Séquence 5. Sommaire. Corrigés des activités Séquence 5 SN12. Cned - Académie en ligne

Séquence 5 Sommaire Correction des activités du chapitre 1 Correction des activités du chapitre 2 Correction des activités du chapitre 3 Correction des exercices Corrigés des activités Séquence 5 SN12 75

Correction des activités du chapitre 1 Les âges des fonds océaniques La plus vieille lithosphère océanique observée est âgée d environ 180Ma. La lithosphère océanique est toujours considérablement plus récente que la lithosphère continentale. On peut faire l hypothèse qu il existe des zones de disparition de la lithosphère océanique âgée, ce qui explique qu on ne retrouve pas de plancher océanique plus vieux que 180Ma. Activité 1 Le Pacifique est bordé de séismes et de volcans sur la quasi-totalité de son pourtour. On parle de «ceinture de feu» du Pacifique. Corrigés des activités Séquence 5 SN12 77

à Résultat Tectoglob : Chaîne volcanique Fosse océanique (Andes) Fonds océaniques 22 Profondeur maximale des foyers sismiques : 570 km Remarque ici, l auteur du logiciel ne montre que les séismes dont l épicentre est à plus de 6 kms de profondeur. Les séismes ne peuvent se produire qu au sein de la lithosphère, et la lithosphère océanique ne fait qu une centaine de kilomètres d épaisseur. On peut supposer que la plaque Pacifique s enfonce dans le manteau, sous les Andes, et plonge jusqu à une profondeur de 570kms. Le plan incliné formé par les foyers sismiques est appelé plan de Bénioff, il souligne l enfoncement de la plaque «plongeante» (ici, Pacifique) sous la plaque «chevauchante» (ici, l Amérique du Sud). Activité 3 La plaque Pacifique ne porte que de la lithosphère océanique. La plaque Eurasie porte les deux types de lithosphère. La base de la lithosphère se situe à environ 100kms de profondeur (ralentissement des ondes). Sa température moyenne est de 1300 C. Le ralentissement brutal de la vitesse des ondes peut traduire un réchauffement important du manteau, voire même une fusion partielle de la péridotite à la base de la lithosphère. On parle de LVZ (Low Velocity Zone) pour désigner ce ralentissement : il s agit d une frontière physique entre deux compartiments de même composition chimique (péridotite). Activité 4 Au niveau de la zone de subduction, on constate que les vitesses des ondes P augmentent selon un plan incliné. On peut en déduire la présence d un matériau froid et de forte densité qui s enfonce dans le manteau. Le plan incliné où la vitesse des ondes augmente rappelle le plan de Bénioff : il traduit la présence d une plaque océanique froide et dense en train de plonger dans un manteau plus chaud et plus ductile. 78 Corrigés des activités Séquence 5 SN12

Activité 5 Plaque chevauchante Continent Croûte océanique 10 km Océan Basalte Gabbro prisme sédimentaire Croûte continentale > 30 km Granite Péridotite (manteau) Péridotite (manteau) Plaque plongeante Schéma représentant une zone de subduction Corrigés des activités Séquence 5 SN12 79

Correction des activités du chapitre 2 Activité 1 Les volcans hawaiiens encore en activité sont : Kilauea, Mauna Loa, Loihi, Hualalai. Des séismes se produisent quasiment quotidiennement au sud-est d Hawaii (zone Kilauea-Loihi). Les volcans de l archipel hawaiien sont d assez grande taille, peu élevés, coniques. Ils semblent être de type plus effusif qu explosif. L âge des volcans augmente régulièrement au fur et à mesure qu on s éloigne d Hawaii pour progresser vers Kauai et Ni ihau. Les volcans sont alignés par ordre d âge de manière rectiligne, les plus jeunes d entre eux sont encore en activité et sont situés dans une zone de forte sismicité. On peut supposer que la plaque Pacifique se dirige vers le nord-ouest et passe au-dessus d une remontée fixe de magma («point chaud»). Cette remontée se trouve actuellement sous l île principale d Hawaii. à Dans Excel, réaliser le tableau : AGE (Ma) DISTANCE (kms) 0,15 75 0,75 177 1,28 232 1,9 284 2,6 337 3,6 381 5,6 532 Puis tracer le graphe correspondant : 600 500 y = 78,013x + 111,31 Distance (kms) 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 Age (Ma) 80 Corrigés des activités Séquence 5 SN12

La vitesse de déplacement est de 78km/MA soit 7,8cm.an 1. En conclusion, les alignements volcaniques intraplaques comme la ride d Hawaii s expliquent par le déplacement d une lithosphère océanique au-dessus d une remontée magmatique fixe (le point chaud). Activité 2 Il semble y avoir eu un changement de direction de la plaque Pacifique il y a 42Ma. Avant ce changement de direction, la plaque se déplaçait à une vitesse d environ v = 2300kms/30Ma=77kms.an 1 soit 7,7cm.an 1. La vitesse actuelle de déplacement, calculée à l activité 1, était de 7,8cm/an. La vitesse de déplacement de la plaque n a donc pas été modifiée, seule sa direction a changé. Activité 3 15 1 2 3 4 10 14 6 5 9 «Ceinture de feu du pacifique» 7 à 8 cm/an 8 16 17 18 19 7 Plaque Pacifique 13 20 11 12 Frontière divergente Frontière convergente La plaque Pacifique se déplace vers le nord-ouest à une vitesse d environ 7,8cm/an. Le modèle NUVEL-1 obtenu par géodésie spatiale donne : Plaque Eurasienne Plaque Nord américaine Ph Ar Plaque Africaine IA Plaque Pacifique Co Nazca Ca Plaque Sud américaine Plaque Antarctique Corrigés des activités Séquence 5 SN12 81

Correction des activités du chapitre 3 Activité 1 Age (Ma) 80 70 60 50 40 30 20 10 y = 0,0502x + 0,3751 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Distance (kms) Doc1. Age des sédiments en fonction de la distance à l axe La vitesse d expansion de l Atlantique selon les données sédimentaires est donc de 1/0,0502=20km.an 1 soit 2 cm.an 1. On peut calculer aussi en s aidant des anomalies magnétiques : on obtient une vitesse v = 170/10=17km.Ma 1 soit 1,7cm.an 1. On a donc des résultats proches en utilisant les deux méthodes. La vitesse de déplacement de la plaque Atlantique est de 2cm/an environ, celle de la plaque Pacifique est de 4cm/an voire plus en certains endroits. La production de magma est plus importante et plus rapide dans le Pacifique (dorsale rapide) que dans l Atlantique (dorsale lente). Activité 2 Temps d arrivée des ondes P : 300ms, des ondes S : 650ms, des ondes L : 1000ms. On a V P = d/ t P et V S = d/ t S Donc t S t P = d(1/ V S 1/ V P ) d = V P V S (t S t P )/( V S V P ). PET : d = (7,74.4,32.48)/(7,74-4,32) = 469kms. MA2 : d = (7,74.4,32.126)/(7,74-4,32) = 1232kms YSS : d = (7,74.4,32.155)/(7,74-4,32) = 1516kms. MAJO : d = (7,74.4,32.255)/(7,74-4,32) = 2494kms. Le séisme s est produit à 469kms de PET. On a V P = d/ t P donc t P = d/ V P = 469/7,74= 61s. Les ondes P ont mis 61s à atteindre la station PET. Par ailleurs, ces ondes ont été reçues à 3h02min04s donc le séisme s est produit à 3h01min03s. 82 Corrigés des activités Séquence 5 SN12

Nord MA2 1232 km 60 Mer d Okhotsk 469 km 55 PET 50 2494 km YSS 45 Mer du Japon 1515 km Océan Pacifique 40 500 0 500 1000 Km MAJO 135 140 145 150 155 160 Doc3. Localisation du séisme Activité 3 Axe de la dorsale Remontée magmatique (décompression du manteau) Océan Croûte océanique : 0,1Ma 0,1Ma basalte et gabbro 20Ma Manteau : péridotite 90Ma MOHO Croûte continentale : granite Épaisseur de la croûte : 30 km MOHO Manteau : péridotite Épaisseur de la croûte : 0,1 km Épaisseur de la croûte : 10 km Doc4. Cycle de la lithosphère océanique Activité 4 La plaque Anatolienne a un mouvement de rotation vers l ouest autour d un pôle qui doit se situer au nord d Israël. Ce mouvement provoque l apparition de failles transformantes de grande taille comme la faille nord-anatolienne. Istanbul se situe presque sur le trajet de la faille nord-anatolienne. Comme le mouvement de rotation de la plaque anatolienne se poursuit, le risque de décrochement est élevé le long de cette faille. Il s agit donc d une région à haut risque sismique. Corrigés des activités Séquence 5 SN12 83

C orrection des exercices Exercice 1 Restitution de connaissances L existence de volcans intraplaques est apparemment en contradiction avec le fait que les manifestations tectoniques n aient lieu qu aux frontières de plaques. Son origine n est pas une friction de deux compartiments mais l existence d une remontée localisée de magma appelée «point chaud». Les points chauds sont fixes à l échelle des temps géologiques. Les plaques se déplacent au-dessus de ces points chauds, qui les perforent alors à intervalle plus ou moins régulier. On observe donc des alignements volcaniques d âge d autant plus récent qu on se rapproche du point chaud. La datation de ces volcans permet d estimer la vitesse de déplacement de la plaque par rapport au point chaud. Les points chauds constituent un référentiel fixe pour décrire les mouvements des plaques. t1 Volcan 1 Sens de déplacement t2 Volcan 2 Volcan 1 t3 point chaud Volcan 2 Volcan 1 Volcan 3 point chaud Alignement volcanique point chaud Doc1. Fonctionnement d un point chaud et origine des alignements insulaires en domaine océanique Pour quantifier la vitesse d expansion d une dorsale océanique, on peut utiliser le paléomagnétisme : on enregistre les anomalies magnétiques de part et d autre de l axe de la dorsale et on corrèle les bandes obtenues avec l échelle des inversions magnétiques sur plusieurs millions d années. 84 Corrigés des exercices Séquence 5 SN12

le carottage puis la datation des sédiments les plus profonds (au contact du basalte lithosphérique), selon un axe perpendiculaire à la dorsale. 1 ère méthode : paléo-magnétisme 2 ème méthode : les dépôts sédimentaires axe de la dorsale 100 km sédiments actuels sédiments anciens 1 2 3 4 5 carottages } sédiments 4 2 0 (âge en M.a.) Calendrier des inversions magnétiques âge M.a. 100 km en 4 Ma = 2,5 cm/an 75 km en 3 Ma = 2,5 cm/an 3 x 2 x 1 On retombe sur les mêmes résultats 3 x 4 x 75 x 5 la pente de cette droite donne la vitesse d expansion distance (km) Doc2. Deux méthodes de datation de la vitesse d expansion L étude des ondes sismiques a permis de mieux connaître la composition de la Terre : les calculs de vitesse des ondes montrent que la croûte et le manteau terrestres sont solides dans une très grande proportion l enregistrement de deux trains d ondes sismiques (directes et réfléchies) permet de calculer la profondeur du Moho, c est-à-dire de la limite croûte-manteau en différents points du globe la vitesse des ondes permet d estimer la vitesse des ondes, ce qui permet d une part de localiser la LVZ à 100kms et d obtenir une idée de la température du milieu à une profondeur donnée (tomographie sismique) l observation d une zone d ombre dans la réception des ondes sismiques à la surface du globe permet d obtenir la profondeur de la limite manteau-noyau (2900kms). Corrigés des exercices Séquence 5 SN12 85

Exercice 2 La Terre coupée en deux Modèle PREM de la terre Manteau (solide) péridotite LVZ Noyau externe (liquide) fer Noyau interne (solide) fer Discontinuité de Lehmann (physique) Discontinuité de Guntenberg (chimique) Ici, les ondes S ne passent pas. Lithosphère (solide) 100 km Athémosphère (ductile) basalte et gabbro Croûte Croûte océanique continentale 10 30 granite Moho Moho (chimique) péridotite LVZ (physique) Doc3. Le modèle en coupe de la Terre Note : on appelle PREM (Preliminary Reference Earth Model) ce premier modèle de la structure du globe. Exercice 2 La fosse des Mariannes Faire apparaître séismes et volcans et centrer la carte sur les Philippines. Coupe au niveau des Philippines (Tectoglob) : 86 Corrigés des exercices Séquence 5 SN12

L angle que fait cette droite avec l horizontale est de 75. L angle du Chili était de 22. Ici, la pente est beaucoup plus forte : le plongeon est beaucoup plus «vertical». L âge des fonds océaniques au niveau des îles Mariannes est d environ 160Ma et l âge des fonds au niveau du Chili est d environ 40Ma. On peut penser que plus la lithosphère est âgée, plus son angle de plongement est élevé. Un archipel isolé La plaque Africaine se déplace vers le nord-est, avec une vitesse moyenne de 1,5cm/an depuis la naissance de l Atlantique sud. La distance séparant les points «30Ma» et «40Ma» est beaucoup plus faible que la distance séparant les points «60Ma» et «70Ma». La vitesse d ouverture de l océan n a donc pas été constante depuis sa formation. la faille de San Andreas Los Angeles se déplace d environ 1cm/an vers le sud-est, et la Californie se déplace d environ 4cm/an dans la même direction. La Californie se déplace dont vers le sud-est par rapport à Los Angeles, avec une vitesse d environ 3cm.an 1. Il y a déplacement latéral de deux compartiments au niveau de la faille de San Andreas : il s agit donc d une faille transformante. L origine du séisme de Northridge est due au fonctionnement de la faille transformante de San Andreas. La plaque portant la Californie coulisse avec la plaque portant la ville de Los Angeles, à une vitesse d environ 3cm.an 1. Corrigés des exercices Séquence 5 SN12 87

Séquence 6 Sommaire Correction des activités du chapitre 6 Correction des exercices Corrigés des activités Séquence 6 SN12 89

Correction des activités du chapitre 6 Pour s interroger Questions Le pétrole est un liquide huileux formé d hydrocarbures (molécules de type alcane à longue chaine). Un gisement est un lieu où l on peut extraire une ressource (pétrole, uranium, or etc.) et qui soit rentable d un point de vue économique. La plateforme DeepWater Horizon se situe dans le golfe du Mexique, au-delà de la ligne de rivage. Cette bordure de continent n est pas le lieu d une subduction, on parle donc de marge passive. Mobiliser ses acquis Questions Les hydrocarbures sont formés par une lente fossilisation de matière organique (débris végétaux), c est pourquoi on parle d «énergie fossile». Combustion d un hydrocarbure : C n H 2n +(3n/2) O 2 n CO 2 + n H 2 O + énergie La combustion massive d hydrocarbures libère du CO 2. Le CO 2 est un gaz à effet de serre qui provoque un réchauffement progressif de la planète. Activité 1 Questions Les hydrocarbures du golfe du Mexique Les principaux facteurs nécessaires à la transformation de la matière organique en hydrocarbures sont : une forte productivité, un environnement anoxique (pauvre en oxygène) et un enfouissement rapide. L ouverture du golfe du Mexique s est produite entre 195 et 152 MA. D une manière générale, plus l épaisseur des sédiments d une région est élevée, plus la quantité de pétrole retrouvée est grande. A l époque où le golfe du Mexique s est ouvert, le climat était de type équatorial ce qui explique que la productivité y était élevée. De plus, le taux de sédimentation est important : les sédiments sont rapidement enfouis. Tout ceci est favorable à la préservation de la matière organique et à sa transformation en hydrocarbures. Corrigés des activités Séquence 6 SN12 91

Activité 2 Questions Activité 3 Questions Les conditions de formation des hydrocarbures La formule brute d un glucide est C n H 2n O n et celle d un hydrocarbure est C n H 2n : ceci montre que les réactions qui se déroulent lors de la transformation de la matière organique en hydrocarbures sont plutôt des réactions d élimination du dioxygène. Par conséquent, un environnement pauvre en oxygène sera davantage favorable à la production d hydrocarbures. Le document 6 nous indique que l eau, en particulier les eaux chaudes, contiennent peu d oxygène dissous. Il s agit donc d un environnement favorable à la transformation de la matière organique en hydrocarbures. Le document 7 nous indique que le taux de sédimentation dans le golfe du Mexique est élevé. Or, nous avons vu précédemment que les taux de sédimentation élevé étaient favorables à la préservation de la matière organique. On peut en déduire que la faible teneur en oxygène et le fort taux de sédimentation au niveau du golfe du Mexique en font une région de forte production d hydrocarbures. Morphologie de la marge du golfe du Mexique Document 1 : Les différentes parties d une marge continentale plateau talus glacis Manteau supérieur Croûte continentale Croûte océanique Sédiments Les failles observées au niveau de la marge du golfe du Mexique sont des failles normales. Les failles normales témoignant de contraintes en extension et les reconstitutions de la position des continents au Jurassique nous montrent que la lithosphère continentale s est déchirée en deux parties à cette époque. Entre les deux, un domaine océanique s est mis en place, c est le golfe du Mexique qu on observe actuellement. Mobiliser ses acquis Questions Une roche sédimentaire est une roche formée d un assemblage cohérent de débris de roches préexistantes (ex : calcaire, argile, marne etc.). 92 Corrigés des activités Séquence 6 SN12

Document 2 : Un piège à pétrole argile grès +gaz grès +pétrole grès +eau Roche couverture Roche réservoir Roche mère La roche-mère et la roche-réservoir sont poreuses et perméables car elles stockent et laissent s écouler le pétrole. La roche couverture est imperméable et bloque la remontée du pétrole (sa porosité peut varier). Activité 4 Questions Activité 5 Activité 6 Questions Modélisation d un puits de pétrole La roche-mère est représentée par les graviers, la roche réservoir est représentée par le sable et la roche couverture est représentée par l argile. L huile est de plus faible densité que l eau : elle flotte à la surface de l eau. Quand l eau arrive au fond suite à son injection, elle repousse l huile vers la surface. Le pétrole en Angola Le Cabinda est une enclave angolaise située sur la côte Atlantique. Elle se situe donc en bordure d une marge passive. Or, nous avons vu que les caractéristiques géophysiques et chimiques des marges passives sont favorables à la préservation des hydrocarbures. On peut en conclure que le Cabinda est un bon candidat pour la prospection de gisements pétrolifères. Les nouveaux hydrocarbures Le principal avantage de l exploitation des schistes bitumineux est l abondance de la ressource : ils sont présents en grandes quantités. En revanche, leur exploitation est longue et coûteuse, elle peut générer des pollutions. Le nombre d années d exploitation qui serait offert par les schistes bitumineux serait de 3000/25= 120 ans supplémentaires. Corrigés des activités Séquence 6 SN12 93

C orrection des exercices Exercice 1 Questions Du pétrole en Alsace Le fossé rhénan est creusé dans le socle continental granitique et est le lieu d une intense sédimentation, avec des roches sédimentaires de natures différentes. On y trouve de nombreuses failles normales témoignant de contraintes en extension. On peut penser que le fossé rhénan marque le début d un épisode de rifting. Le dôme de sel semble soulever la couche supérieure et ménager un espace de part et d autre de lui (en forme d œil). On peut faire les hypothèses suivantes : la couche soulevée est imperméable, et l espace de part et d autre du dôme de sel («l œil») est comblé par du pétrole en provenance de la couche sous-jacente. Document 1 : Interprétation du profil sismique Forage Dome de sel Couche imperméable Possible nappe de pétrole Possible couche-mère Exercice 2 Questions Du gaz extraterrestre! Selon l échelle, le lac Ontario Lacus fait environ 10 000km 2. Sa profondeur est de 3.10-3 km donc son volume est de 30km 3 environ. La composition de l atmosphère de Titan nous indique qu il y a peu d oxygène : il n y a donc pas de molécule oxydante susceptible de détruire les hydrocarbures, et ceux-ci peuvent s accumuler. 94 Corrigés des exercices Séquence 6 SN12

Document 2 : Formation des hydrocarbures de Titan Energie lumineuse CH4 CH4 Hydrocarbures Atmosphère de Titan Volcan Lacs d hydrocarbures Surface de Titan Corrigés des exercices Séquence 6 SN12 95

Séquence 7 Sommaire Correction des activités du chapitre 1 Correction des activités du chapitre 2 Correction des activités du chapitre 3 Correction des exercices Corrigés des activités Séquence 7 SN12 97

Correction des activités du chapitre 1 Pour s interroger L agriculture, une invention qui remonte à 10000 ans. Questions Toutes ces plantes ont la particularité de posséder des grains riches en amidon (glucide) qui est une source d énergie. De ce fait, les céréales constituent la base de l alimentation humaine (En Inde par exemple, les céréales constituent 65 % de l apport en calories) mais également animale. Une culture vivrière est une culture dont les produits sont destinés à nourrir ceux qui les produisent. Le surplus de production peut cependant être vendu localement. On distingue ce type de culture de cultures à caractères commercial dont les produits sont pour l essentiel destinés à la vente. On a donc schématiquement deux types d agriculture dans le monde : une agriculture traditionnelle qui cultive pour se nourrir et une agriculture qui cultive pour vendre. Ces deux types d agriculture se distinguent également par des pratiques différentes. Ce sont les grains qui sont à l origine de nouvelles plantes Pour que de nouvelles plantes puissent naitre, il faut que les grains tombent sur le sol et germent. Dans le cas du maïs, les grains sont rattachés à un axe central rigide et emballés dans des spathes alors que chez la téosinte l axe central qui porte les grains est souple et casse à maturité. Ces particularités morphologiques ne favorisent pas la dissémination des graines du maïs et la survie de l espèce. Sans l intervention de l homme, des espèces comme le maïs ne pourraient pas exister. On peut noter que cette rigidité de l axe central est utile à l homme. En effet, les grains sont plus faciles à récolter L agriculture est le fruit d un processus qui a commencé par la domestication d espèce sauvage. On peut supposer que les premiers agriculteurs aient sélectionné des épis de téosinte dont ils jugeaient les caractères intéressants et ont ressemé les grains issus de ces épis. On doit retenir que l homme ne s est pas réveillé un beau matin, en disant qu il allait cultiver, qui le maïs qui le blé, car à cette époque le blé et le maïs tel que nous les connaissons aujourd hui n existaient pas. Corrigés des activités Séquence 7 SN12 99

Activité 1 Questions Les végétaux chlorophylliens fabriquent de la matière organique Ce phénomène est la photosynthèse. et Photosynthèse O 2 O 2 CO 2 CO 2 Respiration H 2 O Transpiration Sous-sol Nutrition minérale H 2 O NO 3 PO 4 3 Horizon Horizon Sol Activité 2 Questions Les relations trophiques dans un écosystème 100 Corrigés des activités Séquence 7 SN12

Nous constatons la complexité des relations trophiques au sein d un écosystème. Un même être vivant peut appartenir à plusieurs chaînes alimentaires. Ainsi, le campagnol peut être consommé par l épervier ou la martre ou le renard. Les différentes chaines alimentaires ont par conséquent des maillons communs formant un réseau trophique. Exemples de chaîne alimentaire : Feuilles mortes Lombric Hérisson Racines Campagnol Renard Nous constatons qu à la base des chaînes alimentaires, nous trouvons des végétaux chlorophylliens : les parties consommées peuvent être vivantes (herbe, fruit comme les faines ou les cônes) ou mortes (feuilles mortes), chlorophylliennes (feuilles) ou non (bois du tronc, racines) mais l organisme qui les produit est chlorophyllien. Ceci est lié à la capacité qu ont les végétaux chlorophylliens de fabriquer leur matière organique à partir de matières minérales ; ils sont autotrophes. Les autres maillons des chaînes sont hétérotrophes et ne peuvent que consommer la matière organique initialement produite par les autotrophes. Activité 3 Réaliser et interpréter une pyramide des biomasses et Etres vivants Régime alimentaire Biomasse en g.m 2.an 1 Niveau trophique Poacées = graminées 3000 I Brassicacéées =crucifères 1000 I Autres végétaux chlorophylliens 700 I Insectes Phytophage 0,1 II Mammifères Phytophage 0,2 II Oiseaux Phytophage 0,4 II Araignées Zoophage 0,01 III Oiseaux. Zoophage 0,03 III Mammifères Zoophage 0,04 III Insectes Zoophage 0,03 III Corrigés des activités Séquence 7 SN12 101

Niveau trophique Biomasse en g.m 2.an 1 Surface en cm 2 I = producteurs primaires 4700 23,5 II = Consommateurs premier ordre de 0,7 0,0035 III = Consommateurs de second ordre 0,11 5,5.10-4 Remarque Cette représentation n est qu une approximation de ce qui se passe au sein d un écosystème. En effet la biomasse souterraine est souvent négligée et un être vivant peut occuper plusieurs niveaux trophiques. Schéma d une pyramide des biomasses Niveau trophique III Niveau trophique II Niveau trophique : Producteurs primaires La biomasse végétale est énormément plus importante que la biomasse de phytophages (environ 6700 fois) et les zoophages sont en quantité beaucoup moins abondants que les phytophages (environ 7 fois). Des producteurs aux différents niveaux de consommateurs, un transfert de matière est réalisé au sein d un écosystème via les chaînes alimentaires mais on constate des pertes importantes quand on passe d un niveau trophique au niveau suivant. On peut proposer l explication suivante : seule une partie de la biomasse ingérée par le niveau trophique supérieur est transformée en matière organique. 102 Corrigés des activités Séquence 7 SN12

Activité 4 Le flux de matière dans un écosystème forestier 5 5 2 5 4 4 2 1 2 3 1 2 Absorption 3 Export 5 Stockage Import 4 Restitution Transfert de matière liée au cycle biologique La notion d équilibre implique que les entrées d azote annuelles compensent les sorties d azote annuelles. Dans la rubrique entrée, on peut ranger l azote apportée par les précipitations ainsi que la litière et le bois mort annuel. Dans la rubrique sortie, on peut ranger l azote perdu par lessivage et l azote absorbé par les végétaux. En chiffres, on a donc 10 + 70 = 80 kg.ha 1.an 1 du côté des entrées et 85 + 4 = 89 kg.ha 1.an 1 du côté des sorties. Il y a donc équilibre entre les entrées et les sorties d azote ce qui permettra de préserver la réserve minérale du sol En absence de décomposeurs, la litière et le bois ne seraient pas minéralisés. Le seul apport d éléments minéraux proviendrait des précipitations. On observerait alors un épuisement des réserves minérales du sol et un ralentissement de la production végétale. Corrigés des activités Séquence 7 SN12 103

Activité 5 Comprendre la circulation des atomes d azote dans un écosystème L azote minéral (N) est capté à partir du sol par les racines des plantes et est ensuite incorporé à la matière végétale sous forme de protéines. Les protéines sont des molécules organiques constituées d atomes d azote (cours de seconde).les protéines végétales sont consommées par un herbivore (le lapin) qui utilise les atomes d azote (N) pour produire des protéines animales. Le lapin est mangé par un carnivore (le renard). Les atomes d azote des protéines «lapin» vont permettre la fabrication de protéines «renard». Le renard va excréter vers le sol une partie de cet azote sous forme d urine. L urée qu elle contient est transformée par les bactéries du sol en nitrates utilisée par les végétaux. A la mort d un animal ou d un végétal les protéines qui le constituent seront également dégradées et l azote organique qu elles contiennent sera minéralisé par les bactéries du sol. Activité 6 La mesure de l énergie est un moyen possible de comparaison des différents processus de transformation de la matière Dioxyde de carbone Côte de bœuf Lait Herbe Bouse de vache Humain Producteur Consommateur I Consommateur II 104 Corrigés des activités Séquence 7 SN12

Ce qui entre dans la vache Herbe Ce que produit la vache Bouse Dioxyde de carbone Matière animale viande, lait Activité 7 Calculer les rendements énergétiques dans un écosystème Le bilan des transformations chimiques réalisées au cours de la respiration peut s écrire : C 6 H 12 O 6 + 60 2 6 C0 2 + 6 H 2 O + énergie Un autre phénomène permet d extraire l énergie contenue dans la matière organique. Ce phénomène est la fermentation. Tous les êtres vivants tirent l énergie qui est nécessaire (croissance, mouvement, régulation thermique, ) de la dégradation des nutriments absorbés par les cellules. C est parce qu il est traversé par un flux de matière et d énergie qu un organisme donné maintient sa structure et son fonctionnement. Dans la plupart des cellules (animales et végétales), l énergie potentielle des molécules organiques est transformée en énergie par la respiration. Placées en anaérobiose, certaines peuvent dégrader les nutriments par fermentation. D autres cellules utilisent ce seul processus pour satisfaire leurs besoins énergétiques On recherche la quantité d énergie contenue dans la matière produite par un hectare de forêt. Matière en tonnes Energie en KJ 8 tonnes de bois 18,8 x1000 x 8000 = 150400000 3 tonnes de feuilles 19,2 x 1000 x 3000 = 57600000 1 tonne de racine 18,8 x 1000 x 1000 = 18800000 1 tonne de fruit 18,8 x 1000 x 1000 = 18800000 Total 245600000 Remarque Seul le nom du phénomène était attendu Le rendement est donc de 245600000 x 100/3081640 x 10000 = 0,79 %. On constate que ce rendement est très faible. Très peu d énergie solaire est convertie en matière organique. I, c est l énergie contenue dans l herbe que la vache mange, NA, c est l énergie qui passe dans son corps mais qui ne sert pas, ce sont les bouses. Corrigé des activités Séquence 7 SN12 105

P, c est ce que la vache fabrique comme matière à partir de son alimentation, par exemple le lait et la viande (il y a aussi les poils, la corne des sabots, les os etc ) R c est l énergie que la vache dépense pour produire sa chaleur, ses synthèses chimiques et son mouvement et dont le CO 2 est le résultat mesurable. A c est la matière issue de la digestion qui passe dans le sang et qui sert à l effort physique et à la construction de l individu. C est essentiellement du glucose qui passe par l état intermédiaire de glycogène dans le foie et dans les muscles. Dans le tableau nous avions à gauche «Ce qui rentre dans la vache» et à droite «Ce que produit la vache». On retrouve sur ce schéma «Ce qui rentre dans la vache» à gauche vers le niveau des producteurs, en l occurrence l herbe et on retrouve à droite les flèches indiquant de que produit la vache vers les niveaux des consommateurs, en l occurrence l homme (éventuellement) et les décomposeurs pour la bouse Pour le campagnol, l énergie se répartie de la manière suivante. L énergie ingérée représente 100 % de l énergie. I = 100% R = 68% P= 2% On peut en déduire A et NA. A = 68 +2 = 70% et NA = 100-70 =30%. Le rendement d assimilation = A/I =70/100 x 100 = 70% Le rendement de production = P/A = 2/70 X 100 = 2,8% Pour la belette. R = 93% P = 2,5% A = 93 + 2,5 = 95,5% et NA= 100-95,5 = 4,5% Le rendement d assimilation = A/I x 100 = 95,5% Le rendement de production = 2,5/95,5 x 100= 2,6% Nous constatons que la plus grande partie de l énergie ingérée est perdue par respiration. Cette énergie est utilisée à des fins énergétiques (mouvements, régulation de la température.) Seule une faible partie de l énergie assimilée sert à produire de la matière organique. A chaque niveau trophique, nous avons vu que le mangeur fabriquait sa matière et produisait son énergie à partir du «mangé». La matière nouvelle produite disponible comme nourriture pour le niveau suivant est en fait très faible par rapport à la quantité consommée. La belette devra manger beaucoup de campagnols pour pouvoir grandir, campagnols qui eux-mêmes auront mangé énormément d herbe. A chaque niveau il y a beaucoup de pertes. Le rendement faible que l on a observé dans la photosynthèse se retrouve aussi quand on passe d un niveau trophique à l autre. L énergie disponible au départ du fait de la photosynthèse est donc rapidement perdue d un maillon à l autre et le nombre de transferts est donc limité. 106 Corrigés des activités Séquence 7 SN12

Activité 8 Représenter sur un schéma les flux de matière et d énergie dans un écosystème Plantes vertes O 2 CO 2 C1 Matière organique morte : cadavres, feuilles mortes... C2 C3 Détritivores Sels minéraux Décomposeurs Circulation de la matière minérale Flux d énergie Circulation de la matière organique. Activité 9 Rédiger une synthèse Dans un écosystème, la matière organique produite par les végétaux chlorophylliens assure l existence d un réseau trophique complexe. En effet, les organismes hétérotrophes dépendent directement ou indirectement des végétaux chlorophylliens. C est en utilisant des matières organiques déjà existantes qu ils trouvent les matériaux et l énergie qui leur sont nécessaires. La matière organique produite par les organismes autotrophes est donc transformée le long des chaînes alimentaires. Le passage de la matière organique d un niveau trophique à un autre se fait avec des pertes considérables d énergie La minéralisation de cette matière par les organismes décomposeurs permettra de fournir aux autotrophes les éléments minéraux dont ils ont besoin. Il existe donc un cycle de la matière. Corrigés des activités Séquence 7 SN12 107

Correction des activités du chapitre 2 Questions Agrosystème Champ de Tournesol Champ de maïs Prairie d alpage Pâturage Vigne Elevage de porc Riziculture Bananeraie Ecosystème Prairie naturelle Forêt Lande Lac Les prairies d alpage peuvent être considérées comme des agrosystèmes car l homme utilise ces espaces comme source de nourriture pour les troupeaux à la belle saison. C est donc une source de production animale (lait, viande ). On peut noter la grande diversité d agrosystèmes. La production primaire se définit comme la quantité de biomasse végétale fabriquée par unité de surface. Cette biomasse végétale fabriquée au cours de la photosynthèse comprend les grains mais également les tiges, les racines et les feuilles. Le concept de rendement ne prend en compte qu une partie de la biomasse fabriquée : celle qui a un intérêt sur le plan économique et alimentaire. Une culture donnée peut donc avoir un faible rendement et une forte production primaire. Au cours de ce chapitre nous ferons souvent référence à la notion de rendement. C est ce critère qui est utilisé pour comparer les cultures, pour juger de la performance d une pratique culturale Nous constatons que les rendements de blé et maïs ont fortement augmenté de 1960 à 2000. Ils ont été multipliés par 4 passant d une vingtaine de quintaux par hectare en 1960 à 80 quintaux pour le blé et 90 pour le maïs en 2000. Depuis 2000, les rendements n augmentent plus. Les rendements de colza ont également augmenté mais de façon moins importante passant de 15 quintaux par hectare en 1960 à 35 quintaux par hectare en 2000. On constate également une stagnation des rendements de colza depuis 10 ans. En 1960, le rendement était de 20 quintaux soit 2000 kg par hectare. La surface nécessaire pour produire 100 tonnes de blé était donc de 100 x 1000/2000 = 50 ha. En 2000, le rendement était de 75 quintaux soit 7500 kg par hectare. La surface nécessaire pour produire 100 tonnes de blé était donc de 100 X 1000/7500 = 13,33 ha soit une surface presque 4 fois moindre qu en 1960. 108 Corrigés des activités Séquence 7 SN12

Cette évolution est considérable et cette période (1960-2000) a vraiment modifié les pratiques agricoles, mais également l économie, les sociétés humaines et on le verra plus tard, laissée son empreinte sur l environnement. On doit également noter que cette évolution a permis d atteindre, du moins dans les pays développés, la sécurité alimentaire ; les excédents rejoignant les exportations. Pour expliquer cette évolution considérable on peut poser un certain nombre d hypothèses : L amélioration des techniques (machines plus performantes) L utilisation d engrais chimiques. L utilisation massive de pesticides. L amélioration des semences. L évolution constatée doit donc être reliée à la réalisation de progrès sur le plan scientifique (chimie, génétique ) Activité 1 Questions Comprendre le rôle joué par l homme dans les agrosystèmes Dans un agrosystème type culture, l essentiel de la production primaire (tiges, feuilles et grains) est exportée et utilisée à des fins alimentaires (animales ou humaines). Dans un agrosystème type pâturage, la matière organique fabriquée par les graminées (ray grass ) constituant la prairie est consommée par les bovins et est utilisée, en partie, par les bovins pour fabriquer leur matière organique (rappelons nous qu une partie est perdue par respiration). Elle est donc également exportée de l agrosystème.dans un écosystème forestier, la matière organique fabriquée par les végétaux chlorophylliens alimente un réseau trophique mais à un moment ou à un autre (chute des feuilles, mort des animaux ) cette matière organique est restituée au sol. Dans un agrosystème, très peu de matière organique est restituée au sol. On peut résumer ce qui précède dans le tableau suivant : Ecosystème forestier Champ de maïs Pâturage Devenir de la production primaire La production primaire alimente un réseau trophique mais au final est restituée au sol. Exportée de l agrosystème sous forme de tiges, feuilles et grains La production primaire permet la production animale (lait, viande) et est donc exportée de l agrosystème Nous savons que les végétaux prélèvent dans le sol les éléments minéraux nécessaires à leur croissance. Nous savons également que dans un écosystème, le prélèvement d éléments minéraux dans le sol par les végétaux est équilibré par une minéralisation régulière de la matière organique morte ; minéralisation assuré par les décomposeurs. Dans le cas d un agrosystème, la situation est différente. Corrigés des activités Séquence 7 SN12 109

En exportant la matière organique, on prive le sol d une source de minéraux. On peut donc supposer qu au fil des années la richesse en éléments minéraux s amenuise à moins que l homme n intervienne On doit réaliser le bilan des entrées et des sorties. Culture de maïs grains Elément chimique Entrées dans le sol en Sorties du sol en kg.ha 1 Bilan (Entrées kg.ha 1 sorties) en kg.ha 1 N Réserve du sol 15 Exportation 131 (15 + 3+ 100 +30) (131 +241) = 224 Apport atmosphère 3 Restitution après récolte 100 Absorption par la culture Diazote de l air fixé par 30 bactéries du sol 241 Culture de maïs ensilage Elément chimique Entrées dans le sol en kg.ha 1 Sorties du sol en kg.ha 1 Bilan (Entrées sorties) en kg.ha 1 N Réserve du sol 15 Exportation 206 (15 + 3+ 52+ 30) (206 + 241) = 347 Apport atmosphère 3 Restitution après récolte 52 Absorption par la culture Diazote de l air fixé par 30 bactéries du sol 241 Ce tableau permet d établir la conclusion suivante. Dans le cas du maïs grain et ensilage, le bilan est négatif ce qui signifie qu à chaque culture il y a davantage d azote exporté du sol que d azote restitué au sol. A chaque culture la réserve en azote diminue de façon importante. Or l azote est un élément essentiel à la croissance de végétaux. Sans apport d azote par l homme, on verrait donc les rendements diminuer de façon considérable. Les engrais apportés par l homme permettent d assurer un équilibre minéral du sol et des rendements optimaux. Les différences constatées entre la culture de maïs grains et ensilage s expliquent par le fait que dans la culture de type ensilage, l exportation de matière organique (grains + feuilles + tiges) est plus importante. Seuls l appareil racinaire et une partie de la tige (chaume) restent sur place et assurent une restitution d éléments minéraux au sol. Le mot d adventices désigne les pantes indésirables dans les cultures. Ce sont les plantes que l agriculteur cherche à éliminer par des moyens mécaniques ou chimiques. Pourquoi sont-elles indésirables? 110 Corrigés des activités Séquence 7 SN12

Le document 4a nous permet de comprendre qu en présence d adventices, la croissance de la plante cultivée est défavorisée. En effet, les plantes adventices exercent une concurrence pour les ressources minérales (eau, sels minéraux) et l énergie solaire. Or ces facteurs sont nécessaires à la photosynthèse et donc à la production de matière organique. Cela est confirmé par le document 4b. On constate que le poids de betteraves par m 2 diminue avec l augmentation du nombre d adventices. L élimination des adventives diminue la biodiversité par effet direct mais également indirect en supprimant tous les organismes (insectes, oiseaux ) liés aux plantes adventices. Dans un agrosystème la diversité végétale est très diminuée au profit de la seule espèce cultivée. On peut également s interroger sur l effet des produits chimiques utilisés pour l élimination des adventices sur la faune du sol et le cycle des décomposeurs. Il en résulte un réseau trophique simplifié et orienté dont l homme est le principal bénéficiaire. Nous constatons qu en 2003 année particulièrement sèche, les rendements en colza, blé, maïs et soja ont diminué de manière importante. Ainsi le rendement de maïs par exemple est passé de 95 à 70 quintaux soit une diminution de 26,3%. Pour produire de la matière organique, les végétaux chlorophylliens ont besoin d éléments minéraux mais également de dioxyde de carbone. (Voir chapitre 1) Or celui-ci est prélevé dans l atmosphère et pénètre dans la feuille, lieu de la photosynthèse, par des structures particulières, les stomates. En cas de stress hydrique les stomates se ferment limitant l entrée de C0 2 dans la feuille et donc la photosynthèse. Lors des années sèches, les végétaux chlorophylliens fabriquent moins de matière organique. Cela se traduit concrètement, sur une culture de blé par exemple, par des tiges plus petites et des épis contenant des grains moins gros. Dans un écosystème, les éléments nutritifs sont restitués au sol. Dans un agrosystème, les plantes cultivées consomment beaucoup d éléments nutritifs. Ces éléments sont exportés au moment de la récolte (dans les grains, les tubercules, les fourrages, les légumes ) et ne sont pas restitués au sol qui s appauvrit. En l absence d apport extérieur, l appauvrissement du sol aura pour conséquence une diminution des rendements. La richesse du sol en éléments nutritifs doit donc être maintenue par l homme. Dans un agrosystème, l espèce cultivée doit bénéficier de conditions de croissance optimales. Cela implique une destruction des espèces pouvant entrer en compétition (en particulier sur le plan trophique) avec l espèce cultivée. Dans un agrosystème la diversité végétale est faible et les réseaux trophiques s en trouvent fortement simplifiés. Corrigés des activités Séquence 7 SN12 111

L eau est un élément clé des agrosystèmes. Un stress hydrique se traduit par une diminution de la production végétale et donc des rendements. Afin de sécuriser les rendements, l homme doit recourir à l irrigation. Activité 2 Questions Comprendre l impact sur l environnement d une fertilisation excessive Le document 7d nous renseigne sur la teneur en nitrates en Bretagne, en Beauce et en Corse. Pour les deux premières régions, on constate que le taux de nitrates dans les eaux souterraines est élevé et parfois supérieur à la teneur maximale tolérée. En Corse, cette teneur en nitrates est beaucoup plus faible. Comment expliquer ces différences? Le document 7 d nous permet d établir une corrélation entre le taux de nitrates et le type d agriculture. L agriculture dominante en Corse est l élevage extensif alors qu en Bretagne ou dans la Beauce l agriculture dominante est intensive (élevage ou/et cultures de céréales). Quelle est l origine des nitrates? Au cours d une année, les agrosystèmes (culture de blé ou pâturage) reçoivent un apport nutritif sous forme d engrais minéraux et / ou organiques (lisier). Dans le sol, ces engrais sont transformés en nitrates, forme sous laquelle les végétaux peuvent assimiler l azote nécessaire à leur croissance mais tous les nitrates ne sont pas absorbés. Ces derniers solubles sont facilement entrainés dans les cours d eau ou les nappes phréatiques par lessivage. Tous les nitrates non utilisés par les végétaux pour leur croissance contribueront donc à enrichir les cours d eau en nitrates. Le devenir des nitrates non utilisés pour la croissance des plantes cultivées 112 Corrigés des activités Séquence 7 SN12

Remarque La putréfaction des tonnes d ulves dégage de l hydrogène sulfuré nauséabond mais aussi néfaste pour les espèces vivantes du milieu. L agriculture intensive peut donc être à l origine du phénomène de marée verte. En effet, les nitrates issus des engrais minéraux ou organiques et non utilisés par les végétaux se retrouvent dans les cours d eau et y favorisent la multiplication des algues vertes. En effet, les algues sont des végétaux chlorophylliens qui, comme une culture, répondent par un accroissement de leur productivité à des doses d azote. On observe donc une «explosion» de la productivité des algues, qui se déposent sur les plages : c est le phénomène des marées vertes. Les phosphates participent également à ce phénomène. Rendements en fonction de l apport en azote 80 60 Rendement en quintaux.ha 1 40 20 0 0 50 100 150 200 250 Masse d azote en Kg.ha 1 Nous constatons qu au-delà de 180 kg.ha 1, la quantité d azote supplémentaire apportée au sol n entraine pas une augmentation mais une diminution du rendement. Cet azote est donc inutile. Il est donc nécessaire de faire correspondre les besoins et les apports. Activité 3 Questions Comprendre le principe de la fertilisation raisonnée En recensant les besoins et les apports on obtient le tableau suivant. Besoins en kg.ha 1 Apports du sol en kg.ha 1 Besoins de la culture = Objectif de rendement x besoin par quintal Azote non extractible par les racines des plants de blé 3 x 70 + 20 Reliquat azote mesuré Minéralisation de l humus. Azote libéré ou mobilisé par le précédent cultural 30 30 0 Azote déjà absorbé par la culture à la fin de l hiver 10 Effet prairie 30 Total des besoins 220 Total des apports 90 On peut déduire la dose d azote à apporter en calculant la différence entre les besoins de la culture et les apports. Corrigés des activités Séquence 7 SN12 113

Dose d azote à apporter = besoins de la culture apports du sol = 220 90 = 130 kg.ha 1. Par conséquent la quantité d azote définie par l agriculteur n est pas adaptée aux besoins de la culture. A noter que la fertilisation azotée représente un coût financier mais également énergétique. Il faut environ un litre de pétrole pour synthétiser un kg de N. Activité 4 Comprendre que le choix d une pratique culturale peut en limiter l impact sur l environnement En août, la quantité d azote minérale dans le sol est de 60 kg.ha 1. cela correspond à l azote qui n a pas été utilisé par le blé pour sa croissance. On nomme cette quantité le reliquat azoté. Dans l itinéraire technique n 1, sous sol nu, la quantité d azote minérale du sol est de 160 kg.ha 1 en octobre alors qu aucun apport d engrais n a eu lieu. L augmentation de l azote du sol à pour origine la minéralisation de l azote organique du sol. En février cette quantité d azote n est plus que de 90 kg.ha 1. Au cours de l hiver, 160-90 = 70 kg d azote (sous forme de nitrates) ont donc été lessivés. Outre le fait que ces nitrates aient rejoint la nappe phréatique ou les cours d eau, ils ne pourront pas être utilisés pour la croissance du maïs. Si une culture de moutarde est implantée après la récolte de blé, la quantité d azote dans le sol en Octobre n est plus que de 30 kg.ha 1. En effet, pour leur croissance les plants de moutarde utilisent les ressources minérales du sol. L azote est donc stocké de façon temporaire dans la biomasse végétale. Cet azote ne sera pas lessivé. A la mort des plants de moutarde une minéralisation de la matière organique moutarde remet l azote minéral à la disposition de la culture suivante. Cet arrêté est justifié car la couverture du sol entre deux cultures permet de réduire le lessivage c est-à-dire l exportation des éléments minéraux. Cette mesure permet donc permet de lutter contre la dégradation de la qualité des eaux souterraines et de surface. Activité 5 Questions Identifier les problèmes posés par l utilisation des pesticides Les pesticides regroupent différentes molécules. Plusieurs types de pesticides sont distingués en fonction des cibles visées. Les insecticides visent à éliminer les insectes, les nématodes (vers), les rongeurs. Les herbicides ciblent les plantes adventices. Les fongicides ont pout but d éliminer les champignons indésirables. Les régulateurs de croissance sont des molécules qui modifient la 114 Corrigés des activités Séquence 7 SN12

physiologie et la morphologie des végétaux. Ils sont utilisés, par exemple, afin de permettre au blé de résister au phénomène de verse en raccourcissant la tige notamment. Aérosols, gaz 1 4 2 3 Activité 6 Lors de l application des pesticides, une partie n atteint pas le végétal (l objectif visé par les pesticides sont les feuilles de végétaux). Une partie se disperse dans l atmosphère et retombe plus tard avec les pluies et une autre partie se retrouve sur le sol. Dans ce dernier cas, les produits chimiques peuvent être lessivés par la pluie et transportés par ruissellement vers les eaux de surface ou s infiltrer dans le sol. On peut s interroger sur l action de ces pesticides sur la vie du sol. Par ailleurs, via les chaînes alimentaires les pesticides peuvent toucher de nombreux êtres vivants. Les organismes absorbent les substances toxiques en même temps que l eau et les nutriments. La concentration des toxines dans les tissus augmente à chaque niveau trophique. Les pesticides représentent donc un véritable danger pour l environnement. Equilibrer les apports et les besoins en eau Pour répondre au problème, on doit mettre en relation les apports et les besoins. L eau peut être apportée par la réserve du sol et les précipitations. L eau fournit par le sol est de 54 mm Pour un hectare on obtient donc : 54/1000 x 10000 = 540 m 3. Corrigés des activités Séquence 7 SN12 115

Les précipitations apportent 369,8 mm d eau. Il faut retrancher 20% perdue par ruissellement ce qui donne 369,8 (369,8 x 20/100) = 295,84 mm. Pour un hectare on obtient donc 295,84/1000 x 10000= 2958 m 3. Les apports d eau s élèvent donc à 2958 + 540 = 3498 m 3. On met ce résultat en relation avec les besoins du maïs qui sont estimés à 5800 m 3. On constate que le déficit hydrique s élève à 3498 5800 = 2301 m 3. Par ailleurs le document montre que les besoins en eau du maïs évoluent au cours du cycle végétatif. Ils sont maximum en Juillet quand le taux de précipitation est le plus bas. On peut conclure de cette analyse qu un supplément hydrique devra être apporté par irrigation afin de sécuriser le rendement. Activité 7 Les pyramides des énergies et l alimentation humaine Les pyramides des énergies permettent de comparer les flux d énergie le long de deux chaines alimentaires. Toutes les chaines alimentaires commencent par un niveau de producteurs primaires, qui utilisent l énergie solaire et fixent le Carbone (PP). Dans le champ de blé en Hollande, la quasi totalité de la production primaire est prélevée par l Homme pour la production de farine. BLE (PP) è HOMME (CI) Dans ce cas, l Homme est consommateur de premier ordre (CI), il consomme directement le végétal. Dans la prairie pâturée en France, l Homme entretient une prairie pour nourrir des animaux, qui produisent de la viande et du lait. HERBE (PP) è VACHE (CI) è HOMME (CII) Dans ce cas, l Homme est consommateur de second ordre (CII), il consomme des produits d origine animale, issus d herbivores. D un niveau trophique à l autre, il y a des pertes de matière et donc d énergie. Elles correspondent à de la matière non utilisée, mais surtout à la respiration et aux déchets. Plus la chaine alimentaire est longue, plus les pertes sont importantes. D un strict point de vue énergétique, la position de l Homme CI est plus rentable qu en CII. Il est alors possible de calculer en théorie combien d Hommes pourraient être nourris par un hectare de blé ou un hectare de prairie : Champ de blé : La productivité en grains utilisables par l Homme est de 47,9 millions de KJ.ha.an 1 ; les grains sont digestibles à 80%, il reste donc 38,3 millions de KJ.ha 1.an 1 pour la consommation humaine. 116 Corrigés des activités Séquence 7 SN12

Prairie pâturée : La productivité secondaire (viande + lait) est de 21,7 millions de KJ.ha 1.an 1 ; après nourrissage des veaux avec le lait, il reste 11,1 millions de KJ. ha 1.an 1 digestibles à 90%, donc 10 millions sont consommés par l Homme. Or, pour nourrir un Homme pendant un an il faut 4,1 millions de KJ. Ainsi, un hectare de blé pourrait théoriquement nourrir 9,3 Hommes, contre seulement 2,4 individus consommateurs de viande. Activité 8 Mesurer l impact d une alimentation riche en viande à l échelle de la planète Viande en kg Céréales en kg Bovin 29,2 29,2 x 7 = 204,4 Porc 38,7 38,7 x 4 = 154,8 Volaille 28,6 28,6 x 2 = 57,2 Total 96,5 416,4 kg L inde devrait produire 1,2.10 9 x 416,4/1000 soit 499.10 6 tonnes de céréales par an soit multiplier sa production de céréales annuelle par 2,35. Cela ne serait pas possible car L inde exploite déjà 83 % de sa surface cultivable Activité 9 Des pistes pour les protéines du futur : Demain, manger autre chose? Viande de Kangourou Viande d insectes Viande synthétique Avantages Viande maigre Peu de production de CO 2 La ressource est importante Très riches en protéines, sels minéraux, acides gras saturés (ce sont les «bonnes graisses», acides aminés essentiels ( ces sont les acides aminés que le corps ne peut pas fabriquer : il faut donc se les procurer dans l alimentation), vitamines. Apport calorique limité Les insectes sont présents partout L élevage est simple, facilement industrialisable. Descendance nombreuse en peu de temps. Pas besoin d élevages couteux. Les animaux sont épargnés Inconvénients Pas d élevage possible Ne font pas partie de la culture alimentaire en Europe. Ont tendance à accumuler les toxiques des chaines alimentaires (comme tous les prédateurs, et les animaux soumis aux intrants). Impossible à produire en grande quantité. Le prix de revient est faramineux. Corrigés des activités Séquence 7 SN12 117

Correction des activités du chapitre 3 Activité 1 Questions Les surfaces cultivables sont limitées Pays Superficie totale en km 2 Superficie cultivable en km 2 Superficie cultivable en % de la superficie totale Pop. (10 6 hab.) Surface cultivable en ha par habitant France 547030 195190 35,6 64 0,3 Kenya 582650 57000 9,7 40 0,14 Yemen 528970 16250 3,07 24 0,06 Tchad 1284000 43300 3,37 11 0,39 Niger 1267000 147350 11,62 16 0,91 Etats Unis 9631420 1731580 17,9 310 0,55 Inde 3287590 1695000 51,55 1170 0,14 Mexique 1970550 269000 13,65 112 0,24 Chine 9598093 1528310 15,9 1330 0,11 Australie 7741220 445300 5,75 21 2,1 Les conclusions Explication Conséquence On constate de fortes différences. Ainsi le Kenya et la France ont une surface totale quasi-identique mais la surface cultivable au Kenya est 4 fois plus petite. Le Mexique est 3,6 fois plus grand que la France et sa surface cultivable est à peine grande que celle de la France. On constate qu une faible partie du territoire peut être mise en culture. En effet, un climat trop sec ou trop froid ne permet pas de culture pas plus qu un sol trop pentu ou trop pauvre. Cela constitue une limite physique à l expansion de l agriculture. Le rendement moyen en France est de 75 quintaux ce qui permet de produire 75 x 75/100 = 56,25 quintaux de farine soit 5625 kg. La consommation annuelle par personne est de 130 x 365 = 47450 g soit 47,45 kg. Un hectare peut donc nourrir 5625/47,45 = 118, 5 personnes. Un hectare de blé au Tchad pourrait nourrir 20 x 100 x 0,75/47,45 = 31,61 personnes. Au Tchad, en Afrique sub-saharienne la surface cultivable par habitant est supérieure à celle de la France mais ce 118 Corrigés des activités Séquence 7 SN12

constat doit être relativisé. En effet, la productivité d un hectare au Tchad n est pas la même que celle d un Hectare en France Activité 2 Questions L impact de l agriculture sur les sols Région du monde Etat des sols Type de dégradation Origine de la dégradation Extensif ou intensif Australie de l ouest Moyennement dégradés Erosion par le vent Surpâturage Extensif Soudan (Afrique sub-saharienne) Moyennement à très dégradés Erosion par le vent Erosion par l eau Surpâturage Extensif Rondônia (Etat du brésil) Moyennement à très dégradés Erosion par l eau Dégradation chimique déforestation Intensif Chine (Nord est) Très dégradés Erosion par le vent Activité agricole Intensive Bretagne Moyennement dégradés Dégradation chimique Activité agricole Intensive Beauce Moyennement dégradés Dégradation physique Activité agricole Intensive Les sols se forment très lentement mais se dégradent très rapidement. L érosion par l eau ou le vent est le principal facteur de dégradation des sols. L érosion peut être d origine naturelle mais est le plus souvent d origine anthropique ou accentuée par l homme par la déforestation, le surpâturage. A cela s ajoute une dégradation chimique des sols par salinisation, appauvrissement en matières organiques, acidification, utilisation excessive de pesticides, de nitrates, phosphates Activité 3 Questions L érosion des sols en Manchourie Pour fabriquer 1 mètre de sol, il faut 400/0,01 = 40 000 ans. Sa disparition par érosion nécessite 100 ans. L article nous indique que chaque année les sols perdent une forte quantité d éléments minéraux. Or nous savons que ces éléments minéraux sont nécessaires à la production de matière par les végétaux chlorophylliens.il semble donc y avoir une contradiction entre l état des sols et les rendements obtenus. On peut supposer que la perte d éléments nutritifs liée à l érosion est compensée par un apport plus important d engrais chimique. [Non attendu] Dans certaines régions de Manchourie, 300 kg d azote hectare sont utilisés par hectare (moyenne en France = 180 kg.ha 1 ) ce qui pose des problèmes d ordre économique et écologique. L humus qui est de couleur noire est un mélange de différents composés organiques qui proviennent de la minéralisation de la matière Corrigés des activités Séquence 7 SN12 119

organique morte (litière notamment) par les microorganismes du sol. Ce sont les forêts qui couvraient ces régions, avant la mise en culture, qui sont à l origine de la formation de cet humus.l humus associé aux argiles forme le complexe argilo humique qui retient les ions positifs apportés par les engrais. C est donc un élément essentiel de la fertilité des sols. Activité 4 Questions L eau, une ressource renouvelable mais inégalement répartie La ressource en eau renouvelable d un pays correspond au volume d eau de surface ou souterraine renouvelé chaque année grâce aux pluies. Surface cultivées (1 000 ha) 2 Surface irriguées (1 000 ha) 2 Terres irriguées en % des terres cultivées Prélèvements en eau pour l agriculture (km 3.an 1 ) Total des ressources en eau renouvelables (km 3.an 1 ) Prélèvement en eau pour l agriculture en % du total des ressources renouvelables Arabie Saoudite 1620 1620 100 15,42 2,4 643 Brésil 65200 2870 4 36,1 8233 0,4 Chine 135365 52878 39 414,76 2829 14,6 France 19517 2000 10 3,56 203 2 Inde 169650 57000 34 556 1896 29 Israël 440 199 45 1,28 1,67 76 Madagascar 3108 1090 35 14,31 337 4 Maroc 9976 1291 13 11,36 29 39 Mexique 27300 6500 24 60,34 457 17 Pakistan 21970 18000 82 161,84 222 73 Soudan 16900 1950 12 36,07 64,5 56 Viet Nam 7250 3000 41 48,62 891 5 L eau est inégalement répartie à la surface de la planète. On constate que dans certains pays, une grande partie des eaux disponibles (Israël, Pakistan) est utilisée à des fins agricoles et il semble difficile d augmenter les prélèvements ; l Arabie Saoudite doit prélever de l eau dans les nappes fossiles (ce qui explique que le prélèvement en eau pour l agriculture soit supérieure aux ressources renouvelables). Or l eau est un facteur essentiel à la production agricole Activité 5 Questions Révolution verte et ressource en eau En culture pluviale, les plantes cultivées ne bénéficient que de l eau apportée par les précipitations qui, comme nous le savons, sont 120 Corrigés des activités Séquence 7 SN12

aléatoires. En agriculture irriguée, l eau est partiellement fournie par l homme. Les plantes bénéficient donc de l eau apportée par les précipitations et de celle apportée par l irrigation. Il est possible, en agriculture irriguée, de s adapter parfaitement aux besoins du végétal. Le document 5 présente la production céréalière en fonction de l eau utilisée, pour deux types de variétés de riz : variétés traditionnelles et des variétés à fort rendement. Nous constatons que pour un apport d eau équivalent à 4000 m 3 par hectare, la production est plus élevée pour la variété traditionnelle que pour la variété à fort potentiel. Pour un apport d eau équivalent à 6000 m par hectare la production des variétés à fort potentiel est deux fois plus élevée que celle des variétés traditionnelles. Les variétés à haut rendement produisent davantage que les cultures pluviales seulement si elles reçoivent un apport en eau suffisant. Afin d apporter l eau nécessaire à l exploitation du potentiel des variétés à fort rendement, les agriculteurs du Pendjab ont puisé dans les ressources en eau disponibles dans les nappes phréatiques. Le document 6 présente les besoins en eau selon les plantes cultivées. On constate que ces besoins sont très variables. Ainsi les besoins en eau du haricot sont deux fois moindre que ceux du riz. Une réponse pourrait constituer au remplacement de la monoculture de céréale par une polyculture. Activité 6 Questions Le bilan énergétique à l échelle d une exploitation agricole Emission de gaz à effet de serre Gaz Tonnes Tonnes équivalent C0 2 % CO 2 60 60 16 CH 4 8,4 210,16 56 N 2 O 0,35 105,08 28 60 + 210,16 + 105,08 =375,24/250200 = 0,0014 t = 1,5 kg par litre de lait produit. Les principales sources de C0 2 sont l utilisation des machines agricoles mais également la fabrication de fertilisants. Remarque : Il faut plus d une tonne de fuel pour fabriquer, transporter et épandre une tonne d engrais azoté. Le fumier contient de la matière organique. La décomposition de la matière organique au contact de l air libère du C02. Le méthane provient essentiellement des animaux. En effet, la digestion des fourrages par les ruminants produits du méthane qui est ensuite éructé par l animal. Le méthane provient également du fumier et des lisiers composés d excréments animaux. Corrigés des activités Séquence 7 SN12 121

La décomposition de la matière organique contenue dans le lisier et fumier, en absence d 0 2, libère une quantité importante de méthane. Le protoxyde d azote a pour origine la fertilisation azotée. Il est produit par les bactéries au cours de processus de nitrification et/ou dénitrification. Voir cycle de l azote dans le chapitre précédent 3,06 x 2502000 / (4608 x (250200/1000) = 0,66 ce qui signifie que la valeur énergétique des aliments produits est inférieure à celle utilisée pour les produire. Activité 6 Le semis sur couvert végétal (SCV) Nous savons que les pesticides ciblent les plantes adventices qui entrent en compétition trophique avec les plantes cultivées. En présence d une couverture végétale permanente, ces adventices ne peuvent pas se développer ou du moins leur développement est limité ce qui permet de limiter l usage des pesticides.une utilisation réduite de pesticides est favorable au développement d une activité biologique intense.la plante de couverture stocke dans sa matière des éléments minéraux prélevés dans le sol évitant ainsi le lessivage et donc l exportation de ces éléments hors de l agrosystème. Lorsque cette plante de couverture est détruite, la matière organique morte sera petit à petit minéralisée par les microorganismes du sol. Cette minéralisation permettra d enrichir en éléments minéraux le sol ; éléments minéraux qui pourront être utilisés par la plante cultivée pour sa croissance. A noter que ces plantes de couverture sont choisies pour leur système racinaire qui leur permet de remonter et recycler les éléments minéraux situées dans les couches les plus profondes du sol. La présence d une couverture végétale limite l érosion par l eau. En effet, lors de pluies intenses, en absence de couverture végétale, la partie superficielle du sol est souvent éliminée ce qui diminue la fertilité du sol. [non attendu] La matière organique des sols est un élément important du sol favorisant la fertililité du sol et sa résistance à l érosion. 122 Corrigés des activités Séquence 7 SN12

C orrection des exercices Exercice 1 Questions Exercice 2 Exercice 3 Questions Restitution de connaissances 90 cm d eau par hectare ce qui représente un volume de 0,9 x 10 000 = 9000 m 3. Ce volume de 9000 m 3 contient 800 x 9000 x 1000 =72.10 8 mg soit 7,2 tonnes. Sur une période de un an, l irrigation d une culture sur une surface peut déposer plus de 7 tonnes de sel sur le sol. Les signes les plus distincts des dommages dus à la salinité sont une mauvaise croissance des récoltes et une baisse des rendements. Les récoltes peuvent tolérer la salinité jusqu à certains niveaux sans perte mesurable dans leurs rendements (seuil de salinité). Quand le seuil de salinité est dépassé, le rendement des récoltes réduit linéairement à mesure que la salinité augmente. Certains ions toxiques pour les végétaux peuvent s accumuler dans le sol. [Non attendu] l accumulation de sels dans le sol augmente la pression osmotique ce qui rend plus difficile la mobilisation d eau par le végétal. Sous climat humide, les précipitations survenant au cours de l hiver ou au cours de la saison des pluies entraînent un lessivage des sels accumulés au cours de la période sèche ou estivale. Cette méthode permet de réguler la population d insecte ravageurs de culture en utilisant ses ennemis naturels. En se substituant aux produits chimiques cette méthode préserve l environnement tout en étant d un moindre coût économique. Cette méthode suppose cependant une connaissance précise des interactions existant entre les différentes populations animales. Par ailleurs, l élimination de la population d insectes ravageurs ne peut être totale ce qui implique une perte de rendement et parfois la mise en place de méthodes complémentaires. On qualifie de procaryote les cellules qui ne possèdent pas d organites (noyau, mitochondries ). Le terme d anaérobie indique que ces bactéries peuvent vivre dans un milieu dépourvu d 0 2. Le produit final de ces bactéries est le méthane. Les eaux stagnantes des rizières sont pauvres en 0 2 créant ainsi des conditions favorables au développement des bactéries méthanogènes. Corrigés des exercices Séquence 7 SN12 123

Exercice 4 Questions Des bactéries dégradent la matière organique des rizières en C0 2 + H 2 ou acide acétique qui peuvent être métabolisés par les bactéries méthanogènes produisant du méthane qui est un gaz à effet de serre. Le drainage permettrait de renouveler l 0 2 des zones aérobies des rizières favorisant le développement des bactéries méthanotrophes (qui se nourrissent de méthane). Ces bactéries pourraient consommer le méthane produit par les bactéries méthanogènes.seul le méthane non consommé par ces bactéries est donc émis dans l atmosphère. Moins de méthane dans l atmosphère implique une réduction de l effet de serre. Dans les années 1970, l utilisation des carbamates s est montrée efficace pour lutter contre les pucerons. En se fixant sur les molécules d acétylcholinestérase, les molécules de carbamate inhibent cette enzyme. Par conséquent les molécules d acétylcholine présentes dans l espace synaptique ne sont pas détruites et continuent d activer les récepteurs situés sur le neurone post-synaptique ce qui entraine la mort de l insecte. En 2010, on constate que ces molécules sont moins efficaces. Une partie de la population de pucerons semble résister au traitement. Comment l expliquer? On peut observer chez les insectes résistants, la présence de molécules d acétylcholinestérase modifiées. Les molécules de carbamate ne peuvent plus se fixer sur les molécules d acétylcholinestérase modifiées. Par conséquent les molécules d acétylcholine sont hydrolysées et l insecte survit. Comment expliquer «l apparition» d acétylcholinestérase modifiée?on peut esquisser le scénario suivant. Dans la population de pucerons, une mutation a été à l origine de l apparition d une d acétylcholinestérase modifiée. Rappelons que l acétylcholinestérase est une protéine. Les pucerons porteurs de cette mutation ont survécu au traitement contrairement aux autres, se sont reproduits transmettant la mutation aux générations suivantes. Au fil de générations les pucerons porteurs de la mutation sont devenus de plus en plus nombreux mettant en échec l insecticide utilisé. Les insecticides sécurisent les rendements en protégeant les récoltes des attaques des ravageurs mais nous savons également que les insecticides sont à l origine de problèmes environnementaux : dispersion dans l environnement (eau, sol), accumulation dans les chaines trophiques et nous venons de découvrir qu ils pouvaient sélectionner des populations résistantes. Ces constats laissent à penser que de nouvelles solutions devront émerger. 124 Corrigés des exercices Séquence 7 SN12

Séquence 8 Sommaire Correction des activités du chapitre 1 Correction des activités du chapitre 2 Correction des exercices Corrigés des activités Séquence 8 SN12 125

Correction des activités du chapitre 1 Activité 1 Les structures protégeant et permettant le fonctionnement de l œil. Vue externe de l œil Les glandes lacrymales glande lacrymale pupille iris sourcil paupière supérieure cils paupière inférieure conduit lacrymonasal trajet des larmes narine Les muscles commandant les mouvements oculaires muscles rubanés muscle conjonctive nerf optique orbite Corrigés des activités Séquence 8 SN12 127

Activité 2 Les différentes parties de l œil impliquées dans les phénomènes visuels = titre de l activité Coupe transversale d un œil droit humain conjonctive recouvrant la cornée muscles ciliaires ligaments iris pupille cornée humeur aqueuse cristallin muscle sclérotique : enveloppe blanche résistante choroïde de couleur noire rétine fovéa au niveau de la macula axe optique point aveugle nerf optique humeur vitrée milieux transparents Activité 3 Le rôle du cristallin dans la formation des images sur la rétine Comparaison de l œil et d un appareil photo numérique Les structures de l œil La cornée et le cristallin L iris et la pupille de diamètre variable La rétine où se forment les images. La lumière y est convertie en messages nerveux. Les composants d un appareil photo numérique L objectif Le diaphragme dont l ouverture est variable La lumière transmise par l'objectif vient frapper une grille d'éléments récepteurs (cellules photosensibles) qui constituent le capteur. Cette lumière est transformée en impulsion électrique. Le cristallin est une lentille transparente, biconvexe à bords minces, ou convergente, qui fait converger les rayons lumineux sur la rétine. le cristallin est une lentille souple et déformable : lors de la vision d un objet proche, il peut se déformer, ce qui modifie sa vergence et assure la netteté des images qui se forment sur la rétine. Il est responsable du phénomène d accommodation. La lecture est une tâche réalisée à courte distance des yeux. Elle nécessite par conséquent une accommodation, une contraction de la pupille et une convergence des deux yeux presque continuelles. De longues séances de lecture peuvent ainsi causer une fatigue oculaire. 128 Corrigés des activités Séquence 8 SN12

S il est nécessaire de lire pendant un laps de temps prolongé, il est souhaitable de lever les yeux et de regarder au loin afin de décontracter les muscles à l origine de l accommodation et de la contraction de la pupille. Les schémas ont été réalisés dans le cas d un objet placé à la même distance et pour un même diamètre de la pupille. La formation d une image sur la rétine dans le cas d un objet rapproché pour un œil normal OBJET Image nette sur la rétine Le cristallin s arrondit : il y a augmentation de la courbure des surfaces La formation d une image dans le cas d un objet rapproché, si le mécanisme d accommodation n existait pas. OBJET Image floue sur la rétine Cristallin aplati Activité 4 Transparence et fonctionnement des cellules du cristallin muscles cilières ligaments iris cornée milieux transparents de l œil cristalin humeur aqueuse lumière humeur vitrée Les caractéristiques des cellules du cristallin en relation avec sa fonction : Les cellules du cristallin sont transparentes dans la zone centrale du cristallin où passe la lumière car : elles ont une forme en ruban, la lumière arrivant perpendiculairement à leur surface ; Corrigés des activités Séquence 8 SN12 129

elles sont étroitement juxtaposées ; elles ne possèdent pas d organites ( noyau, mitochondries ) ; elles contiennent des protéines, les cristallines, organisées en un réseau homogène ; elles sont vivantes et échangent en permanence avec l humeur aqueuse : apport de nutriments et élimination des déchets. Les cellules du cristallin sont souples et déformables, ce qui permet l accommodation. Chez les eucaryotes, La transcription est le mécanisme se déroulant dans le noyau, par lequel un ARN pré-messager est synthétisé par complémentarité avec le brin transcrit de l ADN d un gène, grâce à l action d une enzyme, l ARN-polymérase. Après une éventuelle maturation, L ARN messager, copie éphémère du gène, est traduit en protéines dans le cytoplasme. Les cellules de la partie centrale du cristallin, bien que dépourvues d organites, ont une longévité exceptionnelle puisqu elles ne meurent pas et ne sont jamais éliminées, alors que d autres cellules, telles les cellules de la peau, les globules rouges, ont une durée de vie limitée. Les cellules de la partie centrale du cristallin possèdent dans leurs membranes différents canaux protéiques assurant tous les échanges nécessaires à leur survie : entrée de nutriments et sortie des déchets de leur métabolisme. Des canaux assurant le passage de l eau sont regroupés avec d autres types de canaux permettant le passage par exemple des ions et du glucose. Les cristallines organisées en réseau ordonné se traduisant par un aspect de gel optiquement homogène ne sont jamais renouvelées. Activité 5 Des anomalies de la vision dues au vieillissement L évolution de l accomodation en fonction de l âge Accomodation (dioptries) 14 12 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Age (années) 130 Corrigés des activités Séquence 8 SN12

L évolution de la distance du punctum proximum en fonction de l âge Distance du Punctum remotum (cm) 250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Age (années) Quelle relation y-a-t-il entre la capacité d accommodation d un individu et le fait qu il soit atteint de presbytie? On constate que la faculté d accommodation liée à la déformation du cristallin diminue avec l âge (document 14 b), ce qui fait que le punctum proximum s éloigne (document 14 c). La modification de la forme du cristallin, nécessaire pour la vision rapprochée se fait de moins en moins bien : les objets rapprochés deviennent flous. L individu est atteint de presbytie. La cataracte est une pathologie de l œil qui peut apparaître avec l âge et entraîner une quasi cécité. On cherche à établir quelles en sont les causes et les conséquences sur la perception visuelle. Quel traitement proposet-on aux personnes atteintes? Y-a-t-il des moyens de prévention? La presbytie et la cataracte, deux anomalies de la vision liées au vieillissement du cristallin. Presbytie Cataracte Structure altérée Cristallin Modifications de la structure Document 14 Les cellules du cristallin deviennent moins élastiques avec l âge. Documents 15 a et 15 b : Le cristallin s opacifie. Le cristallin jaunit et devient légèrement laiteux avec l âge. Document 15 b : La diminution de la transparence est à mettre en relation avec des modifications se situant au niveau des membranes cellulaires : Corrigés des activités Séquence 8 SN12 131

Conséquences sur la perception visuelle Traitement proposé Prévention possible Documents 14 a,14 b et 14c : Avec l âge, la vision des objets rapprochés devient flou, car le cristallin prend de moins en moins facilement la forme bombée nécessaire à l augmentation de sa vergence. Le punctum proximum, point le plus proche que l on peut voir distinctement avec une accommodation maximale, s éloigne. L accommodation ne se fait plus. Document 14 : La presbytie nécessite le port de lunettes avec des verres convergents, qui ne sont pas nécessaires par contre, pour la vision de loin. - Les canaux permettant le passage de l eau sont associés en plaque de plus grande taille et les autres canaux assurant le passage des métabolites (ions, glucose) sont absents. Ces modifications moléculaires expliquent le manque d'adhérence (l eau remplit les espaces intercellulaires), l'accumulation de déchets dans les cellules et les défauts de transport de l'eau, des ions et du glucose. - Le métabolisme des fibres diminue, ce qui entraîne la précipitation des cristallines à l origine de la déstructuration de leur réseau. Document 15a : La perception visuelle est altérée au niveau des couleurs et des formes: ainsi, le peintre Claude Monet, suite à l apparition d une cataracte, a modifié sa palette de couleurs en la déplaçant vers les teintes jaune, rousse et marron. On peut également constater au niveau de ses tableaux une dégradation des formes. A terme, la cataracte ne permettant plus le passage de la lumière, l individu est atteint de cécité. Document 15 c : On enlève le cristallin opaque lors d une intervention sous anesthésie locale et on le remplace par un cristallin artificiel. Document 15 d : Comme il existe une relation entre l exposition solaire cumulative et le risque d apparition de cataracte, il est recommandé de porter des lunettes de soleil dont les verres sont de bonne qualité prévues pour protéger les yeux des UV solaires. 132 Corrigés des activités Séquence 8 SN12

Activité 6 Localisation des photorécepteurs dans la rétine La lumière traverse toutes les couches de la rétine avant d atteindre les photorécepteurs. Les messages nerveux sont transmis au cerveau par les fibres nerveuses des neurones ganglionnaires ou cellules ganglionnaires. axe optique Lumière Humeur vitrée Messages Messages nerveux Lumière Fibre nerveuse qui va participer à la formation du nerf optique. Neurones (cellules) ganglionnaires. Neurones (cellules) bipolaires. œil droit Photorécepteurs. Cellules pigmentaires. Choroïde Activité 7 Les bâtonnets et les cônes, des récepteurs sensibles à la lumière Le document 19 représente la densité des photorécepteurs rétiniens, bâtonnets et cônes le long d une coupe de la rétine passant par le point aveugle et la fovéa. La zone montrant une interruption des courbes du côté nasal correspond à une zone ne présentant pas de photorécepteurs, c est-à-dire ni bâtonnets, ni cônes : il s agit du point aveugle qui est le point de départ du nerf optique, constitué par l ensemble des fibres nerveuses issues des neurones ganglionnaires de la rétine. La rétine centrale correspondant à la fovéa (point zéro du graphe) ne présente que des cônes dont la densité est de 140000.mm -2. La rétine périphérique correspondant à une excentricité de 70 ne présente quasiment que des bâtonnets ; Corrigé devoir autocorrectif 3 Séquence 8 SN12 133

La répartition des photorécepteurs au niveau de la rétine Lumière La fovéa : (au niveau de la tâche jaune, macula) : il n y a que des cônes. La zone périphérique : plus on s éloigne de la fovéa, moins il y a de cônes qui sont peu à peu remplacés par des bâtonnets. La «tache aveugle» correspondant à la zone de convergence de toutes les fibres du nerf optique (un million de fibres). Elle est dépourvue de récepteurs, donc «aveugle». Point de fixation 1 2 3 Position pour laquelle le cercle noir n est pas visible Le document 20 permet de mettre en évidence une zone rétinienne aveugle qui correspond à la papille point de départ du nerf optique uniquement constituée de fibres nerveuses des cellules ganglionnaires. L absence dans cette zone de bâtonnets et de cônes (document 19) entraîne par conséquent, une absence de perception visuelle. On peut donc supposer qu il s agit de cellules sensibles à la lumière permettant la perception des images lumineuses qui se forment sur la rétine. Nerf optique Fovéa Point aveugle Un peu d histoire Cette expérience s appelle l expérience de Mariotte. C est au XVIIe siècle, en procédant à la dissection d un oeil humain, que le physicien français Edme Mariotte découvrit la tache aveugle, région de la rétine où se rattache le nerf optique au globe oculaire. Il soupçonne qu étant dépourvue de cellules, la lumière ne devait pas stimuler cette région et que, par conséquent, chaque oeil devait posséder une «tâche aveugle», une petite région du champ visuel où il est aveugle. 134 Corrigés des activités Séquence 8 SN12

Le champ visuel n est pas le même pour toutes les longueurs d onde de la lumière : il existe un champ visuel en relation avec une sensibilité au vert peu étendu, un champ visuel en relation avec une sensibilité au rouge et au bleu. On peut supposer qu il existe de même des photorécepteurs sensibles au vert, des photorécepteurs sensibles au rouge et d autre au bleu, et que les différentes catégories n ont pas la même répartition. Activité 8 Identifier les fonctions différentes des bâtonnets et des cônes Il s agit de comparer les intensités lumineuses minimales nécessaires pour que les bâtonnets et les cônes répondent à la stimulation. Conditions de l expérience = ce que les chercheurs ont fait. On a mesuré le seuil de réponse (plus petite intensité lumineuse capable de déclencher une sensation visuelle) des bâtonnets et des cônes en fonction de la longueur d onde. Les résultats observés Pour une longueur d onde de 500 nm les bâtonnets réagissent pour une intensité lumineuse de 1 Lux Les bâtonnets ne réagissent plus pour des intensités lumineuses élevées. Il existe 3 types de cônes qui présentent des seuils de réponse pour des longueur d onde différentes : les cônes 2 et 3 ont un seuil de réponse équivalent, correspondant à une intensité d environ 10 3 Lux. Le seuil de réponse des cônes 1 correspond à une intensité d environ 10 4 Lux. Les déductions Les bâtonnets ont un seuil de réponse beaucoup plus faible que les cônes. Ils sont extrêmement sensibles à la lumière et fonctionnent en faible éclairement. Ils ne fonctionnent pas pour des niveaux élevés d éclairement. Les cônes ne fonctionnent que si la luminosité est relativement importante : ils sont moins sensibles à la lumière. Le fonctionnement des cônes exige une luminosité plus importante que celui des bâtonnets. Dans les conditions de très faible éclairement, seuls les bâtonnets sont activés puisqu ils sont très sensibles à la lumière leur seuil de réponse étant faible : un bâtonnet peut répondre à un unique photon. Ils interviennent lors de la vision nocturne. Dans des conditions d éclairements plus importants (éclairage intérieur, lumière du jour), les bâtonnets sont saturés (document 16) : ils ne contribuent plus à la vision. Seuls les cônes sont alors actifs puisque leur seuil de réponse est élevé : il faut plus de 100 photons pour activer un cône. Ils interviennent lors de la vision diurne. Corrigés des activités Séquence 8 SN12 135

Il s agit d établir une relation entre l absorption par les bâtonnets et les cônes des radiations lumineuses pour différentes longueurs d onde et leurs rôles dans la vision des couleurs. Conditions de l expérience = ce que les chercheurs ont fait. On a mesuré l importance de l absorption des radiations lumineuses par les bâtonnets et les cônes, en fonction de leur longueur d onde autrement dit de leur couleur. Les résultats observés Les bâtonnets sont sensibles à une grande partie du spectre visible. Ils présentent un maximum d absorption pour des radiations de longueur d onde de 498 nm (cyan = bleu-vert) On distingue 3 types de cônes : cônes S dont le maximum d absorption correspond à des radiations de 420 nm (bleu) Cônes M dont le maximum d absorption correspond à des radiations de 534 nm (vert) Cônes L dont le maximum d absorption correspond à des radiations de 564 nm (jaune). Ils sont suffisamment sensibles aux radiations rouges pour répondre à la lumière rouge. Les déductions Comme les bâtonnets interviennent essentiellement en vision nocturne (document 16) pour de faible intensité de l éclairement (document 17), ils ne nous permettent pas de distinguer les couleurs : les objets apparaissent en niveaux de gris. Chaque type de cônes est plus efficacement activé par une longueur d onde particulière de la lumière dans la gamme de la couleur qui lui donne son nom (cônes S, M et L). En vision diurne (document 16), l existence de trois types de cônes (cônes S, M et L) ayant chacun un spectre d absorption différent permet la vision des couleurs. L existence de trois populations de cônes sensibles au «bleu» au «vert» et au «rouge» est responsable de la vision des couleurs. Remarque Les bâtonnets sont les seules cellules impliquées dans la vision crépusculaire et nocturne. Les cônes qui nous permettent de distinguer les couleurs ne sont pas stimulés dans ces circonstances. C est pour cette raison qu au crépuscule tous les objets nous apparaissent bleutés, grisés (Ne dit-on pas : «la nuit, tous les chats sont gris»). Les animaux aux mœurs nocturnes ont des rétines riches en bâtonnets (chauves-souris, chouettes). Chaque type de cônes a un spectre d absorption plus étendu : Les cônes L sont sensibles au rouge, orange et jaune, un peu moins au vert, et un peu au bleu, mais pas au violet 136 Corrigés des activités Séquence 8 SN12

Les cônes M sont sensibles au vert, moins au rouge et au jaune, Ils sont aussi un peu sensibles au bleu Les cônes S sont sensibles au cyan, au bleu et au violet Ainsi, une lumière colorée donnée est donc plus ou moins absorbée par plusieurs types de cônes. Par exemple, si les cônes L et M sont stimulés simultanément, nous percevrons une couleur jaune ou orange selon la population de cônes la plus fortement stimulée. Un seul type de photorécepteur ne peut à lui seul renseigner sur la couleur d un objet. C est donc l activité relative des trois ensembles de cônes qui diffère selon les stimuli lumineux de différentes longueurs d onde et qui rend l œil humain sensible à des milliers de nuances. La perception des couleurs est le résultat d une combinaison du fonctionnement des trois types de cônes. Les cônes commencent à contribuer à la perception visuelle à un niveau voisin de la lumière des étoiles (document 22) et ils sont seuls à fonctionner aux luminosités relativement élevées (documents 22 et 23). L activité relative des trois ensembles de cônes (cônes à longueur d onde courte, moyenne et longue ou encore cônes sensibles au bleu, au vert et au rouge) est à l origine de la vision des couleurs (document 24). Ils permettent de plus une acuité visuelle maximale (document 22). La plus grande part de ce que nous considérons comme la vision est par conséquent due aux cônes. Remarque Les individus dont les cônes ne sont plus fonctionnels sont légalement aveugles ; ceux qui ont perdu l usage des bâtonnets ont des difficultés à voir aux niveaux d éclairements faibles (cécité nocturne). Activité 9 Naissance de messages nerveux dans la rétine suite à des stimulus lumineux Il s agit de montrer que la lumière, reçue par les bâtonnets et les cônes, est convertie en messages nerveux qui quittent l œil par le nerf optique. Conditions de l expérience = ce que les chercheurs ont fait L'électrorétinogramme ou ERG, enregistre l'activité électrique des photorécepteurs et des couches rétiniennes plus internes (à l'exception des cellules ganglionnaires) suite à un flash lumineux, d une durée inférieure à 5ms. Les résultats observés On constate que suite, l activité électrique de l ensemble de ces cellules varie pendant un court instant. Les déductions Le flash lumineux est à l origine d une variation d activité électrique des cellules rétiniennes telles que les photorécepteurs. Corrigés des activités Séquence 8 SN12 137

La variation d activité électrique des cellules ganglionnaires n étant pas mise en évidence par l ERG, on enregistre cette fois ci l activité électrique d une fibre d une cellule ganglionnaire dans l obscurité puis suite à un flash lumineux. Avant le flash lumineux, à l obscurité : La fibre présente une activité électrique de base : les signaux sont enregistrés à une certaine fréquence. Pendant le flash, la fréquence des signaux électriques enregistrés augmente. Lors du retour à l obscurité, la fréquence des signaux redevient similaire à la fréquence du début. La lumière a entraîné l augmentation de la fréquence de base des signaux électriques. Elle est à l origine d une modification de l activité électrique de la cellule ganglionnaire. Si l on ajoute les informations fournies par les deux types d enregistrement, on peut dire que la lumière est à l origine d une variation d activité électrique, entre autre au niveau des photorécepteurs rétiniens, et qu elle est convertie en message nerveux correspondant à la variation de fréquence de signaux électriques enregistrable au niveau des fibres des cellules ganglionnaires. Les fibres des cellules ganglionnaires constituant le nerf optique, ces messages nerveux quittent l œil par son intermédiaire. Les messages nerveux, produits par les neurones ganglionnaires, suite à la stimulation par la lumière des photorécepteurs de la rétine de l œil auquel correspond le nerf optique sectionné, ne seront plus transmis au cerveau. Il n y aura plus de perception visuelle des objets dans le champ visuel de cet œil. Des chercheurs ont pu mettre en évidence que suite à un flash lumineux, bâtonnets et cônes présentent une modification de leur activité cellulaire, à l origine d un message nerveux enregistrable au niveau des fibres des cellules ganglionnaires qui vont constituer le nerf optique au niveau de chaque œil. Activité 10 Les structures des photorécepteurs permettant la conversion de l énergie lumineuse en message nerveux Les bâtonnets et les cônes sont constitués d un volume de cytoplasme entouré par une membrane plasmique. Ils possèdent d autre part un noyau qui contient l information génétique. Ce sont par conséquent des cellules. Une protéine est une molécule constituée d un enchaînement précis d acides aminés appelé séquence. La séquence d acides aminés conditionne sa configuration spatiale, qui elle-même, conditionne sa fonction dans l activité de la cellule. 138 Corrigés des activités Séquence 8 SN12

Comparaison de l organisation tridimensionnelle de la rhodopsine bactérienne à la lumière et à l obscurité. On constate qu à la lumière la forme dans l espace de la molécule de rhodopsine (ainsi que celle du rétinal) bactérienne est légèrement modifiée. Dans l espèce humaine, la rhodopsine est contenue dans les disques membranaires des bâtonnets. On peut supposer que cette modification de la configuration tridimensionnelle de la molécule (document 30) est à l origine d une modification d activité de la cellule photoréceptrice (document 29). La modification d activité du bâtonnet serait elle-même à l origine d une modification d activité d une cellule ganglionnaire, c est-à-dire de la création d un message nerveux. Activité 11 Pigments rétiniens et anomalies de la vision des couleurs Certains individus daltoniens ont une vision dichromatique : ils ne distinguent par exemple pas les rouges. Ils sont atteints de protanopie (document 31) On peut émettre les hypothèses (explications possibles) suivantes pour expliquer ce fait : Leurs rétines ne comportent pas de cônes sensibles au rouge. Leurs rétines comportent des cônes sensibles au rouge non fonctionnels car : l opsine L n est pas fonctionnelle : le gène L situé sur le chromosome X (document 32), présente une ou des mutations qui entraînent une ou des modifications de la séquence du pigment ; la configuration de la protéine peut être modifiée et elle ne remplit plus sa fonction ; Corrigés des activités Séquence 8 SN12 139

L opsine L est absente : le gène L n est pas présent sur le chromosome X. Les proportions de cônes sensibles au rouge ne sont pas suffisantes. Activité 12 Des mécanismes de complexification du génome au cours de l évolution à l origine de la famille multigénique des gènes des opsines. Pourcentages de ressemblances entre les séquences des pigments rétiniens Opsine L Opsine M Opsine S Rhodopsine Opsine L 100 95,61 41,8 42,7 Opsine M 100 43 43,9 Opsine S 100 46,2 Rhodopsine 100 Pourcentages de ressemblances entre les séquences des gènes des pigments rétiniens Gène de l opsine L Gène de l opsine M Gène de l opsine S Gène de la rhodopsine Gène L 100 98,29 60,3 58,4 Gène M 100 60,2 58,5 Gène S 100 58,1 Gène de la rhodopsine 100 Les séquences qui présentent le plus de similitudes sont les séquences des gènes codant les opsines L et M et par voie de conséquence les séquences des opsines L et M. Le document 35 indique que des molécules présentant une similitude supérieur à 20 % au niveau de leur séquence sont considérées comme ayant une origine commune. Or les pourcentages de similitudes entre les gènes codant pour les pigments rétiniens sont supérieurs à 58 %. On peut donc supposer qu ils ont une origine commune. Les mécanismes à l origine de la formation de la famille multigénique des gènes des opsines 140 Corrigés des activités Séquence 8 SN12

Actuel Gène codant l opsine S Gène codant l opsine L Gène codant l opsine M Chromosome 7 Chromosome X Mutations Mutations Duplication Temps Mutations Duplication Chromosome Gène ancestral Activité 13 Les pigments rétiniens et la place de l Homme parmi les Primates Les Vertébrés, qui possèdent tous un squelette interne, présentent une organisation générale commune. Leurs organes sont disposés de façon ordonnée selon deux axes de polarité : L axe antéro-postérieur L axe dorso-ventral Ces deux axes définissent un plan de symétrie qui sépare la moitié droite et la moitié gauche de l organisme. La polarité antéro-postérieure apparaît morphologiquement par la succession, d avant en arrière, de la tête, du tronc et de la queue. Elle s observe aussi anatomiquement avec la régionalisation du tube digestif, constitué de différentes parties de la bouche à l anus, et celle de l axe nerveux, formé de l encéphale et de la moelle épinière. La polarité dorso-ventrale des Vertébrés se manifeste par la position dorsale de l axe nerveux et la position ventrale de la cavité générale contenant les viscères. Les caractéristiques des molécules utilisées pour établir des relations de parenté Document 37 : On utilise des molécules telles que des protéines (ou les gènes) dont on peut comparer les séquences afin de rechercher des similitudes. Le fait que l on constate de très nombreuses similitudes permet de dire qu elles doivent avoir une origine commune et Corrigés des activités Séquence 8 SN12 141

on peut en déduire que les organismes qui les portent ont eux aussi une origine commune. Document 39 : On choisit des molécules largement répandues dans le monde vivant et qui possèdent des fonctions équivalentes. Dans le cas étudié il s agit de protéines photoréceptrices et plus particulièrement de l opsine S présente chez tous les Primates. Le document 38 montrent que les singes d Amérique du Sud possèdent un seul gène codant pour une opsine ayant un spectre d absorption présentant un maximum à plus de 500nm( au lieu des deux gènes M et L chez l Homme) sur le chromosome X ; ils ne possèdent pas d opsine M et d opsine L. Par contre, ces singes, ceux de l Ancien Monde et l Homme possèdent le gène S codant pour une opsine S ayant un pic d absorption voisin. L opsine S étant une protéine, il est donc possible d effectuer une comparaison entre les séquences d acides aminés des différentes opsines S de ces Primates afin de rechercher des similitudes. Les singes d Amérique du sud (Cebus, Saïmiri) sont dichromates alors que les singes de l Ancien Monde (Macaque, Gorille, Chimpanzé, Bonobo ) et l Homme sont trichromates. La comparaison des séquences des opsines S de l Homme, du Chimpanzé, du Bonobo, du Gorille, du Macaque, du Cebus et du Saïmiri montrent que ces séquences d acides aminés présentent de nombreux acides aminés communs. Voici deux extraits des séquences 142 Corrigés des activités Séquence 8 SN12

Cette similitude importante est traduite dans la matrice visualisant le pourcentage de différences entre les différentes séquences (les valeurs sont exprimées en %). Le nombre de différences entre les séquences étant variable, on va pouvoir utiliser ce critère pour préciser un peu plus les parentés entre ces organismes. En effet, moins le nombre de différences entre deux molécules homologues est important et plus la molécule ancestrale dont elles dérivent est récente, et donc plus les organismes qui possèdent ces molécules ont un ancêtre commun récent. L opsine S du Macaque présente plus de différences avec les opsines S du Cebus et du Saïmiri qu avec les opsines S du Gorille, du Bonobo, du Chimpanzé et de l homme. On peut estimer le % de similitudes entre l opsine S de l Homme et celles des autres espèces de Primates. En effet, plus le pourcentage de différences entre deux molécules est faible, plus ces molécules ont un pourcentage de similitude important et plus les espèces qui leur correspondent sont proches. On organise dans ce cas le tableau afin de montrer «qui est plus proche de qui». Tableau visualisant le % de similitudes entre les séquences de l opsine S de l Homme et celles des opsines S des Primates étudiés. Homme Chimpanzé Bonobo 100 % Chimpanzé 100 % Gorille 99 % Macaque 87 % Cebus 75 % Saïmiri 72 % L importance des similitudes constatées permet de penser que toutes ces molécules (donc les gènes qui les codent) ont une origine commune : elles dérivent toutes d une même molécule ancestrale. On qualifie ces molécules de molécules homologues (on parlera donc aussi de gènes homologues pour les gènes codant pour ces molécules). Les organismes, le Saïmiri, le Cebus, le Macaque, le Gorille, le Chimpanzé, le Bonobo et l Homme, qui possèdent ces molécules ont donc aussi un ancêtre commun qui possédait la molécule ancestrale (et le gène ancestral). Corrigés des activités Séquence 8 SN12 143

L arbre phylogénétique, construit à partir de la matrice des différences, permet de visualiser ces relations de parenté. Homme Bonobo Chimpanzé Gorille Macaque Cebus Saimiri Remarque L établissement de relation de parenté nécessite d utiliser un grand nombre de caractères. Ici, on ne s est appuyé que sur la comparaison des séquences d une seule molécule l opsine S. Ainsi, l Homme le Bonobo et le Chimpanzé sont les espèces les plus étroitement apparentées puisqu il n y a aucune différence au niveau des séquences respectives de l opsine S. Le Gorille est plus proche du groupe Homme-Bonobo-Chimpanzé que ne le sont les autres espèces : il a donc un ancêtre commun avec ces derniers. Le Macaque est plus apparenté au groupe Homme- Bonobo-Chimpanzé -Gorille que ne le sont le Cebus et le Saïmiri. L Homme partage un ancêtre commun avec le Saïmiri, le Cebus, le Macaque, le Gorille, le Chimpanzé et le Bonobo qui sont des espèces appartenant à l ordre des Primates. Cette étude conforte ainsi la place de l Homme au sein des Primates. La duplication à l origine des gènes codant les opsines L et M a dû avoir lieu après la séparation de la lignée des singes de l Ancien monde de celle des singes du nouveau monde, soit environ entre 40 et 20 Ma. 144 Corrigés des activités Séquence 8 SN12

Vision des couleurs et évolution : arbre phylogénétique simplifié des Primates 7 x S un seul S L S L S gène M M L M 0 Saïmiri Macaque Homme Chimpanzé 20 Ma 40 Ma Temps en Ma Duplication génique 7, x Chromosomes S Gène codant l opsine S L Gène codant l opsine L M Gène codant l opsine M Ancêtre commun hypothétique Corrigés des activités Séquence 8 SN12 145

Correction des activités du chapitre 2 Activité 1 Une zone privilégiée du cortex cérébral intervenant dans le traitement des messages nerveux visuels. On cherche à établir quelle(s) zone(s) du cerveau intervient de façon privilégiée dans le traitement des informations visuelles issues de la rétine. La technique d imagerie médicale qui consiste à mesurer le débit sanguin au niveau du cerveau afin de mettre en évidence toute variation d activité (document 3) montre que suite à un flash lumineux le débit sanguin augmente au niveau des lobes occipitaux (document 2) des deux hémisphères cérébraux. Cette augmentation de débit sanguin est à corréler avec une augmentation de l activité des lobes occipitaux. On peut par conséquent supposer que les informations visuelles issues de la rétine sont dans un premier temps traitées à ce niveau, c est-à-dire au niveau du cortex occipital. IRM : Technique d investigation qui consiste à observer les tissus biologiques à travers les propriétés magnétiques de l un de leurs constituants majoritaires, le noyau d hydrogène. Elle permet d obtenir des images numériques en trois dimensions de coupes virtuelles de l organisme avec une précision inférieure au millimètre. L IRM fonctionnelle permet de détecter les régions du cerveau qui consomment le plus d oxygène et qui sont donc les plus actives. Tomodensitométrie : ou scanographie est une technique d imagerie médicale qui consiste à mesurer l absorption par exemple, des rayons X par les organes puis, par traitement informatique, à numériser et enfin reconstruire des images 2D ou 3D des structures anatomiques. Pour acquérir les données, on emploie la technique d analyse tomographique (cette technique permet de reconstruire le volume d un objet à partir d une série de mesures effectuées par tranche depuis l extérieur de cet objet) ou «par coupes», en soumettant le patient au balayage d un faisceau de rayons X. Les documents 1 et 3 ont permis de déterminer que les informations visuelles issues de la rétine sont dans un premier temps traitées au niveau des lobes occipitaux droit et gauche. 146 Corrigés des activités Séquence 8 SN12

Stimulus Lumière (document 3) œil gauche zone activée du lobe occipital (document 3) cortex cérébral du lobe occipital (document 1) trajet hypothétique des messages nerveux issus de l œil gauche suite à une stimulation de la rétine par la lumière. Activité 2 Le document 2 montre que les nerfs optiques provenant des rétines de l œil droit et de l œil gauche se rencontrent. Mais il n est pas possible de savoir : S ils se croisent : les fibres du nerf optique gauche passant à droite et vice versa ; Si seulement une partie de leurs fibres se croisent ; Si on a seulement l impression qu ils se rejoignent : les fibres du nerf optique droit restant au niveau de l hémisphère droit et celles du nerf optique gauche au niveau de l hémisphère gauche. Les voies nerveuses empruntés par les messages provenant de la rétine en direction du cortex cérébral visuel. Projection du Point B sur les rétines de l œil droit et de l œil gauche. Champ visuel binoculaire Point de fixation Champ visuel gauche B C D Champ visuel droit A E Nerf optique Chiasma optique Rétine nasale Rétine temporale Corrigés des activités Séquence 8 SN12 147

Le point B situé dans le champ visuel binoculaire se projette au niveau de la rétine nasale de l œil gauche et au niveau de la rétine temporale de l œil droit. Un point du champ visuel temporal se projette au niveau de la rétine nasale de l œil droit. Un point du champ visuel nasal se projette quant à lui au niveau de la rétine temporale de l œil droit. On cherche à établir le trajet des messages nerveux de la rétine au cortex occipital. Conditions de l expérience : Lésions. Lésion 1 : section du nerf optique droit Lésion 2 : section de la zone de rencontre des nerfs optiques. Les résultats observés : Conséquences sur la perception visuelle. Perception visuelle au niveau du champ visuel gauche. Pas de perception visuelle au niveau du champ visuel droit. Perception visuelle au niveau du champ nasal gauche et droit. Pas de perception visuelle au niveau du champ temporal gauche et droit. Déductions. Dans ce cas, les messages nerveux issus de la rétine de l œil droit n arrivent plus dans le cerveau. La vision est monoculaire. Dans le nerf optique circulent bien les fibres issues de la rétine nasale et temporale de l œil droit. Les messages nerveux sont acheminés dans le cerveau par les fibres des nerfs optiques Les messages issus des rétines nasales des deux yeux ne sont plus transmis au cerveau. Au niveau de la zone sectionnée, les fibres nerveuses provenant des neurones ganglionnaires situés dans les rétines nasales se croisent et passent dans l hémisphère cérébral opposé. Les fibres issues des neurones ganglionnaires situés dans la rétine temporale des deux yeux ne se croisent pas : les fibres provenant de la rétine temporale de l œil droit transmettent ainsi les messages nerveux au cortex de l hémisphère droit. les fibres provenant de la rétine temporale de l œil gauche les transmettent au cortex de l hémisphère gauche. 148 Corrigés des activités Séquence 8 SN12

Lésion 3 Lésion 4 Perception visuelle au niveau du champ nasal gauche et du champ temporal droit. Pas de perception visuelle au niveau du champ temporal gauche et du champ nasal droit. Perception visuelle au niveau du champ nasal gauche et du champ temporal droit. Pas de perception visuelle au niveau du champ temporal gauche et du champ nasal droit. Les messages issus de la rétine nasale de l œil gauche et ceux issus de la rétine temporale de l œil droit ne sont plus transmis au cerveau. La lésion est à l origine d une section des fibres issues des neurones ganglionnaires de la rétine nasale de l œil gauche et de la rétine temporale de l œil droit. Ceci confirme le fait que les fibres issues de la rétine nasale de chaque œil se croisent au niveau de la zone 2. Cette zone s appelle chiasma (croisement) optique. Les observations effectuées suite à cette lésion confirme le fait que seuls les messages issus de la rétine nasale de l œil gauche et ceux issus de la rétine temporale de l œil droit empruntent cette voie en direction du cortex cérébral. Au niveau de la zone de chiasma optique, les fibres issues des neurones ganglionnaires de la rétine nasale des deux yeux se croisent. Ainsi, chaque hémisphère cérébral reçoit des messages issus de la rétine temporale de l œil situé du même côté et des messages issus de la rétine nasale du côté opposé. Le trajet des voies visuelles entre la rétine (rétine nasale et rétine temporale) des yeux droit et gauche et les aires corticales visuelles droite et gauche. Le trajet des messages visuels provenant des projections des points B et D sur les rétines de l œil droit et de l œil gauche. CHAMP VISUEL BINOCULAIRE Point de fixation B D Trajet des messages nerveux issus de l œil gauche Trajet des messages nerveux issus de l œil droit Neurones en relation avec la partie gauche du champ binoculaire Neurones en relation avec la partie droite du champ binoculaire Corrigés des activités Séquence 8 SN12 149

Activité 3 Identification des aires cérébrales intervenant dans le traitement des messages visuels A partir de l étude d anomalies de la vision observées chez trois patients, il s agit de montrer qu il existe Des aires permettant une identification des objets d après leurs caractéristiques telles que forme et couleur Des aires permettant la localisation et la perception du mouvement des objets dans l espace Cas d anomalie Les perturbations visuelles observées Les caractéristiques des objets auxquelles elles correspondent Les lésions observées Déductions Cas 1 perte de la vision des couleurs dans la partie droite du champ visuel binoculaire lecture impossible La couleur la forme des mots écrits Lésion dans la partie postérieure et interne du lobe occipital de l hémisphère gauche lésion corticale dans une zone située au niveau du lobe temporal Si l on prend en compte le document 4, un point du champ visuel binoculaire droit, qui dans le cas de la patiente n est pas vu en couleur, se projette au niveau de la rétine nasale de l œil droit et de la rétine temporale de l œil gauche. Les messages nerveux qui en résultent arrivent dans l hémisphère gauche au niveau du lobe occipital et sont transmis au niveau de la zone corticale du lobe temporal. Cette zone permet l identification de la couleur des objets et celle des mots écrits. Cas 2 Troubles de reconnaissance des visages Identification des visages Formes Lésion du cortex de la face inférieure du lobe temporal de l hémisphère droit. La zone du cortex de la face inférieure du lobe temporal de l hémisphère droit intervient dans l identification des visages et des formes. 150 Corrigés des activités Séquence 8 SN12

Cas 3 Pas de perception du mouvement difficulté à contrôler son écriture; Reconnaissance des visages, des objets, des mots écrits et des couleurs. Mouvement des objets Localisation des objets. Lésions au niveau de l aire corticale située à la jonction temporo-occipitale au niveau des deux hémisphères. Cette aire corticale située dans les deux hémisphères intervient dans la perception du mouvement et ainsi dans la localisation des objets. Les cas 1 et 2 permettent de dire qu il existe au niveau du lobe temporal une ou des aires permettant l identification des objets d après leurs caractéristiques : couleur et mots écrits (cas1), formes et identification consciente des visages (cas 2). Le cas 3 montre, quant à lui, qu il existe au niveau des deux hémisphères cérébraux, une aire corticale permettant la localisation et la perception du mouvement des objets dans l espace. Activité 4 Une perception finale unique malgré un traitement séparé des caractéristiques des objets. Les informations issues de la rétine parviennent dans les aires visuelles du cortex occipital des deux hémisphères. Le traitement des caractéristiques comme la couleur, la forme et le mouvement font ensuite l objet d un traitement par des voies nerveuses distinctes. Une aire située dans le cortex pariétal contribue de façon prépondérante à la perception de la localisation, du mouvement, («où» se situe ce qui est perçu) tandis qu une aire située dans le cortex temporal est impliquée dans la reconnaissance des formes et des couleurs (de «quoi» il s agit). Les caractéristiques des images sont traitées par des voies nerveuses séparées mais la perception finale et unique : elle résulte de l intégration de ces différentes informations par le cerveau. Corrigés des activités Séquence 8 SN12 151

Activité 5 Perturbations du fonctionnement cérébral associé à la vision par des substances chimiques hallucinogènes. a b Voies visuelles N1 A N2 Avant l arrivée d un message nerveux dans la zone synaptique du neurone 1, on peut observer de nombreuses vésicules synaptiques contenant des molécules de neurotransmetteur. A la suite de l arrivée d un message nerveux dans cette zone, les vésicules sont moins nombreuses et des vésicules semblent s être ouvertes dans la fente synaptique en s associant à la membrane plasmique du neurone 1. On peut supposer que le message nerveux constitués de signaux électriques à une certaine fréquence a entraîné la libération d une certaine quantité de molécules de neurotransmetteur dans la fente synaptique. Le fonctionnement synaptique c Vésicules contenant des molécules de neurotransmetteur Synapse observée au M.E. (x 200000) s il n y a pas de message nerveux en N1 N1 N2 Membrane plasmique Fente synaptique NEURONE 1 N1 Dans le cytoplasme, des vésicules, contenant des molécules de neurotransmetteur Fente synaptique Membrane plasmique NEURONE 2 Cytoplasme N2 Structure d une synapse d après une observation au microscope électronique (M.E. x 70000) Membrane plasmique du neurone 2 renfermant des récepteurs spécifiques du neurotransmetteur d Synapse observée au M.E. (x 200000) s il y a un message nerveux en N1 N1 2 3 N2 Fente synaptique 4 Association des molécules de neurotransmetteur aux récepteurs spécifiques de N2 1 Message nerveux en N1 Association des vésicules à la membrane N1 Libération des molécules de neurotransmetteur dans la fente 1 2 3 4 = chronologie des évènements Les fibres nerveuses des nerfs optiques correspondent aux fibres nerveuses des neurones ganglionnaires rétiniens. Suite à une stimulation, des messages nerveux sont véhiculés par les fibres des nerfs optiques dont les extrémités sont connectées avec d autres neurones au niveau de la zone A. Dès l arrivée d un message nerveux la transmission de l information est assurée par les molécules de neurotransmetteurs qui sont déversées dans l espace synaptique entre les deux neurones. L association des molécules de neurotransmetteurs et des récepteurs spécifiques de la membrane du neurone 2 permet l apparition d un message nerveux au niveau du neurone 2. Dans le cas considéré, la fixation des molécules de neurotransmetteur au niveau des récepteurs spécifiques ne s effectuant pas, la transmission de 152 Corrigés des activités Séquence 8 SN12

l information n est pas possible et les neurones qui rejoignent le cortex visuel ne présentent pas de messages nerveux. Le cortex visuel ne reçoit plus d informations visuelles, la personne est atteinte de cécité. Trajet des voies visuelles présentant les zones où le message est de nature électrique et celles où il est de nature chimique. Le LSD est une substance chimique psychoactive, car il agit sur le cerveau en modifiant l activité cérébrale et par la même les sensations et le comportement La prise de LSD entraîne une modifications des perceptions (modifications des sensations visuelles, auditives, N 2 tactiles, mais également de la perception du temps et de l espace). Elle est ainsi à l origine de visions très colorées, d hallucinations message de nature électrique visuelles et auditives, de vertiges. Elle cause aussi des message de nature chimique vomissements et des troubles respiratoires et moteurs. Travail préparatoire à la rédaction : Lumière Relevé des informations en relation avec le problème posé «proposer une hypothèse permettant d expliquer les propriétés du LSD. Document 10 a et b : L arrivée d un message nerveux au niveau du neurone 1 provoque la libération de molécules de neurotransmetteur qui s associent aux récepteurs spécifiques situés dans la membrane plasmique du neurone 2. C est de cette association que dépend la création d un message nerveux au niveau du neurone 2. Document 10 c : La sérotonine participe à la perception visuelle mais aussi à d autres aspects du fonctionnement cérébral. L association neurotransmetteur (ici la sérotonine)-récepteur spécifique est possible grâce à une complémentarité partielle de la 3 D des deux molécules. Document 9 : le LSD est une drogue hallucinogène qui induit entre autre des modifications au niveau de la perception visuelle : vision extrêmement colorée, hallucinations visuelles. Il entraîne aussi d autres modifications de la perception et différents effets psychiques tels que des troubles de l humeur et de la mémoire. A N 1 Corrigés des activités Séquence 8 SN12 153

Document 11 a : Le LSD, suite à son absorption, passe dans le sang et rejoint le cerveau qui est un organe très irrigué. On a constaté qu il se retrouvait au niveau des voies visuelles, dans la zone de relais synaptique A et qu il modifiait les circuits de neurones dont le neurotransmetteur est la sérotonine. Or la sérotonine est un des neurotransmetteurs intervenant dans la transmission des messages nerveux dans cette zone (document 10). Document 11 b La modélisation 3D de ces deux molécules montre qu elles présentent une zone similaire d un point de vue de leur configuration tridimensionnelle. Cette zone correspond, si l on considère la molécule de sérotonine, à celle permettant son association avec son récepteur spécifique (document 10 c). Un texte possible : Le LSD est une drogue hallucinogène qui entraîne des modifications de la perception visuelle (document 9). Comment expliquer ses propriétés? Suite à son absorption le LSD se retrouve au niveau des voies visuelles dans des zones de relais synaptiques où la sérotonine est un des neurotransmetteurs intervenant dans la transmission des messages nerveux au niveau des synapses existant entre les neurones (document 11). En temps normal, suite à l arrivée d un message nerveux, il y a libération de molécules de sérotonine dans la fente synaptique existant entre les deux neurones (document 10). Celles-ci se fixent ensuite au niveau des récepteurs spécifiques existant dans la membrane plasmique du neurone suivant grâce à une complémentarité partielle de la 3 D des deux molécules (documents 10 et 11). Or, le LSD et la sérotonine présentent une zone similaire d un point de vue de leur configuration tridimensionnelle (document 11). Cette zone correspond, si l on considère la molécule de sérotonine, à celle permettant son association avec son récepteur spécifique (document 10c). On peut donc supposer que le LSD peut se lier aux mêmes récepteurs que la molécule de sérotonine et qu il permet ainsi la création de message nerveux à l origine de modifications de la perception visuelle. Le fait que le sérotonine participent également à différents aspects du fonctionnement cérébral, permet d expliquer que le LSD soit à l origine de divers effets psychiques (document 9). L intervention normale d une substance chimique, telle que la séroto- Remarque Les effets prolongés de la drogue sont dus au fait que nine, dans le processus de transmission de l information dans la l organisme ne possède pas les molécules nécessaires pour inactiver le LSD (document 10)qui reste lié vision, permet de comprendre que plus longtemps au récepteur, et est donc plus longuement actif. nement visuel en se fixant sur les le LSD puisse perturber le fonction- récepteurs du neurotransmetteur. Cette fixation est possible car les deux molécules possèdent une partie de leur 3D qui est similaire et complémentaire d une zone de la 3D des récepteurs. Elle est à l origine des hallucinations observées. 154 Corrigés des activités Séquence 8 SN12

Fonctionnement d une synapse dont le neurotransmetteur est la sérotonine en présence de LSD. Fonctionnement d une synapse dont le neurotransmetteur est la sérotonine en présence de LSD Modèle moléculaire du L.S.D. neurone 1 1 neurotransmetteur = sérotonine 2 complémentarité Fixation du LSD sur les récepteurs spécifiques de la sérotonine Récepteur spécifique de la sérotonine 3 neurone 2 Représentation schématique du LSD Représentation schématique de la sérotonine Activité 6 Mise en place du phénotype fonctionnel du système cérébral impliqué dans la vision. Il s agit de montrer que le cortex visuel est dès la naissance en relation fonctionnelle avec chacun des deux yeux. Les molécules radioactives (document 12 a), injectées dans la rétine de l œil droit ont été transportées en partie au niveau de certaines zones du cortex visuel gauche : en effet une partie des fibres issues des neurones ganglionnaires de la rétine droite passent au niveau du chiasma optique du côté gauche ; elles sont connectées dans le corps genouillé avec des neurones dont les terminaisons aboutissent dans le cortex visuel. Les molécules radioactives ayant été transportées par les neurones, on peut donc dire qu une partie du cortex visuel gauche est en relation fonctionnelle avec l œil droit au niveau des zones apparaissant en gris clair dans le document 12 b. De même une partie des informations issues de l œil gauche arrive dans le cortex visuel gauche (document 12 b) Le cortex visuel est organisé dès la naissance (alternance de zones en relation fonctionnelle avec l œil droit et l œil gauche). La mise en place du phénotype cérébral impliqué dans la vision repose sur des structures présentes et fonctionnelles dès la naissance. Elles Corrigés des activités Séquence 8 SN12 155

sont identiques chez tous les individus d une même espèce. Ces structures cérébrales innées sont le résultat de l information génétique. Il s agit de montrer que le fonctionnement du système visuel est dépendant de l expérience visuelle durant une période sensible correspondant à la maturation du système visuel. Conditions de l expérience = ce que les chercheurs ont fait. Chez le Chat, à 38 mois, on enregistre l activité des neurones du cortex visuel gauche suite à la stimulation de chaque oeil Les chercheurs ont pratiqué chez des chatons la suture des paupières au niveau de l œil droit de la naissance à 2,5 mois A 38 mois, on enregistre l activité des neurones du cortex visuel gauche suite à la stimulation de chaque oeil La suture de l œil droit a été réalisée chez un chat adulte entre le entre le 12 ème mois et le 38 ème mois. A 38 mois, on enregistre l activité des neurones du cortex visuel gauche suite à la stimulation de chaque oeil. Les résultats observés 7 catégories de neurones sont mises en évidence : la catégorie 1 correspondant aux neurones exclusivement stimulés par l œil droit et la catégorie 7 à ceux exclusivement stimulés par l œil gauche. Les catégories 2, 3, 4, 5 et 6 réagissent à des stimulations des deux yeux. Seule la catégorie 7 de neurones correspondant à ceux réagissant uniquement à des stimulations de l œil gauche est activée. Comme dans l expérience témoin, les 7 catégories de neurones sont activés ; le nombre de neurones activés est cependant moins important. La vision avec l œil droit se rétablit. Les déductions Des informations provenant des deux yeux sont intégrées au niveau du cortex visuel. Un nombre à peu près égal de neurones du cortex visuel est influencé par l œil droit et par l œil gauche. L œil est atteint de cécité bien que sa rétine soit fonctionnelle. Aucun neurone du cortex visuel gauche ne peut être activé par l œil droit privé d expérience visuelle. : l œil privé de vision semble être fonctionnellement déconnecté du cortex visuel. Une privation d expérience visuelle beaucoup plus longue chez le chat adulte n a que peu d effets. Entre le moment où s ouvre les yeux d un chaton (environ une semaine après la naissance) et l âge d un an, l expérience visuelle déterminent la façon dont se mettent en place les connections entre les yeux et le cortex visuel. Une période de sensibilité à la privation d expérience visuelle se situe au cours des trois premiers mois de la vie du chaton. Pendant la période sensible, la maturation du système visuel est dépendant des stimulus lumineux reçus par les yeux qui conditionnent le remodelage permanent des circuits de neurones intervenant dans la vision. Suite à un accident vasculaire cérébral, un peintre a réalisé dans un premier temps un autoportrait qui fait abstraction de toute la partie gauche de son visage. 156 Corrigés des activités Séquence 8 SN12

L accident vasculaire cérébral a été à l origine de la destruction d une certaine quantité de neurones et de connexions (synapses). A cours du temps, le portrait s enrichit peu à peu dans la partie gauche. Suite aux stimulus visuels, il a dû se produire une réorganisation partielle des circuits cérébraux, c est-à-dire des circuits de neurones. La plasticité cérébrale lui a permis de peindre à nouveau son autoportrait au bout de neuf mois. La perception visuelle dépend de l expérience de chacun. Perception personnelle du tableau Mémoire Interprétation Expérience Différentes aires corticales visuelles ŒIL CERVEAU Stimulus lumière A l origine de Messages nerveux Activité 7 La lecture, une activité nécessitant une coopération entre des aires cérébrales mais également, une plasticité au niveau des connexions. Si l on confronte les deux schémas tirés d images montrant l activité de certaines zones de l hémisphère gauche, lorsqu un sujet regarde un mot écrit (document 18) ou lors de la lecture de phrases écrites (document 19), on peut situer l aire permettant la détection et la reconnaissance des lettres au niveau de la région occipito-temporale. L aire occipitale visuelle où arrive les messages nerveux issus de la rétine est située postérieurement par rapport à la précédente. Arrivée des messages nerveux issus de la rétine Aire corticale visuelle occipitale Aires de la forme visuelle des mots Zone corticale très active Zone corticale moyennement active Aires en relation avec le langage Hémisphère gauche Corrigés des activités Séquence 8 SN12 157

Les chercheurs ont constaté que, chez les personnes analphabètes, l aire visuelle de l hémisphère gauche qui chez les lecteurs décode les mots écrits intervient dans la reconnaissance visuelle des objets et des visages. Au cours de l apprentissage de la lecture, l activation aux visages se déplace en partie dans l hémisphère droit. Une étude (document 19) a tenté d établir que l apprentissage de la lecture reposait sur «un recyclage» de régions cérébrales qui avaient un autre rôle avant cet apprentissage ce qui supposait une certaine plasticité cérébrale. Ils ont comparé l activation cérébrale de personnes analphabètes, de personnes alphabétisées à l âge adulte et de personnes scolarisées depuis l enfance lorsqu on les soumettait à différents stimulus tels que phrases parlées et écrites, mots, visages. Ils ont alors observé que, apprendre à lire, augmente les réponses des aires visuelles du cortex, entraîne l utilisation d une aire de l hémisphère gauche intervenant précédemment dans la reconnaissance des visages pour décoder les mots écrits. Le cortex visuel s est par conséquent réorganisé au cours de l apprentissage de la lecture : il a modifié ses réseaux de neurones. L étude présentée dans le document 19 montre également que la grande majorité des effets de l apprentissage de la lecture sur le cortex cérébral (réorganisation partielle du cortex visuel, augmentation de l activation du cortex auditif, extension des aires du langage) sont visibles autant chez les personnes scolarisées dans l enfance que chez celles qui ont suivi des cours d alphabétisation à l âge adulte. Chez ces personnes les réseaux de neurones intervenant dans la lecture sont par conséquent toujours capables de se réorganisés : ils ont demeurés plastiques. 158 Corrigés des activités Séquence 8 SN12

C orrection des exercices Exercice 1 Questionnaire à choix multiples L œil est : A : formé d une seule enveloppe souple et blanche Faux. L œil est protégé par deux principales enveloppes emboîtées, dont la plus externe, la sclérotique est très solide. La troisième enveloppe la rétine tapisse le fond de l œil. B : un ensemble de lentilles convergentes Vrai : on peut assimiler l œil à une lentille convergente. C : l organe responsable a lui seul de la représentation visuelle Faux, c est l organe qui permet la focalisation de la lumière et la transformation de la lumière en un message nerveux. Mais c est le cerveau qui «voit» car lui seul est capable d interpréter les images. D : relié au cerveau par le nerf optique Vrai Le cristallin est : A : assimilable à une lentille convergente Vrai mais c est la cornée qui produit la majeure partie de la réfraction dans l œil, c est-à-dire qu elle assure la quasi totalité de la convergence nécessaire. B : un des systèmes transparents de l œil Vrai : les autres systèmes transparents sont la cornée, l humeur aqueuse et l humeur vitrée. C : indéformable Faux : les cellules qui constituent le cristallin sont souples et déformables, ce qui permet le phénomène d accommodation. D : formé de cellules mortes Faux : La surface de la partie antérieure du cristallin sont de petites cellules qui se divisent, elles se différencient ensuite et se transforment en cellules en forme de rubans qui ont perdu leurs organites. Ces cellules restent vivantes et ne sont jamais éliminées. E : richement vascularisé Faux : il n est irrigué par aucun vaisseau sanguin ; ceci constituant un des facteurs qui permet sa transparence. Corrigés des exercices Séquence 8 SN12 159

La rétine est : A : une enveloppe externe et protectrice de l œil Faux, la rétine est au contraire très profonde, elle tapisse le fond de l œil. B : la zone où converge la lumière Vrai, l image se projette sur la rétine, au fond de l œil. C : sensible de la même façon à toutes les longueurs d onde du spectre de la lumière blanche Faux, la rétine centrale est sensible aux couleurs, mais pas en périphérie. D : composée de plusieurs catégories de neurones Vrai, on trouve au moins trois sortes de neurones différents. E : richement irriguée Vrai, comme tout tissu très actif, la rétine reçoit de l oxygène et des nutriments. Les photorécepteurs sont : A : les neurones bipolaires Faux, ce sont les cônes et les bâtonnets. B : exclusivement les cônes Faux, les bâtonnets ont également cette capacité. C : distribués uniformément dans la rétine. Faux : la rétine centrale est riche en cônes, la rétine périphérique contient exclusivement des bâtonnets. D : tous sensibles aux mêmes radiations Faux : chaque type de photorécepteurs est spécialisé dans un domaine du spectre. E : sensibles à des intensités lumineuses différentes Vrai Les quatre pigments rétiniens sont : A : codés par différents gènes qui forment une famille multigénique. Vrai : Ils proviennent tous d un gène ancestral unique. B : localisés dans tous les photorécepteurs. Faux : la rhodopsine est localisée dans les bâtonnets, l opsine L dans les cônes L, l opsine M dans les cônes M et l opsine S dans les cônes S. C : des protéines. Vrai : leur séquence d acides aminés conditionne leur configuration tridimensionnelle et par la même leur fonction D : présents chez tous les Primates. Faux : Certains primates sont dichromates (Cebus, Saïmiri ) alors que d autres sont trichromates(macaque, Gorille, Chimpanzé, Homme ). Les primates dichromates possèdent la rhodopsine et deux opsines assurant la vision des couleurs, alors que les trichromates possèdent la rhodopsine et trois opsines intervenant dans la vision des couleurs. 160 Corrigés des exercices Séquence 8 SN12

Les gènes d une famille multigénique : A : sont issus d un même gène ancestral entre autre par duplications. Vrai : la comparaison des séquences de ces gènes révèle de grandes similitudes qui attestent d une origine commune. Leur diversité de séquences s explique par l intervention de mutations. B : sont tous localisés sur le même chromosome. Faux : A la suite de la duplication d un gène ; les deux copies peuvent rester sur le même chromosome, ou une des copie peut être transposée sur un autre chromosome. C : présentent tous la même séquence nucléotidique. Faux : Les mutations aléatoires font qu au cours du temps les copies du gène divergent. Plus la duplication est ancienne plus les copies sont différentes. Les nerfs optiques : A : sont issus de la rétine Vrai B : sont issus de la cornée Faux : (voir A) C : se croisent totalement avant leur arrivée à l arrière du cerveau. Faux : Au niveau du chiasma optique, pour chaque nerf, la moitié des fibres (celles issues de la rétine nasale) passent dans l hémisphère cérébral opposé. D : se croisent partiellement avant leur arrivée à l arrière du cerveau. Vrai E :sont constitués des prolongement des photorécepteurs. Faux: (voir F) F : sont constitués des prolongements des neurones ganglionnaires. Vrai Le cortex visuel est : A : définitivement structuré dès la naissance. Faux : l expérience visuelle est nécessaire au développement du cortex visuel B : constitué de plusieurs aires spécialisées Vrai C : plastique. Vrai D : situé au niveau de la partie antérieure des hémisphères cérébraux. Faux : il est situé au niveau de la partie postérieure des lobes occipitaux. Corrigés des exercices Séquence 8 SN12 161

Exercice 2 Les caractéristiques des bâtonnets et des cônes Tableau comparatif présentant toutes les caractéristiques des photorécepteurs rétiniens, bâtonnets et cônes. Les bâtonnets Les cônes Organisation (document 28) Les ressemblances Il s agit de cellules possédant dans leur cytoplasme des disques membranaires renfermant un photopigment ; le photopigment absorbe la lumière et génère des modifications importantes du fonctionnement du photorécepteur à l origine de la création d un message nerveux enregistrables au niveau des fibres des neurones (cellules) ganglionnaires. Les différences Densité au niveau de la rétine (document 19) Sensibilité (document 23) Rôles dans la vision (document 22) Vision centrale et périphérique vision crépusculaire et vision diurne vision des couleurs (document 24) Il existe un seul type de bâtonnet dont le photopigment est sensible dans le vert et le bleu Seuls présents dans la rétine périphérique, absents au point aveugle et à la fovéa Très sensibles à la lumière (un bâtonnet peut être sensible à un seul photon) Vision périphérique Faible luminosité à vision nocturne Gamme de gris Il existe 3 types de cônes correspondant à 3 types de photopigments sensibles chacun à une longueur d onde (bleu, vert, rouge) Seuls présents au niveau de la fovéa, absents au point aveugle et dans la rétine périphérique Moins sensibles à la lumière il faut plus de 100 photons pour activer un cône Vision centrale Lumière du jour à vision diurne Couleurs bleu vert, et rouge, (mais l activité relative des 3 types de cônes rend l œil humain sensible à des milliers de nuances.) 162 Corrigés des exercices Séquence 8 SN12

Exercice 3 Relation entre acuité visuelle et structure de la rétine On cherche à établir une relation entre l acuité visuelle et la structure de la rétine. Trajet de la lumière et du message nerveux au niveau de la rétine. Rétine périphérique Lumière Fovéa Nerf optique Lumière Message nerveux Il s agit de proposer une explication à la différence d acuité visuelle entre les différentes régions de la rétine. Le document 2 montre que l acuité visuelle est maximale à la fovéa : l acuité visuelle de 1 ou de 10/10 ème marque la capacité à distinguer un objet de 0,6 mm situé à 5 mètres (document 1). Un objet placé dans l axe optique est donc perçu de façon nette. L acuité visuelle diminuant de part et d autre de l axe optique, un objet qui n est pas placé dans l axe optique est par contre perçu de façon floue. Comment peut-on expliquer cette variation d acuité visuelle? Les cônes sont les seuls photorécepteurs présents au niveau de la fovéa et les bâtonnets sont les plus abondants au niveau de la rétine périphérique (document 3). De plus, les connexions entre cellules ne sont pas identiques si l on compare l organisation de la rétine à la fovéa et à la périphérie (document 4) : au niveau de la fovéa, à chaque cône correspond un neurone bipolaire auquel correspond un neurone ganglionnaire ; au niveau de la rétine périphérique, plusieurs bâtonnets sont connectés avec le même neurone bipolaire et plusieurs de ces derniers sont en connexion avec un seul neurone ganglionnaire. On peut donc penser que la variation d acuité visuelle dépend du type de photorécepteurs mais aussi de l organisation de la rétine, c est-à-dire des types de câblage entre les photorécepteurs et les autres cellules qui la composent. Corrigés des exercices Séquence 8 SN12 163

Elle est maximale à la fovéa, où la vision de l objet sera nette, en présence des cônes ; chaque cône stimulé par la lumière sera à l origine d un message enregistrable au niveau d un neurone ganglionnaire. Elle est minimale au niveau de la rétine périphérique, où la vision de l objet sera floue, en présence des bâtonnets ; plusieurs bâtonnets stimulés par la lumière seront à l origine d un message nerveux au niveau d un neurone ganglionnaire. Exercice 4 Deux pathologies oculaires liées à l âge Il s agit de préciser quelques caractéristiques de deux pathologies liées à l âge, la DLMA et le glaucome. Structure altérée Modifications de la structure Conséquences sur la perception visuelle DMLA La région maculaire (ou tache jaune), c est à dire la région centrale de la rétine : (document 5) Le document 5 présente les deux types possibles de modifications : modification des cellules pigmentaires jouant un rôle dans l entretien des photorécepteurs et réduisant la réflexion parasite de la lumière qui pénètre dans l œil ; les photorécepteurs deviennent alors non fonctionnels. prolifération de vaisseaux anormaux sous la macula à l origine d une perte de la vision. Les conséquences (document 6) sont en relation avec les rôles de la région centrale de la rétine : diminution de la sensibilité aux contrastes, diminution de l acuité visuelle, déformation des lignes droites, apparition d une tache sombre centrale correspondant à une perte de vision. Glaucome Le nerf optique (document 8) Perte progressive du nombre de fibres constituant le nerf optique (document 8). Il est possible d observer ces pertes de fibres nerveuses grâce à l observation du fond de l œil avec un ophtalmoscope (document 9), la papille est blanche. Le glaucome se traduit au début par des trous dans le champ visuel (documents 8 et 9), Seule une portion centrale du champ visuel persiste. 164 Corrigés des exercices Séquence 8 SN12

Possibilités de prévention Le document 7 présente une étude qui montre que consommer des aliments (chou vert, épinards, brocolis...) renfermant des caroténoïdes entraîne par exemple, une diminution de 93 % du risque de voir le déclenchement d une DMLA chez les personnes ayant des taux élevés de zéaxanthine. La prévention (document 8) repose sur un dépistage précoce dans les cas : d antécédents familiaux car cette maladie à une composante génétique de myopie et de diabète qui sont des facteurs de risque de l âge qui est le facteur de risque principal. Exercice 5 Une spécialisation des aires visuelles On cherche à identifier les aires visuelles mises en jeu dans deux situations pour lesquelles les objets observés n ont pas les mêmes caractéristiques. Conditions de l expérience = ce que les chercheurs ont fait. Bien préciser ici les caractéris- tiques de l objet observé En 1, le tableau est constitué d à-plats colorés mais immobiles En 2, le tableau est constitué de carrés noirs et blancs mobiles Les résultats observés On constate que sont d abord activées les aires visuelles occipitales droite et gauche, puis une aire située dans le cortex temporal droit et gauche Comme précédemment, on constate que sont d abord activées les aires visuelles occipitales droite et gauche, puis une aire située dans le cortex pariétal droit et gauche. Les déductions Les messages nerveux issus de la rétine rejoignent les aires du cortex occipital. L information est ensuite transmise à deux aires temporales droite et gauche qui interviennent sans doute dans le traitement de la reconnaissance de l objet (formes, couleurs). De la même façon les messages nerveux issus de la rétine, sont dans un premier temps, transmis aux aires du cortex occipital puis des messages rejoignent deux aires du cortex pariétal droit et gauche qui interviennent sans doute dans le traitement de la localisation et du mouvements des carrés noirs et blancs. Les informations issues de la rétine parviennent dans les aires visuelles du cortex occipital des deux hémisphères. Corrigés des exercices Séquence 8 SN12 165

Cortex visuel occipital Le traitement des caractéristiques comme la couleur, la forme et le mouvement font ensuite l objet d un traitement par des voies nerveuses distinctes. Une aire située dans le cortex temporal (situation 1) est impliquée dans la reconnaissance des formes et des couleurs tandis qu une aire située dans le cortex pariétal (situation 2) contribue de façon prépondérante à la perception de la localisation, du mouvement. Cortex temporal Cortex pariétal Messages nerveux issus des 2 yeux Stimulus tableau avec à-plats colorés immobiles Messages nerveux issus des 2 yeux Stimulus tableau avec des carrés noirs et blancs mobiles Stimulus Messages nerveux Aires visuelles actives Exercice 6 Le cortex cérébral et sa plasticité En quoi des observations effectuées chez des aveugles de naissance au cours de l apprentissage du Braille confortent-elles l idée de plasticité cérébrale? Chez les aveugles de naissance, le cortex visuel n est pas stimulé, Lors de l apprentissage du Braille qui est un apprentissage tactile, on peut observer grâce à des techniques d imagerie médicale que les message nerveux issus des doigts aboutissent dans le cortex visuel occipital. Les aires visuelles occipitales sont par conséquent en mesure de traiter d autres informations sensorielles, ici provenant de récepteurs sensoriels tactiles situés au bout des doigts. Le cerveau s est réorganisé : il y a eu modification des réseau de neurones, ce qui montre sa plasticité. 166 Corrigés des exercices Séquence 8 SN12

Séquence 9 Sommaire Correction des activités du chapitre 1 Correction des activités du chapitre 2 Correction des exercices Corrigés des activités Séquence 9 SN12 167

Correction des activités du chapitre 1 Activité 1 Identifier les supports biologiques de l identité sexuelle Appareil génital d'une souris mâle Reins Vésicules séminales Testicules Épididyme Vessie Glandes de Tyson Pénis Spermiducte = canal déférent Prostate Uro-spermiducte Appareil génital d une souris femelle Reins Ovaire Oviducte Graisse Uretère Utérus Vessie Vagin Corrigés des activités Séquence 9 SN12 169

Trompe Ovaire Ovule expulsé de l ovaire Cavité de l utérus Muqueuse utérine Paroi de l utérus Col de l utérus Utérus Vagin Vulve Canal déférent Vessie Prostate Vésicule séminale Pénis Épididyme Urètre (conduit uro-génital) Testicule Les appareils génitaux ont une organisation commune comprenant des structures qui ont des rôles différents dans la procréation : Les gonades ou organes reproducteurs (ovaires ou testicules) produisant les cellules sexuelles ou gamètes et des hormones sexuelles ; Les voies génitales permettant le cheminement des cellules sexuelles ; Les organes génitaux externes. 170 Corrigés des activités Séquence 9 SN12

Phénotype sexuel féminin Phénotype sexuel masculin Organes reproducteurs ou gonades : lieux de production d hormones et de gamètes Ovaires (2) : production d ovocytes et d hormones sexuelles (oestrogènes et progestérone). Testicules (2) : production de spermatozoïdes et d hormone sexuelle (testostérone). Remarque le vagin et le pénis sont des organes permettant l accouplement. Voies génitales : organes permettant le passage des gamètes produits Organes génitaux externes Pavillons des trompes (2) Trompes (2) Utérus (1) Col de l utérus Vagin (1) Vulve (clitoris, petites lèvres et grandes lèvres entourant l orifice génital) Canaux déférents (2) Urètre (1) Des glandes annexes associées aux voies génitales : Vésicules séminales (2) Prostate (1) Pénis Ces documents représentent des caryotypes. La présence de deux chromosomes sexuels X sur le caryotype 5a permet de conclure qu il correspond à un individu de sexe féminin. La présence d un chromosome sexuel X et d un chromosome sexuel Y sur le caryotype 5b permet de conclure qu il correspond à un individu de sexe masculin. Corrigés des activités Séquence 9 SN12 171

Caractéristiques chromosomiques Caractéristiques physiologiques Caractéristiques anatomiques Homme XY Testostérone Testicules Canaux déférents Urètre Vésicules séminales Prostate Femme XX Progestérone Œstradiol Ovaires Trompes Utérus Vagin Activité 2 Activité 3 Caractériser le stade indifférencié du phénotype sexuel. Le stade indifférencié signifie que les gonades d un embryon masculin ou féminin sont identiques. Elles possèdent les mêmes cellules. Cela implique que lorsqu elle se différencie, une gonade peut devenir un ovaire ou un testicule. Se pose donc la question du facteur qui fera évoluer la gonade vers l une ou l autre des deux voies possibles. L embryon masculin et féminin possèdent les mêmes ébauches de voies génitales : les canaux de Müller et les canaux de Wolff. A ce stade il n y a donc pas de voies génitales masculines ou féminines. Se pose également la question du facteur à l origine de la différenciation de ces voies génitales. Nous savons que les caryotypes des embryons masculins et féminins sont différents : XY dans un cas et XX dans l autre. Il semble donc raisonnable de poser l hypothèse suivante : les chromosomes sexuels seraient à l origine de la différenciation des gonades en ovaires ou testicules. Cette hypothèse peut être affinée. L élément déterminant est-il la présence ou l absence du chromosome Y, la présence supplémentaire d un chromosome X? Montrer que le sexe gonadique est contrôlé par le sexe génétique. Les testicules se différencient en premier à la 7 ème semaine du développement embryonnaire ; Les ovaires ne se différencient qu à partir de la 10 ème semaine. Les testicules et les ovaires ne sont pas encore fonctionnels. Il s agit de montrer que le chromosome Y joue un rôle dans la réalisation du phénotype sexuel masculin. Le document 9 montre que les individus 1 et 3 comportant uniquement des chromosomes X au niveau de leur caryotype sont des femmes. Elles présentent des 172 Corrigés des activités Séquence 9 SN12

ovaires (fonctionnels ou non) des voies génitales et des organes génitaux externes féminins. Les caractères sexuels secondaires ne sont pas développés chez la femme atteinte du Syndrome de Turner. Les individus 2 et 4 comportant au moins un chromosome Y au niveau de leur caryotype sont des hommes avec des testicules (fonctionnels ou non), des voies génitales et des organes génitaux externes masculins. Les caractères sexuels secondaires sont très peu développés chez l individu atteint du syndrome de klinefelter. La différenciation des gonades en testicules dépend par conséquent de la présence du chromosome Y indépendamment du nombre de chromosomes X. Le document 10 précise qu on a identifié un gène sur le chromosome Y, le gène SRY. On peut donc supposer que la différenciation des gonades en testicules dépend entre autre de la présence d un gène porté par le chromosome Y. Cette hypothèse est vérifiée par l expérience de transgénèse présentée dans le document 11. On peut donc établir la conclusion suivante : L acquisition du sexe gonadique masculin est déterminée par la présence du chromosome Y et plus précisément l expression du gène SRY. En absence du chromosome Y, les gonades se différencient en ovaires. Corrigés des activités Séquence 9 SN12 173

Activité 4 Comparer les étapes du développement des voies génitales chez des embryons de sexe féminin et de sexe masculin. Caryotype X Y Voies génitales indifférenciées Canaux de Wolff Canaux de Müller Caryotype X X Semaines après la conception 6 7 Disparition des canaux de Müller 8 Différenciation des canaux de Wolff en voies génitales masculines (canaux déférents) 9 Apparition prostate et vésicules séminales Disparition des canaux de Wolff 10 16 Différenciation des canaux de Müller en voies génitales féminines) 17 NAISSANCE 39 Voies génitales masculines internes et organes génitaux externes non fonctionnels Voies génitales féminines internes et organes génitaux externes non fonctionnels Différenciation des gonades indifférenciées en testicules Différenciation des gonades indifférenciées en ovaires Nous constatons que la différenciation des voies génitales est précédée par la différenciation des gonades ovaires ou testicules.on peut, par conséquent, poser l hypothèse suivante : les gonades contrôleraient la différenciation des voies génitales. 174 Corrigés des activités Séquence 9 SN12

Activité 5 Montrer l existence d un contrôle hormonal de la différenciation des voies génitales. Il s agit de montrer à partir de l étude des cas de free-martin que les testicules ont une influence hormonale sur la différenciation sexuelle. Un jumeau femelle au phénotype sexuel masculinisé Le document 14 indique que lorsqu une vache a des jumeaux de sexe différents, le mâle se développe normalement et devient un taureau fertile. La femelle en revanche, a une forte musculature, est le plus souvent stérile avec des ovaires atrophiés masculinisés, des voies génitales dérivant des canaux de Müller réduites, alors que sont présents les canaux déférents et les glandes accessoires dérivant des canaux de Wolff. L existence de liaisons sanguines entre les deux jumeaux Des chercheurs (document 15) ont observé que ce phénomène ne se réalisait que lorsque les jumeaux étaient de sexe différents et qu il existait des liaisons sanguines entre les deux au niveau du placenta commun résultant de la fusion des deux placentas. En sachant que la chronologie de différenciation des appareils génitaux se déroule dans le même ordre que dans l espèce humaine, on peut émettre l explication suivante : Les testicules du jumeau mâle se différencie en premier et sécrètent dans le sang une ou des hormones qui, grâce aux liaisons sanguines placentaires, joue(nt) un rôle dans la différenciation de l appareil génital (gonades et voies génitales) chez le jumeau femelle. La différenciation des voies génitales sous contrôle hormonal testiculaire dans le cas du free-martin Jumeau mâle XY Différenciation plus précoce des gonades en testicules Hormones Placenta commun Jumeau femelle XX Musculature Ovaires anormaux Pas de voies génitales femelles Présence de canaux déférents, des vésicules séminales et de la prostate Différenciation des voies génitales mâles Différenciation des organes génitaux externes mâles Liaisons sanguines Ces observations ont permis de conclure que, la différenciation des voies génitales du sexe mâle dépend d un contrôle hormonal des gonades. Corrigés des activités Séquence 9 SN12 175

Activité 6 Préciser les hormones testiculaires intervenant dans la réalisation du phénotype sexuel mâle. Jost a réalisé des expériences de castrations chez des fœtus de lapins mâles afin de préciser le rôle des testicules dans la différenciation des voies génitales. Nous constatons que chez des fœtus mâles témoins dont les testicules se sont différenciés, les canaux de Wolff se développent alors que les canaux de Müller régressent. Nous constatons que chez les fœtus mâles castrés avant la différenciation des voies génitales, les canaux de Wolff régressent alors que les canaux de Müller se développent. Les testicules interviennent par conséquent dans la différenciation des voies génitales qui correspond à la différenciation des canaux de Wolff en voies génitales mâles. Les organes cibles de la testostérone Les canaux de Wolff Les organes génitaux externes indifférenciés Les organes cibles de l AMH Les canaux de Müller Il s agit d établir un lien entre l évolution des taux de testostérone et d AMH au cours des mois de grossesse et la chronologie de la différenciation des voies génitales chez un fœtus de sexe masculin. Document 18 : La sécrétion importante de testostérone par les testicules entre la 8 e semaine et la 16 e semaine du développement, entraîne la différenciation, à partir des canaux de Wolff, des voies génitales mâles et des glandes telles que les vésicules séminales et la prostate (document 13 : vers la 10 e semaine) ainsi que la masculinisation des organes génitaux externes. Le taux de testostérone diminue ensuite et devient très faible à la naissance Document 19 : La sécrétion d hormone anti-müllérienne (AMH) entraîne durant le même laps de temps la dégénérescence des canaux de Müller. Le taux d AMH diminue mais est encore important à la naissance. Chez un fœtus de sexe masculin, les hormones testiculaires contrôlent la sexualisation des voies génitales. La testostérone stimule la masculinisation dès la 8 e semaine des canaux de Wolff à l origine des voies génitales masculines et des organes sexuels externes. L hormone antimüllérienne (AMH) entraîne la régression des canaux de Müller. 176 Corrigés des activités Séquence 9 SN12

Testicules immatures Cellules interstitielles Cellules de Sertoli 7s + Canaux de Wolf Testostérone + Organes génitaux externes indifférenciés AMH + Canaux de Muller 8s Différenciation des voies génitales mâles Différenciation des organes génitaux externes 9s 10s Apparition des vésicules séminales + prostate Disparition Légende : Cellules cibles des hormones sécrétées par les testicules immatures + stimulation Activité 7 Préciser le rôle des ovaires dans la féminisation des voies génitales. Jost a réalisé des expériences de castrations chez des fœtus de lapins femelles afin de préciser le rôle des ovaires dans la différenciation des voies génitales. Nous constatons que les canaux de Wolff régressent et que les canaux de Müller se différencient aussi bien dans le lot témoin, où les ovaires sont présents, que dans le lot ayant subi une ablation des ovaires. Nous pouvons donc conclure que la différenciation des voies génitales n est pas sous le contrôle des ovaires chez un fœtus femelle. Chez un fœtus de sexe féminin, l absence de testostérone est à l origine de la régression puis de la disparition des canaux de Wolff, et l absence d AMH (document 19) permet la persistance puis la différenciation des canaux de Müller en voies génitales féminines. Corrigés des activités Séquence 9 SN12 177

Caryotype XX Caryotype XY Pendant le développement embrayonnaire puis fœtal Étape 1 : stade phénotypique indifférencié Étape 2 : du sexe génétique au sexe gonadique Étape 3 : du sexe gonadique au sexe phénotypique Gonades indifférenciées Ovaires immatures Voies génitales indifférenciées canaux de Wolff canaux de Müller Voies génitales indifférenciées Disparition des canaux de Wolff Différenciation des canaux de Müller trompe utérus organes génitaux externes Gonades indifférenciées Testostérone Testicules immatures Différenciation des canaux de Wolff canaux déférents... organes génitaux externes AMH Disparition des canaux de Müller NAISSANCE PHÉNOTYPE FÉMININ Appareil génital NON FONCTIONNEL PHÉNOTYPE MASCULIN Appareil génital NON FONCTIONNEL Activité 9 Comprendre l organisation des ovaires et des testicules Cellules de Sertoli Tubes séminifères Paroi de tube séminifère Cellules de Leydig Spermatozoïdes Vaisseau sanguin 178 Corrigés des activités Séquence 9 SN12

Follicules ovariens à différents stades de développement Cellules folliculaire Ovule immature Activité 10 Préciser les changements morphologiques et fonctionnels qui caractérisent la puberté. Modifications affectant les caractères sexuels primaires et développement des caractères sexuels secondaires à la puberté dans les deux sexes Caractères sexuels primaires rendant aptes à la procréation Caractères sexuels secondaires Sexe féminin Développement organes génitaux des augmentation de la masse des ovaires et de l utérus à mettre en relation avec une mise en fonctionnement apparition des premières règles qui montrent la mise en fonctionnement cyclique des ovaires et par la même de l endomètre utérin Apparition de la pilosité pubienne Sexe masculin Développement organes génitaux des augmentation de la masse des testicules et des glandes annexes, vésicules séminales et prostate à mettre en relation avec une mise en fonctionnement premières éjaculations montrant que le sperme se forme (mise en route de la spermatogenèse dans les testicules et sécrétions des glandes annexes) Apparition de la pilosité pubienne Développement seins des Il s agit de montrer que le développement des caractères sexuels dépend de la mise en fonctionnement des gonades à la puberté Corrigés des activités Séquence 9 SN12 179

Activité 11 Document 25 : les castrats, individus de sexe masculin à qui on a enlevé les testicules avant la puberté ne présentent pas de mue au niveau de la voix et sont imberbes à l âge adulte. Les testicules à la puberté, interviennent sur le développement du larynx, des cordes vocales et sur la pilosité, c est-à-dire qu ils permettent le développement de caractères sexuels secondaires. Document 26 : Les femmes atteintes de syndrome de Turner ont les ovaires atrophiés peu fonctionnels ne produisant pas suffisamment d hormones sexuelles féminines. Elles ne présentent pas de caractères sexuels secondaires tels qu un développement des seins. Elles n ont pas de règles ce qui indique que leur endomètre utérin ne présente pas un fonctionnement cyclique. L injection d hormones ovariennes permettant le développement de leurs caractères sexuels secondaires et une poussée de croissance. On peut dire que les ovaires par l intermédiaire des hormones ovariennes permettent à la puberté l apparition des caractères sexuels secondaires et la mise en fonctionnement de l utérus. Document 27 : le taux d œstrogènes augmente régulièrement dès l âge de 8 ans, par contre la progestérone n est sécrétée par les ovaires qu à partir de 13 ans. Les ovaires commencent à sécréter des hormones à la puberté : ils se mettent donc à fonctionner. Cependant la progestérone étant produite par le corps jaune durant la phase post-ovulatoire, elle ne peut être sécrétée que lorsque suite à l évolution d un follicule, il y a ovulation et formation d un corps jaune. Sa sécrétion reflète par conséquent la mise en fonctionnement cyclique des ovaires. A la puberté, la mise en fonctionnement des gonades est à l origine de l apparition des caractères sexuels : Chez la fille, les ovaires commencent à sécréter dans un premier temps des œstrogènes qui sont à l origine de l apparition des caractères sexuels secondaires, tels que le développement des seins La sécrétion de progestérone n apparaissant que lorsque le cycle ovarien est installé. Ce dernier par l intermédiaire des œstrogènes et de la progestérone conditionne alors le cycle utérin. Chez le garçon, la mise en fonctionnement des testicules avec la production de testostérone entraîne l apparition de caractères sexuels secondaires tels que la mue de la voix, le développement de la pilosité. Différencier ce qui relève de l identité sexuelle et de l orientation sexuelle. L identité sexuelle est conférée dès la naissance (et même avant) et se réfère au genre féminin ou masculin selon lequel l individu est reconnu. Elle est également influencée par les structures sociales, comme l appartenance culturelle, l éducation ou la famille, la religion, le statut social, la situation professionnelle, ainsi que par les archétypes et les stéréotypes : 180 Corrigés des activités Séquence 9 SN12

Activité 12 Les archétypes ou modèles idéaux, caractérisant les femmes et les hommes, sont liés à la morphologie de la femme et de l homme. Les stéréotypes, croyances partagées concernant les traits de personnalité et le comportement caractérisant la féminité et la masculinité, varient selon les sociétés : on associe à l un ou l autre sexe de façon arbitraire, rigide, des caractéristiques personnelles et des rôles sociaux différents : la féminité est associée à des qualificatifs tels que affectivité, émotivité, douceur alors que la masculinité s assimile souvent à l idée de force, de rigueur, de comportements fermes Il s agit par conséquent d une notion complexe qui dépend de la sphère publique. L orientation sexuelle, définie par le genre sexuel par lequel nous sommes attirés sexuellement, relève de l intimité des personnes. Identifier les structures à l origine du plaisir sexuel Il existerait dans le cerveau une zone à l origine du plaisir. En autostimulant leur région septale, les rats «s administreraient» du plaisir. Il faut maintenant rechercher quelles sont les zones du cerveau impliquées dans la recherche du plaisir. Cortex Septum Cortex préfrontal Hypothalamus Noyau accumbens Amygdale Aire Tegmentale Ventrale (ATV) Cervelet Le document 37A montre que la consommation de jus de pomme par le singe est suivie d une augmentation de l activité des neurones de l ATV. Cette augmentation d activité se traduit par une production plus importante de dopamine.la deuxième expérience montre que la seule Corrigés des activités Séquence 9 SN12 181

vue du signal lumineux anticipant la consommation de jus de pomme suffit activer les neurones à dopamine L arrivée d un signal annonçant une récompense est suivie de modifications biologiques : les neurones de l aire tegmentale ventrale sont stimulés produisant plus de dopamine. Cette expérience met en évidence le lien entre le cortex cérébral (en particulier le cortex visuel ou se forment les représentations du monde extérieur) et les neurones dopaminergiques de l ATV. Activation du circuit de la récompense Cortex Signal annonçant une récompense Septum Cortex préfrontal Hypothalamus Noyau accumbens Sentiment de satisfaction Amygdale Aire Tegmentale Ventrale (ATV) Cervelet Entrées sensorielles Informations émises par l ATV Informations arrivant aux neurones de l ATV Dopamine En réalité cela est un peu plus complexe que ce qui a été présenté car toutes les structures sont interconnectées. 182 Corrigés des activités Séquence 9 SN12

Cortex préfrontal Septum Noyau accumbens Amygdale Hypothalamus La stimulation électrique des neurones du septum mimait la libération de dopamine activant le circuit de la récompense générant une sensation de plaisir.[non attendu] La deuxième expérience montre, qu à la suite de l activation de zones du cerveau stimulant le circuit de la récompense, la recherche de plaisir peut être sans limite et s effectuer au détriment de fonctions vitales comme l alimentation ou le sommeil. Cela implique que des informations relatives à l équilibre général de l organisme sont shuntées.ces découvertes ont également permis d apporter des éléments de compréhension au phénomène de l addiction (jeu, drogues ) ATV Corrigés des activités Séquence 9 SN12 183

Correction des activités du chapitre 2 Activité 1 Les caractéristiques de la communication hormonale membrane plasmique noyau Cellule endocrine cytoplasme Vaisseau sanguin Cellule cible Hormone Récepteur spécifique de cette hormone Récepteurs non spécifiques de cette hormone 1 3 5 Stimulation de la cellule spécialisée L hormone est transportée par la circulation sanguine Modification de l activité de la cellule cible à la suite de la liaison hormone-récepteur 2 4 Libération de l hormone dans le sang Fixation de l hormone sur des récepteurs spécifiques de la cellule cible Remarque La liaison entre l hormone et son récepteur spécifique est temporaire. 184 Corrigés des activités Séquence 9 SN12

Activité 2 La fonction des testicules après la puberté Paroi du tube séminifère Cellule de Leydig Vaisseau sanguin Cellule de Sertoli Cellules à l origine des spermatozoïdes Spermatozoïdes Lumière du tube séminifère Dans la paroi des tubes séminifères, se déroule la production de spermatozoïde ou spermatogénèse. Cette spermatogénèse commence à la puberté et s achève à la mort de l individu.les cellules de Leydig sont des cellules endocrines. Elles sécrètent de la testostérone qui agit sur de nombreuses cellules cibles. Activité 3 Le rôle du complexe hypothalamo-hypophysaire sur le fonctionnement des testicules L injection dans le sang d extraits d hypophyse qui contiennent donc des molécules extraites de cet organe suffit à remédier aux troubles provoqués par les tumeurs : c est donc que l hypophyse lorsqu elle est présente et en bon état, agit sur les testicules par voie sanguine grâce à des molécules : il s agit donc d une commande hormonale. Anatomie : Fonctionnement : L encéphale dans la tête Localisation du complexe hypothalamus-hypophyse sur une coupe du cerveau Réseau de capillaires sanguins entre l hypothalamus et l hypophyse Hypophyse antérieure : cellules secrétrices de LH et de FSH Tige hypophysaire Stimulation des cellules secrétrices de LH et FSH par la GnRH Libération pulsatile de GnRH et FSH dans le sang Ces expériences permettent d établir les conclusions suivantes : 1. Les cellules de Sertoli portent des récepteurs à LH. (Faux) 2. Les cellules de Leydig portent des récepteurs à FSH. (Faux) 3. Les cellules de Leydig portent des récepteurs à LH. (Vrai) 4. Les cellules de Sertoli portent des récepteurs à FSH. (Vrai) Corrigés des activités Séquence 9 SN12 185

Justification : L injection de LH n entraîne aucune modification de l activité des cellules de Sertoli. Ces cellules ne possèdent pas de récepteurs à LH. L injection de FSH n entraîne aucune modification de l activité des cellules de Leydig (pas de production de testostérone). Ces cellules ne possèdent pas de récepteurs à LH. L injection de LH entraine une augmentation du nombre de cellules de LH et donc de testostérone. L injection de LH a donc été à l origine d une modification de l activité de cellules de Leydig. Elles possèdent donc des récepteurs à LH. L injection de FSH entraine une modification des cellules de Sertoli (croissance, stimulation de la spermatogénèse). Ces cellules possèdent donc des récepteurs à FSH. Nous pouvons constater que les deux graphes ont la même allure : le taux de testostérone augmente dans les minutes qui suivent l augmentation du taux de LH et il diminue peu après la diminution du taux de LH. Nous pouvons donc penser que l augmentation du taux de LH dans le sang stimule les cellules productrices de testostérone. Ces données confirment donc les résultats des expériences précédentes. Cellule à LH de l hypophyse antérieure Vaisseau sanguin Cellule de Leydig LÉGENDE LH Récepteur spécifique de LH Production de testostérone Récepteur non spécifique de LH Récepteur non spécifique de LH 186 Corrigés des activités Séquence 9 SN12

Hypothèse : On a vu que l hypophyse était, d un point de vue anatomique, relié à l hypothalamus. On peut supposer qu il existe également une relation fonctionnelle. Si l hypophyse est détruite ou atteinte d une tumeur, la production de LH doit être insuffisante. Les cellules productrices de testostérone ne sont donc pas stimulées correctement et le taux de testostérone est très bas. Les fonctions qui dépendent de la présence de testostérone dans le sang sont perturbées (maintien des caractères sexuels secondaires notamment). Cette hypothèse est confirmée par le fait que des injections d extraits d hypophyse corrigent ces troubles : ils contiennent de la LH dont le taux sanguin est ainsi augmenté : les cellules productrices de testostérone sont stimulées, le taux de testostérone sanguin augmente, et ses effets sont perceptibles. Anatomie : Fonctionnement : Neurones de l hypothalamus L encéphale dans la tête Localisation du complexe hypothalamus-hypophyse sur une coupe du cerveau Réseau de capillaires sanguins entre l hypothalamus et l hypophyse Hypophyse antérieure : cellules secrétrices de LH et de FSH Libération pulsatile de GnRH dans le sang Tige hypophysaire Stimulation des cellules secrétrices de LH et FSH par la GnRH Libération pulsatile de GnRH et FSH dans le sang Le GnRH est une substance chimique produite par des cellules nerveuses (neurones) mais qui peut agir sur des cellules éloignées de son lieu de production. Pour ces raisons,on la qualifie de neurohormone. La sécrétion de GnRH est pulsatile : pics brefs (l échelle est en heures) correspondant à des moments de sécrétion intense, puis période où le taux est très bas correspondant à des périodes sans sécrétion. Les deux graphes ont la même allure générale : chaque pic de GnRH est rapidement suivi d un pic de LH. On peut donc penser que les cellules hypophysaires sécrétrices de LH sont stimulées par la GnRH présente dans le sang. Corrigés des activités Séquence 9 SN12 187

Complexe hypothalamo-hypophysaire Hypothalamus GnRH + Hypophyse LH FSH + Cellule de Leydig + Cellule de Sertoli + Spermatogénèse Testicule + Remarque Les cellules de Sertoli possèdent des récepteurs à la testostérone. En se fixant sur ces récepteurs, la testostérone stimule la production de spermatozoïdes. Testostérone + Maintient des caractères sexuels secondaires La LH et la FSH participent donc toutes les deux à la spermatogénèse. La FSH de façon directe en se fixant sur des récepteurs spécifiques et la LH en stimulant la production de testostérone. 188 Corrigés des activités Séquence 9 SN12

Activité 4 Les cycles ovariens et utérins sont synchrones.,, et : Cycle ovarien Phase folliculaire ovulation Phase lutéale Cycle menstruel utérin règles D C Follicule de Degraaf A B corps jaune régression du corps jaune règles 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Jours du cycle h f lli l i h l éi i Granulosa = cellules folliculaires Cavité folliculaire Ovule immature Thèques Corrigés des activités Séquence 9 SN12 189

A Myomètre Endomètre Cavité utérine Observation microscopique d une coupe d utérus durant : A : la première partie du cycle B : la deuxième partie du cycle B Remarque : on peut noter que l allongement et la ramification des glandes utérines donnant à la muqueuse utérine dans un aspect dentellé. A glandes en tube vaisseaux sanguins B C Muqueuse utérine Muscle utérin D Règles Les modifications subies par la muqueuse utérine concourent à créer un environnement favorable à la nidation d un embryon. En effet, lorsque celle-ci intervient c est-à-dire entre le 20e et le 27e jour du cycle : la muqueuse utérine est épaisse, ce qui est favorable à l implantation d un embryon les nombreuses glandes en tube sécrètent des substances glucidiques qui permettent la nutrition de l embryon dépourvu de réserves nutritives et n ayant pas encore de placenta les vaisseaux sanguins sont nombreux : ils participent à la formation du placenta. 190 Corrigés des activités Séquence 9 SN12

Activité 5 Activité 6 Les cycles ovarien et utérin sont synchronisés : les modifications qui affectent les follicules et celles qui affectent la muqueuse utérine se déroulent en parallèle, suivant le même rythme, lors de chaque cycle. Cette synchronisation est fondamentale pour que la procréation soit possible : à chaque cycle, l organisme se prépare pour une gestation éventuelle. Ainsi lorsqu un embryon issu d une fécondation faisant suite à l ovulation arrive dans l utérus, celui-ci est prêt pour permettre son implantation dont dépend son développement. Le rôle des hormones ovariennes Expérience 1 : On constate que l ablation des deux ovaires empêche le développement de la muqueuse utérine. On en déduit que l activité de l utérus est contrôlée par les ovaires. Expérience 2 : On constate que la greffe des ovaires sous la peau c est-à-dire à un autre endroit que leur localisation d origine rétablit l activité utérine. Cela confirme que les ovaires contrôlent l activité de l utérus. La greffe permet l établissement de connexions sanguines entre organes, mais pas des connexions nerveuses. On peut donc préciser que les ovaires contrôlent l activité utérine par voie sanguine c est-àdire par voie hormonale. Expérience 3 : On constate que des injections dans le sang d extraits ovariens permettent de rétablir une activité utérine même en l absence des ovaires eux-mêmes : cela confirme que les ovaires agissent par l intermédiaire de substances véhiculées par le sang. Lorsque l on pratique l ablation des ovaires on supprime le système de contrôle du fonctionnement de l utérus : il n y a plus d hormones ovariennes dans le sang. La muqueuse utérine ne subit donc pas de modifications : pas d épaississement, pas de destruction (donc pas de règles). Caractériser la sécrétion d hormones ovariennes On peut distinguer 2 cycles. Le taux d oestrogènes dans le sang, très faible en début de phase folliculaire, augmente progressivement jusqu au 8 e jour ; on observe ensuite une augmentation rapide, brutale : le taux atteint un maximum très élevé 24 à 36 heures avant l ovulation, on parle de pic de sécrétion. Après ce pic, le taux diminue (mais reste plus élevé qu en phase folliculaire) avant une deuxième période de forte sécrétion vers le 21 e jour. À partir du 24 e jour, le taux plasmatique d oestrogène «s effondre». La progestérone est produite uniquement en phase lutéale. Son taux plasmatique augmente fortement jusqu au 21 e jour, puis diminue et s effondre lui aussi en fin de cycle. Corrigés des activités Séquence 9 SN12 191

Activité 7 [Non attendu] Relation entre les taux des hormones ovariennes et les structures ovariennes. Les oestrogènes sont produits tout au long du cycle, d abord par les follicules en cours de maturation (cellules de la thèque interne et cellules folliculaires) puis par les cellules de la thèque du corps jaune.les oestrogènes sont responsables du développement de la muqueuse utérine : ils stimulent la prolifération par mitose des cellules de l endomètre, le développement des glandes en tube ainsi que la prolifération des vaisseaux sanguins. La progestérone est produite uniquement en phase lutéale par les cellules lutéales du corps jaune. La progestérone est indispensable au maintien d une muqueuse utérine épaisse pendant la phase lutéale. Elle est responsable du développement très important des glandes en tube et des vaisseaux sanguins conduisant à la dentelle utérine. Cependant, son action ne peut s exercer que si les cellules cibles ont préalablement subi l action des oestrogènes Au début de la phase folliculaire les follicules cavitaires qui se transforment et croissent produisent des oestrogènes. À partir du 6 e jour, le follicule «dominant», le seul à poursuivre son évolution augmente beaucoup de taille et se transforme progressivement follicule mûr. Il sécrète de grandes quantités d oestrogènes : c est ce qui explique le pic de sécrétion. Cette augmentation du taux d oestrogènes stimule pendant toute cette phase du cycle l épaississement de la muqueuse utérine. Après l ovulation, le follicule se transforme en corps jaune, la production d oestrogènes se poursuit et celle de progestérone commence. Sous l action combinée de ces deux hormones la dentelle utérine se met en place. Si aucun embryon ne s implante dans la dentelle utérine, le corps jaune régresse : il produit donc de moins en moins d hormones (c est pourquoi les taux plasmatiques d hormones ovariennes s effondrent en fin de cycle), le maintien de la dentelle utérine ne peut donc plus être assuré, elle est détruite : ce sont les règles. Les relations fonctionnelles entre l hypothalamus, l hypophyse les ovaires et l utérus Le document 20 présente l évolution des taux d hormones ovariennes au cours d un cycle. Le taux de LH faible au début du cycle, augmente pendant toute la durée de la phase folliculaire qui se termine par un très important pic quelques heures avant l ovulation (celui d oestrogènes a lieu un à deux jours avant). Pendant la phase lutéale le taux de LH diminue. Le taux de FSH est élevé au début de la phase folliculaire. Il augmente dans les premiers jours, après quoi mis à part un pic de sécrétion (de moindre amplitude que celui de LH) quelques heures avant l ovulation, il diminue progressivement tout au long du cycle. 192 Corrigés des activités Séquence 9 SN12

Activité 8 Le document 21 permet d établir les conclusions suivantes : La présence de l hypophyse est nécessaire à la sécrétion des hormones ovariennes. Certains neurones de l hypothalamus stimulent la sécrétion d hormones par l hypophyse et donc l activité ovarienne. La suppression des connexions sanguines entre l hypothalamus et l hypophyse entraine un arrêt de la production des hormones hypophysaires. Les neurones hypothalamiques stimulent les cellules de l hypophyse en libérant une substance dans le sang. Cette substance est le GnRH puisque son injection de façon pulsatile rétablit le taux des hormones hypophysaires. Le document 22 permet de préciser les relations entre les hormones hypophysaires et les hormones ovariennes (oestrogènes et progestérone) via les structures ovariennes (follicule puis corps jaune). On peut rassembler ces données sur le schéma ci-dessus. A noter que la commande du fonctionnement ovarien repose sur un modèle similaire à celui contrôle le fonctionnement de la fonction reproduction chez l homme. On retrouve des structures identiques, hypothalamus et hypophyses et des molécules identiques, GnRH, FSH et LH. La testostérone limite sa propre sécrétion. Complexe hypothalamo-hypophysaire Follicule ovarien Hypothalamus Hypophyse Corps jaune On constate qu après castration, le taux sanguin de LH augmente considérablement : il est compris entre 10 et 20 ng. ml -1 au lieu de 1 à 3 ng. ml -1. Avec les implants délivrant continuellement de la testostérone dans le sang, le taux de LH retrouve des valeurs faibles, proches de celles d avant la castration. Lorsqu il y a de la testostérone dans le sang, c est-à-dire en A (avant castration) et en C (grâce aux implants), le taux de LH est faible ; lorsqu il n y a pas de testostérone (après castration) le taux de LH dans le sang est élevé : la testostérone semble donc empêcher ou tout au moins limiter la sécrétion de LH par l hypophyse. + LH Œstrogènes + + + + Ovulation Ovaire GnRH Œstrogènes + Utérus FSH + + Progestérone Corrigés des activités Séquence 9 SN12 193

Complexe hypothalamo-hypophysaire Hypothalamus GnRH + Hypophyse Rétroaction négative + LH FSH + Cellule de Leydig Cellule de Sertoli + Spermatogénèse Testicule + Testostérone + Maintient des caractères sexuels secondaires + action stimulatrice action hinhibitrice La testostérone exerce une action inhibitrice sur le complexe hypothalamo-hypophysaire : l augmentation du taux de testostérone dans le sang provoque une diminution de la sécrétion de LH et de FSH. Une diminution du taux de testostérone dans le sang lève cette inhibition ce qui permet une augmentation des taux de LH. Cela suppose que le complexe hypothalamo-hypophysaire détecte en permanence le taux plasmatique de testostérone. Des expériences utilisant de la testostérone marquée ont mis en évidence la fixation de cette hormone dans les cellules hypothalamiques. Il semble que la testostérone se fixe également dans les cellules hypophysaires. La testostérone agit au niveau hypothalamique en réduisant la fréquence des pulses de GnRH et au niveau hypophysaire en diminuant la libération de LH. 194 Corrigés des activités Séquence 9 SN12

Activité 9 Finalement, c est la testostérone elle-même qui contrôle sa propre sécrétion : il se produit une autorégulation. Celle-ci se réalise parle biais du complexe hypothalamo-hypophysaire : la testostérone exerce une action sur la structure qui stimule sa sécrétion, c est donc une action en retour : on parle de rétroaction ou de rétrocontrôle. Cette action étant une inhibition, on la qualifie de rétroaction négative (ou rétrocontrôle négatif). Les capteurs sont localisés dans l hypothalamus et l hypophyse (puisque des expériences montrent que l on retrouve la testostérone fixée au niveau de ces cellules). Le messager est la LH et les effecteurs sont les cellules productrices de testostérone c est-à-dire les cellules de Leydig présentes dans le tissu interstitiel des testicules. La régulation des variations cycliques des taux d hormones chez la femme. La disparition de l oestradiol et de la progestérone s explique par l ablation des ovaires : ces deux hormones sont en effet produites par les ovaires. On constate que la disparition de ces hormones s accompagne d une augmentation du taux de LH dans le sang (taux de l ordre de 20 ng par ml au lieu de 5 (en ne tenant pas compte du pic). On peut donc émettre l hypothèse que en temps normal les œstrogènes produits par les ovaires limitent, inhibent la production de LH par l hypophyse antérieure. On constate que l injection d œstradiol a pour conséquence une diminution du taux plasmatique de LH (et la disparition de la pulsatilité de sa sécrétion). Ce résultat confirme l existence d un rétrocontrôle exercé par l œstradiol : lorsqu il y a davantage d œstradiol, il y a moins de LH produite. Les œstrogènes exercent donc une action inhibitrice sur le complexe hypothalamo-hypophysaire : c est un rétrocontrôle négatif. Pendant la phase folliculaire le taux d oestrogènes produits par les follicules cavitaires en cours de maturation augmente progressivement jusqu au 10e jour ; les oestrogènes exerçant un rétrocontrôle négatif sur le complexe hypothalamo-hypophysaire, il y a diminution progressive du taux de LH pendant cette phase. Lors de la phase lutéale la même situation se reproduit avec les oestrogènes produits par le corps jaune. La forte augmentation du taux de LH (pic de LH) consécutive à libération brutale et massive par le follicule mûr (pic d oestrogènes) est inexplicable par ce rétrocontrôle on devrait avoir une chute brutale et très forte de la production de LH soit exactement le contraire de ce qui se passe!il semblerait qu à ce moment du cycle, le système s emballe. En effet à la forte augmentation du taux d oestrogènes, le complexe hypothalamo-hypophysaire réagit en augmentant la sécrétion de LH et de FSH. La rétroaction devient donc positive en fin de phase folliculaire, dans les jours qui précèdent l ovulation. Corrigés des activités Séquence 9 SN12 195

[Non attendu] Cette inversion du rétrocontrôle à ce moment est fondamentale : elle synchronise l arrivée à maturité du follicule et la commande de l ovulation. Les oestrogènes qui sont libérés massivement à cette période sont produits par le follicule mûr. La libération massive de LH qui s en suit du fait de l inversion du rétrocontrôle à ce moment agit sur ce follicule mûr en provoquant l ovulation. Activité 10 Préciser les molécules intervenant dans le cadre de la contraception et leurs organes cibles. 1. Facilite l entrée des spermatozoïdes dans l utérus. Faux 2. Provoque un épaississement de la glaire cervicale. Vrai 3. S oppose au passage des spermatozoïdes dans l utérus. Vrai 4. provoque un relâchement des mailles de la glaire cervicale. Faux Type de pilule Substances chimiques Mode d utilisation Action au niveau des organes cibles Ovaire Glaire cervicale Endomètre Pilule oestroprogestative normodosée. Elles comportent un œstrogène et de la progestérone de synthèse. Combinée : prise d une pilule présentant une association oestroprogestative sur 21 jours avec arrêt de 7 jours avant le cycle suivant. Absence d ovulation Modification de la glaire cervicale qui devient imperméable aux spermatozoïdes. La rencontre des gamètes, préalable à la fécondation est donc empêchée. L endomètre ne se développe pas et devient impropre à la nidation. Au cours d un cycle normal, le taux d œstradiol augmente pour atteindre un pic le 14 ème jour. Du 16 ème au 30 ème jour, le corps jaune produit de l œstradiol et de la progestérone. La chute du taux de progestérone correspond à la régression du corps jaune.sous pilule, le taux d œstradiol reste faible et constant. On n observe plus de variations cycliques. Le taux de progestérone est nul ce que l on peut expliquer par une absence de corps jaune.au cours d un cycle normal, les taux des hormones hypophysaires (FSH et LH) varient. La LH est sécrétée tout au long du cycle mais présente un pic peu avant le 16 ème jour. Ce pic de LH précède de peu l ovulation que l on peut situer le 16 ème jour du cycle.la FSH est surtout sécrétée au début de la phase folliculaire. Au cours d un cycle sous pilule la concentration de FSH reste très faible de même que la concentration de LH qui ne présente plus de pic de sécrétion. 196 Corrigés des activités Séquence 9 SN12

Le 32 e jour les règles ont pour origine la chute du taux de progestérone liée à la dégénérescence du corps jaune.le 56 e jour, l origine des règles est liée à l arrêt de la prise de la pilule. Les pilules contiennent des hormones. Lors de l arrêt de la prise de pilule, les hormones contenues dans les pilules n agissent plus sur les cellules cibles de l utérus. Cela simule la chute du taux d hormones ovariennes en fin de cycle «normal» et déclenche les règles. 1. Vrai car nous savons que l ovulation est précédé d un pic de LH et que ce pic de LH déclenche l ovulation. 2. Vrai car nous savons que la FSH stimule la croissance folliculaire au cours de la phase folliculaire. 3. Vrai car le pic d œstradiol est à l origine du pic de LH par rétrocontrôle positif et le pic de LH déclenche l ovulation. 4. Faux. Si les hormones de synthèse exerçaient un rétrocontrôle positif on observerait de forts taux plasmatiques de LH et FSH 5. Vrai. Les hormones contenues dans la pilule accentuent le rétrocontrôle négatif sur le complexe hypothalamo-hypophysaire, rétrocontrôle normalement effectué par les hormones ovariennes. La pilule contient des hormones ovariennes de synthèse qui freinent par rétrocontrôle négatif les sécrétions d hormones hypophysaires. Les taux plasmatiques de FSH et LH sont très faibles. Or nous savons que FSH est à l origine de la croissance folliculaire et que le pic de LH déclenche l ovulation. Sous pilule, il n y aura pas de développement du follicule et la concentration d œstradiol n augmente pas. Si la concentration d œstradiol n augmente pas il n y a pas de rétrocontrôle positif donc pas de pic de LH et pas d ovulation. [Non attendu] Sous pilule, le taux de progestérone est presque nul. Or la progestérone a pour organe cible, l utérus. La progestérone stimule le développement de la muqueuse utérine (vascularisation, développement des glandes, augmentation de l épaisseur par mitose ) Sous pilule, la muqueuse utérine n est pas propice à la nidation d un éventuel embryon. Remarque Certaines pilules, les micropilules, ne contiennent que des progestatifs de synthèse. Elles doivent être prises en continu. Elles ne bloquent pas l ovulation (pics LH et FSH présents) mais agissent sur la glaire cervicale et la muqueuse utérine. Le principal avantage de ces méthodes est de ne pas être contraint chaque jour de prendre un comprimé ce qui évite les problèmes pouvant être générés par l oubli de la prise du contraceptif. Corrigés des activités Séquence 9 SN12 197

Activité 11 Préciser les modes d action des molécules impliquées dans les méthodes d urgence de contraception hormonale Il s agit de préciser comment le lévonorgestrel peut empêcher l ovulation. Le document 37 présente une étude réalisée par des chercheurs chez deux groupes de femmes au cours de cycles sans et avec administration de Lévonorgestrel. Conditions des tests Tests effectués au cours d un cycle témoin. Tests effectués au cours d un cycle où le lévonorgestrel a été administré avant l ovulation. Tests effectués au cours d un cycle où le lévonorgestrel a été administré après l ovulation. Les observations effectuées On observe un pic de LH au jour (0). On observe une modification des taux de LH plasmatique : aucun pic de LH n'est décelable. On observe un pic de LH au jour (0). Conclusions Au cours d un cycle normal, le pic de LH déclenche l ovulation. Le traitement au Lévonorgestrel en inhibant le pic de LH bloque l ovulation. Le traitement au Lévonorgestrel n a aucun effet sur le pic de LH. Administré durant la phase post-ovulatoire, il n empêche pas l ovulation. Activité 12 Comment expliquer le blocage du pic de LH et par la même de l ovulation si le Lévonorgestrel est pris en phase pré-ovulatoire? Le document 38 présente des modèles moléculaires de la progestérone et du Lévonorgestrel. On peut constater qu une partie des molécules sont similaires : le lévonorgestrel peut se fixer sur les récepteurs à la progestérone situés dans les cellules cibles de cette hormone et, comme la progestérone, être à l origine d une modification de leur activité. Dans le cas présent, il bloque le fonctionnement du complexe hypothalamohypophysaire en phase pré-ovulatoire, empêchant le pic de LH, et par la même l ovulation. Préciser les causes possibles d infertilité L absence de spermatozoïdes dans le sperme (azoospermie) a deux grandes causes possibles : Obstacle sur les voies génitales empêchant le passage des spermatozoïdes produits normalement par le testicule (c est un problème obstructif). Testicules ne produisant pas de spermatozoïdes, pour diverses raisons. 198 Corrigés des activités Séquence 9 SN12

Les principales causes d infertilité et leur localisation au niveau des appareils génitaux. Principales causes d infertilité d origine féminine ovaire trompe col de l utérus : glaire cervicale Causes hormonales : troubles de l ovulation Cause mécanique : obstruction des trompes consécutive à une IST Trouble de la réceptivité au sperme Principales causes d infertilité d origine masculine canal déférent vésicule séminale Cause mécanique : canaux déférents obstrués Mobilité des spermatozoïdes insuffisants épididyme testicule Troubles de la production des spermatozoïdes absence du nombre insuffisant anormaux en grande quantité Corrigés des activités Séquence 9 SN12 199

Activité 13 Expliquer les pratiques médicales mises en œuvre en cas de déficience de la fertilité du couple Les étapes de la FIVETE Donneur de sperme Mise au repos de l hypophyse Stimulation hormonale des ovaires Prélèvement des ovocytes juste avant l ovulation Ovule Spermatozoïdes Contact in-vitro Fécondation et début de multiplication cellulaire Implantation dans l utérus de la receveuse Transfert de un ou plusieurs embryons Congélation des embryons surnuméraires L ICSI peut permettre à un couple de ne pas faire appel à un don de spermatozoïdes. On utilise cette technique : quand les spermatozoïdes sont trop peu nombreux ou peu mobiles. en cas d absence de spermatozoïdes dans le sperme ; il est possible d en prélever directement au niveau des testicules. Pourcentage de réussite de chaque technique de PMA entre conjoints. Techniques PMA Tentatives Accouchements % / tentatives Inséminations 48898 4912 10% FIV 19327 3547 18,3% FIV avec ICSI 31161 6419 20,6% TEC 15460 1879 12,1% 200 Corrigés des activités Séquence 9 SN12

Situations auxquelles peuvent répondre les différentes méthodes de PMA Méthode de PMA Insémination artificielle avec le sperme du conjoint (IAC) Insémination artificielle avec le sperme d'un donneur (IAD) Indications thérapeutiques Le sperme du conjoint est conservé dans une banque de sperme si l'homme doit subir un traitement qui risque de le rendre stérile. Le conjoint est peu fertile Les rapports sexuels sont impossibles. Stérilité de l'homme Procédés utilisés Le sperme est recueilli et congelé dans un CECOS (Centre d'étude et de conservation des ovules et du sperme) en vue d'une insémination future. Les spermatozoïdes sont traités pour les rendre plus efficaces. Le sperme est déposé dans l'utérus. La femme est inséminée avec du sperme congelé ou décongelé, ou avec du sperme frais, au moment de l'ovulation (en général après avoir subi une stimulation ovarienne pour maîtriser le moment de l'ovulation et le nombre d'ovules émis). Fécondation in vitro et transfert d'embryon (FIVETE) Don d'ovocytes Don d'embryon Stérilité de la femme par obturation des trompes La femme est stérile : elle n'a pas d'ovaires ou est ménopausée précocement ou elle est atteinte d'une maladie héréditaire ; son utérus est fonctionnel. Le conjoint est fertile. Le mari et la femme sont stériles, mais l'utérus de la femme est fonctionnel. Le ou les ovules sont recueillis puis fécondés dans une "éprouvette" par le sperme du mari. L embryon ou les embryons sont implantés dans l'utérus maternel pour démarrer la grossesse. Une fécondation in vitro (FIV) est réalisée avec l'ovocyte d'une donneuse et le sperme du mari, puis l'embryon est réimplanté dans l'utérus de la femme stérile. FIV avec du sperme et des ovocytes de donneurs, puis implantation de l'embryon dans l'utérus de la mère. Activité 14 Préciser les moyens et comportements permettant d éviter les risques de contamination et de propagation des IST Les principales conséquences des IST : propagation de maladies à l échelle mondiale (exemples : transmission du VIH, du virus de l Hépatite B ) Apparitions de certains cancers Infertilité voire stérilité. Un comportement adapté pour éviter les IST et limiter leur propagation doit comprendre : Un recours systématique au préservatif Une vaccination à titre préventif Un dépistage systématique en cas de la survenue d une situation à risque (rapport non ou mal protégé, comportement sexuel à risque). Corrigés des activités Séquence 9 SN12 201

Correction des exercices Exercice 1 Vérifier les connaissances (QCM) La pilule contraceptive est : A : la méthode contraceptive la plus utilisée en France Oui, c est exact. B : un mélange de deux hormones hypophysaires. Non : ce sont des hormones ovariennes. C : une méthode fiable. Oui, si elle est prise selon le protocole indiqué. D : chère et non remboursée. Oui et Non : c est une méthode remboursée, mais les pilules de la dernière génération, qui sont plus performantes et présentent moins d effets secondaires sont très chères et pas remboursées. E : inadaptée si on utilise un préservatif. Non, cela est différent. La pilule est un bon contraceptif, le préservatif est complémentaire puisqu il protège des MST. F : une méthode qui permet de ne pas ovuler. Oui, les pilules normodosées bloquent le pic de LH, donc inhibent l ovulation. Par contre, les pilules moins dosées ne jouent que sur la perméabilité de la glaire. La contraception est : A : recommandée dès les premiers rapports sexuels. Oui, bien sûr. Une très jeune fille peut débuter une grossesse. B : toujours associée à des effets secondaires. Non, il faut trouver la méthode qui correspond à chaque personne. C est la travail du médecin. C : efficace à 100% quelques soit les méthodes Non, la fiabilité est très variable. 202 Corrigés des exercices Séquence 9 SN12

D : toujours une méthode chimique. Non, il existe aussi des méthodes mécaniques. Le sexe phénotypique est : A : déterminé uniquement par des hormones. Non, il est mis en place à partir d un génome. B : l ensemble des caractères observables ou mesurables en relation avec le sexe. Oui. C : XX ou XY. Non, ceci correspond au sexe génétique. D : mis en place pendant la petite enfance. Non (voir E) E : mis en place progressivement entre la vie fœtale et la puberté. Oui. La GnRh : A : est une hormone sécrétée par des neurones hypothalamiques Faux. Ce n est pas une hormone mais une neurohormone. B : stimule de façon indirecte la production de testostérone. Vrai C : est libérée en plus grande quantité quand la concentration de testostérone augmente. Faux. La concentration de testostérone exerce un rétrocontrôle négatif sur le complexe hypothalamo-hypophysaire. D : stimule les cellules de l hypophyse antérieure. Vrai Les hormones ovariennes : A : contrôle le fonctionnement de l utérus Vrai. B : exercent un rétrocontrôle positif sur le complexe hypothalamo-hypophysaire Vrai juste avant l ovulation. C: exercent un rétrocontrôle négatif sur le complexe hypothalamo-hypophysaire Vrai. la plus grande partie du cycle (sauf au moment de l ovulation) Corrigés des exercices Séquence 9 SN12 203

D : ont une concentration qui doit être maintenue constante. Faux. Le taux de ces hormones présente une variation cyclique. Exercice 2 La différenciation des voies génitales La castration d un fœtus mâle ou femelle a pour conséquence la régression des canaux de Wolff et une différenciation des canaux de Müller en trompe, utérus et vagin.on peut donc conclure que la différenciation en voies génitales femelles ne nécessite pas la présence des gonades.la greffe de testicule chez un fœtus femelle (donc présence des ovaires) a pour conséquence la régression des canaux de Müller et la différenciation des canaux de Wolff en épididymes, canaux déférents et vésicules séminales. La différenciation des voies génitales en voies génitales mâles est donc sous la dépendance d hormones sécrétées par les testicules.la testostérone est une hormone secrétée par les testicules. En présence de testostérone, les canaux de Wolff se différencient en épididymes, canaux déférents et vésicules séminales mais les canaux de Müller se différencient en voies génitales femelles.cette expérience permet de préciser l action des testicules sur la différenciation des voies génitales ; elle se fait par se fait le biais de la testostérone. La différenciation des canaux de Müller en voies génitales nous permet cependant de conclure que la testostérone n est pas la seule hormone agissant sur la différenciation des voies génitales.une autre hormone sécrétée par le testicule doit être à l origine d une régression des canaux de Müller. Exercice 3 Hormone hypophysaires et puberté Nous constatons, chez Martin, un taux de testostérone très faible (de 6 à 20 inférieure à la normale). Le taux de FSH chez Martin est équivalent à celui observé chez un jeune homme ne présentant pas de retard pubertaire. Le taux de LH chez Martin est deux fois supérieur à celui observé chez un individu ne présentant pas de retard pubertaire. Nous savons que la testostérone fabriquée par les cellules de Leydig a de nombreux rôles. En agissant sur de nombreuses cellules cibles elle assure l apparition puis le maintient de certains caractères sexuels secondaires, elle stimule la spermatogénèse ; le développement du pénis, rend fonctionnelle les glandes annexes. Comment expliquer le faible taux de testostérone? Nous savons que la production de testostérone par les cellules de Leydig est stimulée par l hormone LH sécrétée par l hypophyse antérieure. Comment expliquer le faible taux de testostérone alors que le taux de LH chez Martin est supérieur à celui observé chez un individu ne présentant pas de retard pubertaire. 204 Corrigés des exercices Séquence 9 SN12

Le document 3a présente un fragment de l allèle non codant pour la chaîne ß chez un individu normal et chez Martin. Nous constatons entre ces deux allèles une différence au niveau du 221 e nucléotide. L adénine (A) est remplacée chez Martin par la guanine (G). Quelle conséquence cette substitution induit-elle? Le tableau du code génétique nous permet d envisager d éventuelles modifications au niveau de la chaine polypeptidique. ADN Brin transcrit Brin non transcrit Individu normal GTC CAG Martin GCG CGG ARN messager CAG CGG Acide aminé GLn = glutamine Arg = arginine Ainsi chez Martin, le 74 ème nucléotide est l arginine alors que chez un individu ne présentant pas de retard pubertaire cet acide aminé est la glutamine. Fragment de la séquence polypeptidique de la chaîne chez un individu normal (Pro-LH.beta.adn) et chez Martin (pro-lh.beta_cas1.adn). Cette modification de la séquence polypeptidique de la LH produite par l hypophyse de Martin a pour conséquence que cette LH n est pas fonctionnelle et ne stimule pas la production de testostérone.le faible taux de testostérone expliquant le retard pubertaire. L activité des gonades est donc sous le contrôle du complexe hypothalamo-hypophysaire par l intermédiaire d hormones, la Gnrh hypothalamique, la LH et FSH hypophysaire.au moment de la puberté, les gonades deviennent fonctionnelles sous l action des ces hormones. Exercice 4 Une méthode contragestive : le RU486 Nous cherchons à expliquer comment le RU486 peut entrainer l apparition des règles et l expulsion de l embryon. Au cours d un cycle normal, l apparition des règles est précédée par une chute du taux de progestérone. La chute du taux de progestérone est à l origine des règles. En début de grossesse, nous constatons que la concentration de progestérone augmente et qu elle ne présente plus de diminution brutale. Corrigés des exercices Séquence 9 SN12 205

[Connaissance] Nous savons que les hormones se fixent de récepteurs spécifiques. Après injection de progestérone radioactive, on constate la présence de radioactivité au niveau des cellules de la muqueuse utérine. Les molécules de progestérone injectées se sont donc fixées sur les récepteurs des cellules de la muqueuse utérine. Après injection de RU486 radioactif, on constate la présence de radioactivité au niveau des cellules de la muqueuse utérine. Les molécules de RU 486 injectées se sont donc fixées sur les cellules de la muqueuse utérine. Quand on injecte de la progestérone radioactive après avoir injecté du RU486, la radioactivité observée au niveau des cellules de la muqueuse utérine est beaucoup plus faible que dans les cas précédents. Cela signifie que moins de molécules de progestérone radioactives se sont fixées sur les récepteurs des cellules de la muqueuse utérine alors que la quantité de progestérone injectée était la même que celle injectée dans le lot 2. Comment l expliquer? On peut émettre l hypothèse suivante : Les molécules de RU486 ont pris la place des molécules de progestérone sur les récepteurs spécifiques. Il y a compétition entre la progestérone et le RU486 ; celui-ci en se fixant sur les récepteurs spécifiques de la progestérone empêche cette dernière de s y fixer. Si cette hypothèse est juste alors les molécules de progestérone et RU 486 doivent présenter une structure analogue. Les structures de ces 2 molécules sont représentées ci-dessous. Les atomes d oxygène sont colorés en noir, les atomes de carbone en gris foncé et les atomes d hydrogène sont colorés en blanc. Molécule de RU486 206 Corrigés des exercices Séquence 9 SN12

Molécule de progestérone On constate que ces deux molécules ont une structure analogue. L hypothèse est donc vérifiée. La molécule de RU486 peut se fixer sur les récepteurs de la progestérone ce qui ne signifie pas qu elle exerce l action de la progestérone. Ces informations permettent d expliquer l action contragestive du RU486. En se fixant sur les récepteurs spécifiques de la progestérone au niveau des cellules de la muqueuse utérine, le RU486 bloque l action de celle-ci. Les cellules de l endomètre n étant plus stimulées par la progestérone, il y a dégénérescence qui se traduit par un saignement de la muqueuse (tout comme l apparition des règles en fin d un cycle normal quand le taux de progestérone chute). La dégénérescence de la muqueuse provoque l expulsion de l embryon. Corrigés des exercices Séquence 9 SN12 207