes. Le document 1 permet de voir aisément le problème : l absence de production d insuline, puis de le relier à une disparition des cellules β. Le document 2 explique cette destruction par une réaction auto-immune. Les lymphocytes et anticorps auront pu être vus avant dans le programme de la partie spécifique. Cela facilitera la compréhension de ces mécanismes assez complexes. Les documents 3 et 4 traitent des causes du diabète de type 2. Ces mécanismes sont plus complexes à comprendre et doivent être appréhendés sur une longue durée. L étude proposée ici facilite cette lecture en suivant des patients pendant des années. On voit plus facilement l enchaînement des événements : baisse de la sensibilité à l insuline compensée par une forte production, puis diminution de la fonction sécrétoire des cellules insulaires β. Chapitre 3. Les diabètes 357

119 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : Les sujets DT1 ont une insulinémie proche de zéro, malgré l ingestion de glucose. Cette absence d insuline s explique par la disparition des cellules β dans les îlots de Langerhans. Doc. 2 : Les diabétiques de type 1 présentent des indices d une réaction immunitaire dirigée contre les îlots de Langerhans : présence dans le sang d anticorps spécifiques des îlots (absents chez les autres sujets) ; invasion des îlots par des lymphocytes. Cette réaction immunitaire va détruire les cellules β des îlots et empêcher toute production d insuline. Doc. 3 : Chez les diabétiques de type 2, les cellules sont moins sensibles à l insuline. Quant à la production d insuline, elle est plus forte que la normale chez les sujets intolérants au glucose, et plus faible chez les sujets DT2. Doc. 4 : On note chez les sujets diabétiques une lente diminution de la sensibilité à l insuline. Cette diminution est compensée par une hausse en parallèle de la production d insuline. Cette hausse ne dure pas, et on voit au bout d un moment la production d insuline stagner, puis s effondrer. Le sujet est tout d abord intolérant au glucose : il n a plus assez d insuline pour répondre à des gros besoins. La chute de production d insuline se poursuit, et la régulation de la glycémie est fortement perturbée : le sujet est alors diabétique. Synthèse : Chez les diabétiques de type 1, une réaction auto-immune détruit les cellules productrices d insuline. Sans insuline, la régulation de la glycémie est impossible et une hyperglycémie s installe. Chez les diabétiques de type 2, la sensibilité à l insuline des cellules a fortement diminué. La production d insuline a augmenté pour compenser, mais cela a fini par épuiser les cellules β, et l insulinémie devient insuffisante pour réguler des hausses de glycémie. 358 Partie 3. Glycémie et diabète

120 Activités pratiques 3 Le déclenchement du diabète de type 1 (p ) 1. Les intentions pédagogiques On reprend ici la logique vue en Première S qui est de montrer qu une maladie peut être déclenchée par l interaction entre prédisposition génétique et facteurs environnementaux. Dans le cas du diabète de type 1, l influence du génome est complexe et les facteurs environnementaux sont mal connus. C est cependant l occasion de se confronter aux limites de la connaissance actuelle à partir des documents de ces deux pages et de recherches documentaires. Si le professeur le souhaite, il peut faire réaliser à ses élèves des calculs de risques relatifs et d odds ratio à partir des données fournies : l odds ratio est une mesure statistique, souvent utilisée en épidémiologie, exprimant le degré de dépendance entre des variables aléatoires qualitatives. Une explication des formules de calcul est donnée dans le manuel numérique enrichi Premium et sur le site ressources. Le document 1 permet une approche simple du problème en montrant que le déterminisme génétique est présent, mais pas absolu. Le document 2 illustre ce déterminisme génétique avec une des pistes actuellement explorée : le système HLA. Ce dernier aura pu être abordé dans le programme spécifique, ce qui facilitera la compréhension de ce document. Le tableau permet d établir un lien plus ou moins fort entre un génome et le diabète de type 1. Les documents 3 et 4 présentent deux facteurs suspectés de pouvoir jouer un rôle dans le déclenchement d un diabète de type 1. Il importe ici de montrer qu un lien existe, mais que le facteur incriminé ne suffit pas pour déclencher seul le diabète. Des recherches documentaires permettront de compléter ces éléments, voire de les actualiser en fonction des dernières découvertes (plusieurs études sont actuellement en cours pour préciser l influence de l alimentation du nourrisson et des infections virales). 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 et 2 : Le document 1 montre que si une personne a un frère jumeau atteint du DT1, le risque de développer la maladie est 250 fois plus élevé que s il n a aucun cas connu dans la famille. Il y a donc une influence nette du génome. Cependant, le risque pour ce sujet n est au maximum que de 50 % ; la possession de ce génome n est donc pas suffisante et il faut envisager l action de facteurs environnementaux. Le document 2 permet de calculer le risque d être atteint par la maladie en fonction de son génome HLA. Si, pour chaque gène HLA, on fait le rapport entre le nombre d enfants présentant un gène donné et le nombre total d enfants «analysés» (pour les enfants DT1 d une part et pour les enfants sains d autre part), on obtient : Chapitre 3. Les diabètes 359

121 Rapport nombre d enfants DT1 (ou sains) / nombre total d enfants de chaque catégorie Allèle DR Enfants DT1 Enfants sains DR3 53/125 = 42,4 % 4/78 = 5,1 % DR4 63/125 = 50,4 % 11/78 = 14,1 % DR7 28/125 = 22,4 % 15/78 = 19,2 % DR9 5/125 = 4 % 1/78 = 1,2 % DR15 0/125 = 0 % 18/78 = 23 % On voit donc que les allèles DR3 et DR4 sont beaucoup plus fréquents chez les enfants atteints de DT1 que chez les enfants sains. On peut donc postuler l existence d un lien entre la possession de ces allèles et le déclenchement d un diabète de type 1. On voit en revanche que la possession de l allèle DR15 semble protéger contre le DT1. Pour les allèles DR7 et DR 9, le lien est moins évident. Les documents 1 et 2 montrent donc que la possession d un génome donné peut prédisposer à l apparition d un diabète de type 1 mais que le contrôle génétique n est pas absolu : d autres facteurs interviennent. Doc. 3 et 4 : Le document 3 montre une certaine corrélation entre la nutrition des nourrissons et le nombre de nouveaux cas de DT1 : une alimentation précoce au lait de vache semble favoriser le DT1, mais le lien n est pas très fort. Le document 4 permet d estimer l influence d une infection par l entérovirus sur le fait d être atteint ou non de DT1. Attention : Dans le premier tirage du manuel, une erreur s est glissée dans la composition du tableau : il faut inverser les valeurs 2 et 38 (correction prise en compte pour les calculs ci-après). Chez les enfants ayant développé un DT1, 11 sur 49 ont été exposés au facteur «entérovirus», soit 22,5 %. Chez les enfants n ayant pas développé un DT1, 2 seulement sur 105 ont été exposés au facteur «entérovirus», soit environ 2 %. Les sujets ayant été infectés par un entérovirus ont donc un risque plus de 10 fois supérieur aux autres de développer un DT1. Synthèse : Le déclenchement du diabète de type 1 est lié au génome : certains allèles semblent favoriser le DT1, d autres jouent un rôle protecteur. Des facteurs déclenchants jouent aussi un rôle très important. Parmi eux, on peut citer l alimentation du nourrisson ou des infections virales. 3. Ressources complémentaires Manuel numérique enrichi Bordas (version Premium) : Fichier expliquant le traitement statistique des résultats obtenus au cours d enquêtes épidémiologiques. 360 Partie 3. Glycémie et diabète

122 Activités pratiques 4 Le déclenchement du diabète de type 2 (p ) 1. Les intentions pédagogiques Le principe est le même que pour le diabète de type 1 avec une petite différence : si les gènes en cause dans le déclenchement du DT2 sont complexes, les facteurs environnementaux sont assez bien connus : surpoids et sédentarité. Le document 1 est le pendant du document 1 proposé page 208 pour le diabète de type 1 et permet la même exploitation. Le document 2 explique les méthodes actuelles d exploration du génome à la recherche de nouveaux gènes impliqués dans le diabète de type 2. Il existe une multitude de gènes candidats et de très nombreuses équipes travaillent sur cette thématique. Le document proposé permet de comprendre comment on peut identifier un gène de prédisposition. Des recherches documentaires pourront compléter en donnant d autres gènes et d autres méthodes d exploration du génome. On pourra également utiliser l exercice type ECE de la page 221 pour mettre les élèves en situation concrète de recherche d un gène impliqué. Les documents 3 et 4 présentent l exemple classique des indiens Pima. Il montre de façon claire que l obésité et la sédentarité favorisent fortement la survenue d un DT2. On pourra discuter de la présence d un génome favorisant pour expliquer la très forte prévalence des obèses et des diabétiques dans cette population. Le document 3 aborde cette question avec la théorie du génome de l épargne. 2. Les pistes d exploitation Doc. 1 : Si une personne a un frère jumeau atteint du DT1, le risque de développer la maladie est 45 fois plus élevé que s il n a aucun cas connu dans la famille. Il y a donc une influence nette du génome. Cependant, si le risque pour ce sujet est élevé (plus de 90 %), il n est pas absolu : la possession de ce génome n est donc pas suffisante, il faut envisager l action de facteurs environnementaux. Doc. 2 : La recherche d un gène impliqué dans le DT2 commence ici par la recherche d une mutation (parfois un seul nucléotide). Si cette mutation est plus fréquente chez les sujets DT2, elle a de fortes chances d affecter un gène impliqué dans le DT2. On peut alors rechercher des gènes contenant cette séquence ou des séquences proches d elle. Doc. 3 et 4 : On constate que les indiens Pima vivant aux États-Unis sont beaucoup plus touchés par le diabète que ceux vivant au Mexique. On remarque que les modes de vie ne sont pas les mêmes : beaucoup plus d activité physique pour les mexicains et moins d obésité. Ces deux facteurs exercent sans doute une influence sur le déclenchement du DT2. On remarque que, à mode de vie sensiblement égal, les mexicains non Pima sont moins touchés par le DT2 que les mexicains Pima (3 % contre 7 %). Les Pima possèdent donc Chapitre 3. Les diabètes 361

123 certainement un génome favorisant le DT2. C est la conjonction de ce génome et de facteurs environnementaux favorisants qui donne une prévalence du DT2 très importante dans la population Pima des États-Unis (près de 40 %). Synthèse : Le déclenchement du diabète de type 2 est lié à la mutation de certains gènes qui prédisposent alors à la maladie. Mais la possession d un tel génome n est pas suffisante, le mode de vie exerçant une forte influence : une vie sédentaire et une tendance à l obésité favorisent le déclenchement d un DT2. Activités pratiques 5 Le traitement des diabètes (p ) 1. Les intentions pédagogiques L objectif de cette double page est de prolonger l étude du diabète par celle de son approche thérapeutique. Cette approche peut intéresser de nombreux élèves, tentés par une orientation vers les domaines médicaux et paramédicaux. On pourra compléter les documents proposés par des recherches documentaires ou par l intervention de professionnels de santé et/ou de malades. Les traitements présentés ici offrent tous la possibilité de reprendre des points abordés dans ce chapitre et dans le chapitre précédent. Ils pourront donc s utiliser pour vérifier leur bonne compréhension, ou, au début du chapitre, comme question initiant une démarche d investigation. Le document 1 présente un protocole de soin destiné à des patients insulino-requérants (les diabétiques de type 1 et certains de type 2). Ce protocole est intéressant dans le sens ou il cherche à reproduire au plus près la régulation naturelle de la glycémie en remplaçant le système de commande par un contrôle du patient. On pourra donc établir une relation avec le chapitre 2 de cette partie. Le document 2 aborde les traitements oraux du diabète de type 2, de loin les plus courants. La molécule utilisée joue sur l efficacité de l insuline, donc sur un des points abordés dans les mécanismes du DT2. Le document 3 est l occasion de montrer l importance de respecter une bonne hygiène de vie. Il pourra être complété par des recherches sur les obligations alimentaires des diabétiques voire sur l intervention de diététicien(ne)s. Le document 4 présente une piste de recherche dans le traitement précoce des diabètes de type 1. Il existe de multiples pistes actuellement destinées à guérir de façon définitive les malades. L exemple choisi reprend les mécanismes de base du DT1 avec la réaction auto-immune ; il sera donc l occasion de réinvestir les connaissances, voire de demander aux élèves de proposer d autres pistes. Il offre la possibilité de porter un regard critique par des résultats expérimentaux puisque l étude n a pas été concluante. 362 Partie 3. Glycémie et diabète