SVT - 1ère

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

MES OUTILS :

M. NOTTETLYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX

METHODOLOGIE

Bonne rentrée !

LES ENJEUX CONTEMPORAINSDE LA PLANÈTE

ÉCOSYSTÈMES ETSERVICES ENVIRONNEMENTAUX

III

LA TERRE, LA VIE ET L'ORGANISATION DU VIVANT

LE CORPS HUMAINET LA SANTÉ

TRANSMISSION, VARIATION ET EXPRESSION DU PATRIMOINE GENETIQUE

LE FONCTIONNEMENT DU SYSTÈME IMMUNITAIRE HUMAIN

VARIATION GÉNÉTIQUE ET SANTÉ

STRUCTURE ET DYNAMIQUE INTERNE DE LA TERRE

Les sciences du Vivant et de la Terre au bac Comment s’organise le baccalauréat ? Le baccalauréat comprend :

Une part de contrôle continu (40%) qui concerne toutes les matières qui ne sont pas évaluées lors des épreuves terminales : histoire-géographie, langues vivantes, enseignement scientifique, EPS, options et spécialité abandonnée à la fin de la classe de première.
5 épreuves terminales (60%) : français (écrit et oral en Première), vos deux spécialités, philosophie et le "grand oral".

Comment sont évaluées les SVT au nouveau baccalauréat ? Votre note finale du baccalauréat prendra en compte : 1) Pour ceux qui abandonnent la spécialité SVT en fin de première : Les notes de SVT de vos bulletins scolaires de Première (coefficient 8) ; 2) Pour ceux qui conservent la spécialité SVT en Terminale :

Une épreuve de spécialité SVT qui se déroule au retour des vacances de printemps, comprenant une partie écrite (3h30) et une partie pratique (1h).
Un "grand oral", présenté à la fin du mois de juin. D'une durée de 20 minutes, il comprend la présentation orale d'un sujet (préparé dès la première, et adossé à 1 ou 2 spécialités) suivi d'un entretien avec un jury constitué de 2 professeurs.

Conclusion ? Il faut donc préparer l'examen dès maintenant

N°Titre Une observation inattendue Situation déclenchante-Introduction L'objectif On cherche à... Votre réponse prendra la forme... Elle devra comporter... Les ressources à exploiter Document 1 : Titre. Contenu du document Aide à l'exploitation à mettre en blanc Document 2 : Titre. Contenu du document Aide à l'exploitation à mettre en blanc. Document 3 : Titre. Contenu du document Aide à l'exploitation à mettre en blanc Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de :

Compétence 1

Compétence 2

Sources - Pour aller plus loin Lien 1

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

MES OUTILS :

A réviser

Transmission, variation et expression du patrimoine génétique

Rappels sur... L'information génétique

La transmissionde l'information génétique

La variationde l'information génétique

L'expressionde l'information génétique

Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques

Diversité des génomeset histoire de l'humanité

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

IntroductionL'information génétique dans les cellules Certains caractères et certaines maladies, dits héréditaires, sont transmissibles de génération en génération. Ils sont déterminés par l’information génétique portés par les individus. Dans les cellules animales (y compris humaines), végétales et de nombreux autres êtres vivants au repos*, l'information génétique est contenue dans un noyau (organite délimité par une enveloppe nucléaire). On parle de cellules eucaryotes (eu- : vrai ; -karyon : noyau). *Au repos = Pas en cours de division cellulaire. Le terme est maladroit car l'activité métabolique des cellules est intense durant ces périodes. Dans toutes les cellules eucaryotes, l’information génétique peut être décrite à différentes échelles : I Les chromosomes Ils ne sont visibles qu'au moment des divisions cellulaires, ils ont alors une forme dite condensée. En dehors, c'est-à-dire en cours d'interphase, ce sont des filaments décondensés, présents sous forme de chromatine dans le noyau des cellules eucaryotes. Un chromosome peut posséder une ou deux chromatide(s) selon la phase du cycle cellulaire. Chaque chromatide est constituée d'une molécule d'ADN et de protéines (ex. histone). On peut étudier le nombre et la forme des chromosomes d'un individu en réalisant un caryotype. C'est une photographie prise lors d'une division cellulaire, sur laquelle les chromosomes sont colorés, rangés par paires et par ordre de taille pour être mieux visualisés. Le caryotype est identique : - pour tous les individus classés dans une même espèce (sauf anomalies) ; - pour toutes les cellules d'un même organisme (sauf anomalies). Fig. 2 - L'information génétique dans les cellules eucaryotes. II L'ADN et les nucléotidesL'ADN (acide désoxyribonucléique) est une macromolécule constituée de 2 brins (ou 2 chaînes) enroulées en double hélice. Chaque brin est constitué d'un enchaînement de nucléotides, parmi 4 possibles : nucléotide à A (adénine) ; nucléotide à T (thymine) ; nucléotide à G (guanine) ; nucléotide à C (cytosine). Les nucléotides d'une chaîne sont associés aux nucléotides de l'autre chaîne selon certaines règles d'appariement :

Les nucléotides à A sont complémentaires des nucléotides à T, et réciproquement.
Les nucléotides à G sont complémentaires des nucléotides à C, et réciproquement.

Les deux brins d'une molécule d'ADN ont une séquence nucléotidique (ordre d'enchaînement des nucléotides) complémentaire, ce qui contribue à leur cohésion. III Les gènesSeule une petite partie de l'ADN d'une cellule porte des gènes. Un gène est une séquence d'ADN déterminant un caractère (à l'échelle de la cellule ou de l'organisme), par exemple en codant la synthèse d'une protéine. Chaque gène est caractérisé par son locus (son emplacement sur l'ADN) et par sa fonction (ce qu'il code). Le génome est l'ensemble des gènes d'une cellule, d'un individu ou d'une espèce considérée. Tous les individus appartenant à une même espèce possèdent le même génome, mais leurs gènes peuvent présenter des séquences différentes. Les différentes versions d'une séquence d'ADN constituent des allèles. MOTS-CROISESL'information génétique HORIZONTAL 1. Emplacement d’un gène sur un chromosome. 5. Organite contenant l’information génétique chez les eucaryotes. 7. Séquence d’ADN déterminant un caractère. 10. Filament décondensé d’ADN contenu dans le noyau. 11. Ordre d’enchaînement des nucléotides le long d’un brin d’ADN. 13. Filament formé d’ADN visible lors des divisions cellulaires. 14. Nucléotide complémentaire de la thymine. VERTICAL 2. Ensemble des chromosomes d’une cellule, colorés et rangés par paires. 3. Molécule supportant l’information génétique. 4. Partie d’un chromosome constituée d’une molécule d’ADN. 6. Version d’un gène, ou d’une séquence d’ADN. 7. Ensemble des gènes d’une cellule, d’un individu ou d’une espèce. 8. Qualifie une cellule comportant un noyau. 9. Transmissible de génération en génération. 12. Résidu (brique élémentaire) de l’ADN.

LES OUTILS NUMÉRIQUES UTILISÉS EN BIOLOGIEPour mesurer, réaliser une capture d'écran, annoter une image, ...Mesurim 2FTPour explorer et traiter un modèle moléculaireLibmolFTPour traiter des séquences génétiquesGeniegen 2FTPour construire et exploiter des modèles numériquesEdu'modèlesFTPour consulter, traiter et présenter des jeux de données numériquesLibreOffice Calc(voir bureau)FT

Bienvenue dans le thème 1 ! "Je suis Maria Dehen, chercheuse en biologie cellulaire et moléculaire. J'étudie l'organisation microscopique des êtres vivants, et j'essaye de l'expliquer en analysant leur patrimoine génétique. Je passe la plupart de mon temps à concevoir et réaliser des expériences au laboratoire, que je publie dans des articles que j'écris pour des grandes revues. Une fois le bac en poche, j'ai réalisé 8 années d'études pour obtenir mon Doctorat en Biologie." Voir la fiche métier Onisep

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

Comment les données des géosciences ont-elles permis aux scientifiques de construire un modèle scientifique de la structure et de la dynamique interne de la Terre ?

A réviser

La caractérisationde la mobilité horizontale

La structure interne du globe

La dynamiquedes zones de convergence

La dynamiquedes zones de divergence

Structure et dynamique interne de la Terre

PROBLÉMATIQUE

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

LE MODÈLEStructure et dynamique interne de la Terre

Zone de collision

Zone de subduction

Point chaud et mobilité lithosphérique

Dorsale océanique

LES OUTILS NUMÉRIQUES UTILISÉS EN GÉOSCIENCES Pour mesurer, réaliser une capture d'écran, annoter une image, ...Mesurim 2FTPour visualiser et traiter des données géolocalisées, des sismogrammesTectoglob3DFTPour visualiser et traiter des données géolocaliséesGoogleEarth Pro(voir bureau)FTPour visualiser et traiter des modèles minéralogiquesMinUScFTPour consulter, traiter et présenter des jeux de données numériquesLibreOffice Calc(voir bureau)FT

Vers un modèle fonctionneldynamique du système Terre

MES OUTILS :

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Comment les données des géosciences ont-elles permis aux scientifiques de construire un modèle scientifique de la structure et de la dynamique interne de la Terre ?

A réviser

Origine du magmatisme et évolution de la lithosphère

Structure et dynamique interne de la Terre

PROBLÉMATIQUE

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

Chapitre verrouillé !

LE MODÈLEStructure et dynamique interne de la Terre

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A réviser

Variation génétique et santé

Mutations et santé

Patrimoine génétique et santé

Altérations du génomeet cancérisation

Variation génétique bactérienne et résistance aux antibiotiques

ACTIVITÉS

CONNAISSANCES

EXERCICES

PLAN DE TRAVAIL

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

LES OUTILS NUMÉRIQUES UTILISÉS EN BIOLOGIEPour mesurer, réaliser une capture d'écran, annoter une image, ...Mesurim 2FTPour explorer et traiter un modèle moléculaireLibmolFTPour traiter des séquences génétiquesAnagène (voir bureau)FTPour construire et exploiter des modèles numériquesEdu'modèlesFTPour consulter, traiter et présenter des jeux de données numériquesLibreOffice Calc (voir bureau)FT

1MUTATIONS ET SANTÉ La mucoviscidose une maladie touchant 1 nouveau-né sur 4 500. Affaiblissant considérablement l'organisme, elle se traduit par des troubles respiratoires (toux, expectoration), digestifs (ballonnements, douleurs abdominales), et parfois par des perturbations de la croissance. A Origine et transmission d'une maladie génétique Mme X est inquiète : elle attend un enfant, mais elle sait que des cas de mucoviscidose existent dans sa famille. En tant que médecin, elle vous sollicite pour bénéficier d'un conseil génétique. L'objectif On cherche à déterminer le mode de transmission et les causes de la mucoviscidose. LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1 Doc. 1 : Calculer le risque d'être atteint de la mucoviscidose pour les frères et soeurs des enfants malades, c'est-à-dire la proportion de malades parmi les frères et soeurs des enfants malades (à exprimer en pourcentage). Lire attentivement la fiche "Fiche méthode - Les principes généraux de l'épidémiologie" 2 A partir de la réponse à la question précédente et des données du doc. 1, calculer le facteur de risque familial relatif associé à la présence d'un individu malade dans sa fratrie, c'est-à-dire le rapport entre le risque d'être atteint de la mucoviscidose chez les frères et soeurs des enfants malades et le risque pour la population générale. Conclure sur les causes de la maladie. 3 On se place dans l'hypothèse d'une maladie génétique déterminée par un seul gène (monogénique). A partir des données du doc. 2 et du doc. 3 à compléter, déterminer les génotypes théoriques (les combinaisons d'allèles théoriques portés par les membres de la famille). 4 Comparer le risque théorique calculé à la question 3 avec le risque calculé dans la question 1, puis discuter l'hypothèse d'une maladie déterminée par un seul gène (maladie monogénique). 5 Doc. 3 et 4 : Comparer les séquences de nucléotides extraites du gène CFTR portés par chaque individu. Discuter l'implication du gène CFTR dans la mucoviscidose. BILAN En tant que médecin, rédiger un courrier à Mme X dans lequel vous lui expliquerez le mode de transmission et l'origine de la mucoviscidose, puis le risque que son futur enfant soit atteint. Les ressources disponibles DOCUMENT 1 Une étude épidémiologique historique : mise en évidence d'une origine génétique Des chercheurs ont recensé les enfants qui sont venus en consultation à l’hôpital des enfants malades de New York entre 1938 et 1945 et chez lesquels on a diagnostiqué une mucoviscidose. A partir de là, ils ont fait une étude familiale pour chacun des enfants atteints en déterminant exactement l’état des sœurs et frères de ces enfants : atteints de mucoviscidose ou pas. Les familles avec un seul enfant (l’enfant malade), non informatives, n’ont pas été prises en compte. Sur l'ensemble des familles ainsi sélectionnées, il y a eu en tout 58 frères et sœurs des enfants malades, et parmi ceux-ci 13 atteints de mucoviscidose. Bien entendu dans toutes ces familles, les parents n’étaient pas malades. A l’époque, dans l’état de New-York, la prévalence de la mucoviscidose à la naissance était de 1/2500. DOCUMENT 2 Arbre généalogique d'une famille touchée par la mucoviscidose Chaque individu portant deux exemplaires de chaque chromosome, il porte aussi deux versions de chaque gène, appelées allèles. Si ces deux allèles sont identiques, on dit que l'individu est homozygote ; s'ils sont différents on dit que l'individu est hétérozygote. Par ailleurs, certains allèles s'expriment chez tous les individus porteurs d'au moins un exemplaire de ces allèles, ils sont dits dominants (ex. allèles A et B des groupes sanguins). D'autres allèles ne s'expriment que chez les individus homozygotes, ils sont dits récessifs (ex. allèle O). DOCUMENT 3 Comparaison d'un extrait de la séquence nucléotidique du gène CFTR chez 2 enfants de Mme Malopoint Les séquences représentées sont issues des allèles portés par les individus III-2 et III-3 (voir doc. 1). Le gène impliqué dans la mucoviscidose a été identifié et séquencé en 1989. Situé sur le chromosome 7, il a été appelé CFTR en raison du rôle joué par la protéine qu’il code (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator). DOCUMENT 4 Identification des déterminants génétique de la mucoviscidose En étudiant le génome de grandes cohortes d’individus, différentes équipes de généticiens ont pu identifier les mutations les plus fréquentes chez les patients atteints de mucoviscidoses. Toutes ces mutations concernent le gène CFTR, situé sur le chromosome 7. DOCUMENT 5 Transmission d'un couple d'allèles d'un gène autosomique d'une génération à l'autre Lors de la production des cellules reproductrices (gamètes), la méiose permet la division d’une cellule diploïde (où les chromosomes sont en 2 exemplaires, par paires) en cellules haploïdes (où les chromosomes sont en 1 seul exemplaire). Les chromosomes homologues sont donc séparés aléatoirement au cours de la méiose. Ainsi, les gamètes produits n’ont donc plus qu’un exemplaire de chaque chromosome, donc un seul exemplaire (allèle) de chaque gène. Un individu sain ici hétérozygote (portant 2 allèles différents d'un gène, A et a) transmet soit un allèle A, soit un allèle a (probabilité de ½). La fécondation permet ensuite l’union aléatoire de deux gamètes haploïdes en une cellule-œuf diploïde. La réassociation des allèles d'origine maternelle et paternelle s'effectue donc au hasard. Ainsi, la cellule-œuf porte deux exemplaires de chaque gène : soit 2 allèles AA, soit 2 allèles aa, soit 2 allèles différents). Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et organiser des informations pour :

établir l'origine génétique d'une maladie à partir d'arbres généalogiques et d'études épidémiologiques ;
prédire les risques génétiques des nouvelles générations en calculant leur probabilité (conseil génétique).

2PATRIMOINE GENETIQUE ET SANTÉ Les diabètes sont des maladies caractérisées par une concentration de glucose trop élevée dans le sang (hyperglycémie). Elles sont à l'origine d'éventuelles complications graves car les vaisseaux sanguins, surtout ceux de petits diamètres (les capillaires) sont endommagés. Les organes les plus vulnérables sont les yeux (risque de cécité impliquant un suivi ophtalmologique régulier), le coeur (risque d'infarctus élevé) et le rein (insuffisance rénale progressive pouvant conduire à une dialyse ou à une greffe). En 2016, la directrice générale de l'OMS a déclaré que "le diabète constitue l'une des plus graves crises mondiales du XXIème siècle. L'OMS estime que le nombre d'adultes diabétiques a presque quadruplé entre 1980 et 2014, passant de 108 à 422 millions. [...] Le diabète n'est plus seulement une maladie des pays riches, il sévit de plus en plus, presque partout. Le nombre de cas de diabète augmente surtout dans les villes des pays à revenu faible ou intermédiaire." En 2017, 3,5 millions de personnes étaient touchées par la maladie en France. Parmi les personnes diabétiques, 90% sont atteintes du diabète de type 2 (DT2). Déterminer les facteurs de risque de cette maladie représente donc un enjeu de santé publique, afin de mieux la prévenir et la traiter. Matteo, un adolescent de 17 ans, a des antécédents de diabète de type 2 dans sa famille. Il est persuadé que quoi qu'il fasse, il développera un jour un diabète de type 2. Il vous a même affirmé : "je porte le gène du diabète, je peux faire ce que je veux je finirai par l'avoir de toute façon." Les craintes de Matteo sont-elles scientifiquement justifiées ? L'objectif On cherche à déterminer, grâce à une approche épidémiologique, les facteurs de risque du diabète de type 2. LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1 Doc. 1 : Calculer le risque d'être atteint de la mucoviscidose pour les frères et soeurs des enfants malades, c'est-à-dire la proportion de malades parmi les frères et soeurs des enfants malades (à exprimer en pourcentage). Lire attentivement la fiche "Fiche méthode - Les principes généraux de l'épidémiologie" 2 A partir de la réponse à la question précédente et des données du doc. 1, calculer le facteur de risque familial relatif associé à la présence d'un individu malade dans sa fratrie, c'est-à-dire le rapport entre le risque d'être atteint de la mucoviscidose chez les frères et soeurs des enfants malades et le risque pour la population générale. Conclure sur les causes de la maladie. 3 On se place dans l'hypothèse d'une maladie génétique déterminée par un seul gène (monogénique). A partir des données du doc. 2 et du doc. 3 à compléter, déterminer les génotypes théoriques (les combinaisons d'allèles théoriques portés par les membres de la famille). 4 Comparer le risque théorique calculé à la question 3 avec le risque calculé dans la question 1, puis discuter l'hypothèse d'une maladie déterminée par un seul gène (maladie monogénique). 5 Doc. 3 et 4 : Comparer les séquences de nucléotides extraites du gène CFTR portés par chaque individu. Discuter l'implication du gène CFTR dans la mucoviscidose. 5 A partir des documents mis à votre disposition, construire un schéma reliant : - les facteurs de risque de ce diabète ; - des mesures de prévention permettent de réduire le risque de développer un diabète de type 2. 6 Rédiger une courte lettre de réponse à Matteo en examinant la validité scientifique de ses propos et en lui proposant des solutions pour réduire son risque de contracter la maladie. Les ressources disponibles Document 1 : L'approche épidémiologique, en bref. En épidémiologie, des méthodes statistiques permettent de calculer un risque relatif associé à un facteur (génétique ou environnemental) dont on cherche à savoir s'il est impliqué dans l'apparition d'une maladie. Par exemple, si le risque relatif est égal à 2, le développement de la maladie est 2 fois plus probable chez un individu exposé au facteur que chez un individu non exposé. Risque ou danger, attention à ne pas confondre ces deux termes !Par exemple, faire de la moto, c'est dangereux ; mais ce n'est pas risqué si vous n'en faites pas. Le risque dépend de l'exposition à un facteur. Document 2 : Prévalence du DT2 et modes de vie des indiens Pimas vivant au Mexique et aux USA. Ces deux populations partagent le même patrimoine génétique. Les indiens Pimas des Etats-Unis détiennent le record mondial de la prévalence* du diabète de type 2. (*) Prévalence : nombre d'individus atteints par la maladie dans une population. Document 3 : Extrait du journal Le Monde du 12 février 2011. "Le diabète est une maladie qui suite le chemin du développement. Voilà pourquoi l'état du Tamil Nadu, l'un des plus développés en Inde est aussi l'un des plus touchés. Depuis la construction de routes goudronnées et la hausse du pouvoir d'achat, les agriculteurs ne roulent plus à bicyclette mais à moto. L'arrivée des tracteurs a réduit l'activité physique dans les champs. Enfin, les barres chocolatées et autres friandises remplissent les cabanons des épiciers dans quasiment tous les villages. Le marché des grandes métropoles est presque saturé et les géants de l'industrie agroalimentaire s'attaquent aux zones rurales. "Ce changement de mode de vie est particulièrement dévastateur car la population a une prédisposition génétique au diabète", souligne le docteur Mohan [spécialiste du diabète en Inde]. En Inde, dans certaines zones rurales, 10% des habitants sont diabétiques contre seulement 1% au début des années 1970." Document 4 : Relation entre masse corporelle et diabète de type 2 en France. L'IMC (indice de masse corporelle) est un indice statistique de la distribution de la masse corporelle dans la population. Document 5 : Une étude réalisée chez des jumeaux. Les vrais jumeaux ont exactement le même patrimoine génétique, tandis que les faux présentent autant de différences que des frères et/ou soeurs non jumeaux. Si un vrai jumeau est diabétique, on estime que le risque que l'autre le soit aussi à 85%. Ce risque est de 28% dans le cas de faux jumeaux. Document 6 : Evaluation du risque relatif de développer un DT2 chez les individus porteurs de certains allèles. On a identifié une quarantaine de gènes de prédisposition au diabète de type 2. Souvent, le lien entre la fonction de la protéine qu'ils codent et la maladie est mal compris. Les études épidémiologiques montrent que le développement de la maladie implique la présence d'allèles à risque de plusieurs gènes qui, pris individuellement, ont un effet faible. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et organiser des informations pour :

établir l'origine génétique d'une maladie à partir d'arbres généalogiques et d'études épidémiologiques ;
prédire les risques génétiques des nouvelles générations en calculant leur probabilité (conseil génétique).

3ALTÉRATION DU GÉNOME ET CANCÉRISATION En 2018, 18 millions de cas de cancer ont été diagnostiqués dans le monde (382 000 en France), surtout chez des personnes âgées de plus de 50 ans. La même année, c'est presque 10 millions de personnes qui sont décédées des suites de cette maladie, dont 157 000 en France. En France, les cancers représentent ainsi la première cause de décès chez l'homme et la deuxième chez la femme. Les cancers du poumon représentent la première cause de mortalité par cancer chez les hommes, et la seconde chez les femmes après le cancer du sein. En 2011, 38 500 nouveaux cas ont été recensés en France. Depuis les années 1950, de nombreuses études épidémiologiques ont établi un lien solide entre la consommation de tabac et une augmentation du risque de survenue du cancer du poumon. En réaction, d'importantes mesures sanitaires ont été prises pour lutter contre le tabagisme en France : interdiction de la publicité pro-tabac, interdiction du fumer dans certains lieux collectifs, augmentation des prix du tabac, présentation du paquet neutre... L'objectif On cherche à mettre en évidence et à expliquer le lien entre tabagisme et cancer du poumon. Vous présenterez votre réponse en deux parties : 1 - Vous présenterez les données permettant d'établir un lien entre tabagisme et cancer du poumon (documents 1 et 2). 2 - Vous expliquerez comment la consommation de tabac favorise la survenue de cancer du poumon (documents 3 à 5). Vous veillerez à intégrer deux captures d'écran annotées issues du logiciel Libmol et une capture d'écran issue de Geniegen 2 dans cette seconde partie. Les ressources à exploiter Document de référence : Les étapes de la cancérisation. Les cancers résultent de la multiplication anarchique de certaines cellules de l'organisme, aboutissant à la formation d'amas de cellules appelés tumeurs.Certaines tumeurs peuvent perturber le fonctionnement de l'organisme. Dans le cas d'un cancer pulmonaire, une insuffisance respiratoire se développe et peut-être à l'origine du décès.Quand la tumeur grossit, elle stimule le développement de nouveaux vaisseaux sanguins à son contact. Ceci facilite non seulement son approvisionnement mais aussi la migration éventuelle de certains cellules tumorales vers d'autres régions de l'organisme, où elles peuvent être à l'origine d'autres tumeurs (métastases). Document 1 : Résultats de quelques études épidémiologiques. (a) Evolution de la consommation de cigarettes et de la mortalité par cancer du poumon chez les femmes et les hommes en France. (b) Relation entre le nombre de cigarettes fumées quotidiennement et le risque relatif de développer un cancer du poumon. Document 2 : Résultat d'une expérimentation animale sur les effets du benzopyrène, une molécule composant de la cigarette. Le graphique représente le pourcentage de souris présentant une tumeur après 4 mois d'exposition à différentes doses de benzopyrène. Document 3 : Une expérience menée sur des cultures cellulaires. Dans les cellules, le benzopyrène est transformé en un composé très réactif, le BPDE. Ce composé peut notamment se lier et réagir avec les nucléotides à guanine de l'ADN. Une fois modifiées, les guanines ne s'apparient plus avec des cytosines mais avec des adénines. Cliquez ici pour accéder au modèle moléculaire d'un fragment d'ADN en voie de mutation, modifié par un dérivé d'une molécule de la fumée du tabac. Expérimentalement, on peut mesurer la proportion de guanines modifiées par le BPDE dans des cellules en culture après 24 heures d'exposition à des doses croissantes de benzopyrène. Document 4 : Comparaison de la fréquence de certaines mutations du gène p53 dans des cellules issues d'un cancer du poumon soit chez des fumeurs, soit chez les non fumeurs. Document 5 : L'implication de la protéine p53. La protéine codée par le gène p53 permet l'élimination de cellules dont le génome est trop endommagé par des lésions de l'ADN (ces lésions sont souvent à l'origine de mutations). Les cancers sont toujours liés à l'accumulation de mutations dans les cellules cancéreuses. Cliquez ici pour accéder aux séquences nucléotidiques du gène codant la protéine p53 chez un patient sain et chez des patients atteints de cancers (Geniegen 2). La propriété de la protéine p53 a été mise en évidence sur des souris très particulières dotées d'un gène p53 inactif, mais que l'on peut réactiver par des techniques très spécifiques. Au début de l'expérimentation, les souris ayant un gène p53 inactif sont irradiées, ce qui déclenche la formation de tumeurs. On réactive ensuite l'expression du gène p53. Les résultats sont indiqués ci-dessous. Cliquez ici pour accéder au modèle moléculaire de la protéine p53 associée en tétramère autour d'une séquence d'ADN impliquée dans la régulation du cycle cellulaire (Libmol). Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et exploiter des informations utiles pour identifier les facteurs de cancérisation (agents mutagène). - Traiter un modèle moléculaire pour repérer une lésion de l'ADN. - Traiter un modèle moléculaire pour montrer une interaction entre la protéine p53 et l'ADN. - Comparer des séquences génétiques.

PLAN DE TRAVAILTHÈME 3Variation génétique et santé INTRODUCTION Une affiche de l'association "Vaincre la mucoviscidose". Dans l'espèce humaine comme chez toutes les espèces vivantes, les génomes des individus diffèrent les uns des autres suite aux mutations qui se sont produites au cours des générations et ont été conservées dans une population. Ces différences peuvent avoir des conséquences en matière de santé : - Certaines maladies, comme la mucoviscidose, ont une origine génétique. Les connaissances acquises dans ce domaine permettent de mieux comprendre leurs causes, d'estimer les risques de transmission et de proposer des traitements adaptés. - Certains allèles peuvent prédisposer à certaines maladies comme le diabète de type 2, les cancers, ... sans pour autant en être l'unique cause. Grâce aux outils de l'épidémiologie, il devient possible d'évaluer les parts respectives du fond génétique individuel et de l'environnement. On peut ainsi proposer des mesures de prévention pour les populations. - La variabilité génétique des micro-organismes peut influencer leur pathogénicité et faire émerger des résistances à certains médicaments sensées les combats. Le développement de la génomique conduit à l'idée d'une médecine personnalisée et ouvre la voie à la thérapie génique. PROBLÉMATIQUE(S) Comment les connaissances scientifiques acquises en génétique ont-elles permis de mieux comprendre certains problèmes de santé et de proposer des solutions pour y remédier ? ACTIVITÉS 1 - Mutations et santé (exemple de la mucoviscidose)2 - Patrimoine génétique et santé (exemple du diabète de type 2)3 - Altérations du génome et cancérisation4 - Variation génétique bactérienne et résistance aux antibiotiques OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE / COMPÉTENCES TRAVAILLÉES Recenser, extraire et organiser des informations pour :

établir la (ou les) cause(s) d'une maladie ou d'un syndrome ;
prédire les risques génétiques des nouvelles générations en calculant leur probabilité (conseil génétique) ;
relier un génotype au phénotype d'une maladie.
relier les traitements médicaux aux causes et/ou aux symptômes de la maladie.

Sélectionner les informations utiles pour répondre à un problème scientifique.

CONNAISSANCESTHÈME 3Variation génétique et santé INTRODUCTION Dans l'espèce humaine comme chez toutes les autres espèces vivantes, les génomes des individus diffèrent les uns des autres suite aux mutations qui se sont produites au cours des générations successives et on été conservées dans la population. Ces différences peuvent des conséquences en matière de santé. Le développement des connaissances scientifiques permet de mieux comprendre certaines maladies et de proposer des solutions. Il conduit aussi à l'idée d'une médecine personnalisée et ouvre la voie à la thérapie génique. PROBLÉMATIQUE(S) Comment les connaissances scientifiques acquises en génétique ont-elles permis de mieux comprendre certains problèmes de santé et de proposer des solutions pour y remédier ? I Mutations et santé ACTIVITÉ 1 : Mutations et santé A Origine et transmission d'une maladie génétique Certaines mutations sont responsables de pathologies, car elles peuvent conduire à la synthèse de protéines peu ou pas fonctionnelles. Lorsque ces pathologies sont liées à la mutation d'un seul gène, on parle de maladie monogénique. COMPRENDRE LA TRANSMISSION DES MALADIES GÉNÉTIQUES... L'étude d'arbres généalogiques familiaux permet de comprendre comment ces maladies monogéniques sont transmises de génération en génération : - Certaines de ces maladies sont à hérédité autosomique récessive. Cela signifie que l'allèle muté se trouve sur un autosome (chromosomes non sexuels, c'est-à-dire 1 à 22), et que seuls les homozygotes porteurs de deux allèles mutés sont atteints. Comme il faut deux exemplaires de l'allèle muté pour être malade, on qualifie cet allèle muté de récessif ; l'allèle sain est qualifié de dominant. Ainsi, les hétérozygotes (porteurs d'un allèle muté et d'un allèle non muté) ne sont pas malades, mais ils peuvent transmettre la maladie : ce sont des porteurs sains. C'est le cas de la mucoviscidose, maladie touchant 1 nouveau-né sur 4 500 en France. Cette pathologie se traduit par la production d'un mucus épais et visqueux dans différents organes (bronches, conduits pancréatiques, ...), conduisant à des difficultés respiratoires et digestives. La cause de la maladie est une mutation affectant le gène CFTR porté par le chromosome 7, codant pour une protéine du même nom. C'est cette absence de protéine CFTR fonctionnelle qui conduit à la production excessive de mucus anormalement visqueux. Les hétérozygotes ne sont pas malades car ils produisent suffisamment de protéine CFTR fonctionnelle. - D'autres maladies génétiques sont liées à des mutations affectant des gènes situés sur le chromosome X : c'est le cas de la myopathie de Duchenne. Les garçons sont plus fréquemment atteints car, n'ayant qu'un seul chromosome X, il suffit qu'ils possèdent un allèle muté pour être malades. On parle alors de maladie gonosomique (gonosomes = chromosomes sexuels) ou encore de maladie génétique liée au sexe. La comparaison des génomes de grandes cohortes de patients permet d'identifier les gènes et les mutations (donc les allèles) impliqués dans ces maladies monogéniques. ...POUR ESTIMER LE RISQUE GÉNÉTIQUE Un conseil génétique permet d'estimer le risque génétique d'avoir un enfant malade. Par exemple, si les 2 partenaires d'un couple sont hétérozygotes, il y a 1 risque sur 4 d'avoir un enfant atteint à chaque nouvelle naissance. Néanmoins, une maladie génétique peut néanmoins se déclarer sans qu'aucun des parents ne soit porteur de l'allèle muté : la maladie est alors due à une mutation du gène nouvelle produite, le plus souvent au cours de la formation des gamètes. Si le risque est avéré, un diagnostic génétique peut être établi afin de rechercher la présence d'une mutation. En cas de risque important pour une pathologie particulièrement grave, un diagnostic prénatal pratiqué en début de grossesse permet au couple de décider ou non de poursuivre la grossesse. B Les traitements possibles d'une maladie génétique DES TRAITEMENTS ADAPTÉS AUX MANIFESTATIONS PHÉNOTYPIQUES Aujourd'hui, en France, un dépistage néonatal est proposé aux parents de chaque nouveau-né pour détecter la présence de 5 maladies génétiques. Il permet de mettre en place le plus tôt possible une prise en charge de la maladie. Il est alors possible de compenser la fonction altérée en proposant des traitements ou en adaptant le mode de vie. Ce dépistage repose sur le prélèvement d’une goutte de sang sur le talon du nourrisson, laquelle est déposée sur un papier buvard. Ce prélèvement sanguin, appelé « test de Guthrie », est ensuite envoyé à un laboratoire spécialisé (à ce jour 13 centres en France) pour y rechercher la présence de 5 maladies : la phénylcétonurie, l’hyperplasie congénitale des surrénales, l’hypothyroïdie, la mucoviscidose et, pour les nouveau-nés présentant des facteurs de risque, la drépanocytose. Dans le cas de la phénylcétonurie, un régime alimentaire strictement suivi permet, dans la grande majorité des cas, de mener une vie tout à fait normale. UN ESPOIR PROMETTEUR : LA THÉRAPIE GÉNIQUE Développée depuis les années 1990, la thérapie génique a été initialement conçue dans le but d'insérer dans une cellule le gène fonctionnel qui lui fait défaut. Pour "transporter" l'allèle fonctionnel dans les cellules concernées, il est nécessaire d'avoir un vecteur qui soit à la fois efficace et sans danger. Depuis les années 2000, la thérapie génique est en plein essor et son utilisation a été élargie à d'autres champs que le seul traitement des maladies monogéniques. Certaines mutations, héritées ou nouvellement produites, sont responsables de pathologies parce qu'elles affectent l'expression de certains gènes ou altèrent leurs produits. L'examen des arbres génétiques familiaux permet de connaître les modes de transmission héréditaire des déterminants génétiques responsables. L'étude des génomes de grandes cohortes de patients est à la base de l'identification des gènes correspondants. On peut ainsi estimer le risque génétique. Dans le cas d'une maladie monogénique à transmission autosomique récessive, seuls les homozygotes pour l'allèle muté sont atteints. Les hétérozygotes sont des porteurs sains. Selon les cas, les traitements apportés visent à compenser par des médicaments la fonction altérée ou à contrôler les conditions de milieu. Dans certains cas, on peut envisager une thérapie génique visant à remplacer l'allèle muté dans les cellules du tissu atteint. II Patrimoine génétique et santé Le cas des maladies monogéniques, comme la mucoviscidose, permet de bien comprendre le déterminisme génétique de certaines maladies. Cependant, la plupart des maladies d'origine génétique sont dues à l'interaction de plusieurs gènes. L'approche épidémiologique, en ayant recours à des outils statistiques à partir de jeux de données obtenus sur le terrain, permet de mieux comprendre les causes de ces pathologies. ACTIVITÉ 2 : Patrimoine génétique et santé A L'épidémiologie révèle que des allèles prédisposent à certaines maladies Dans le cas de certaines pathologies, des études épidémiologiques révèlent que des allèles particuliers sont statistiquement associés, sans que l'on sache nécessairement pourquoi, au développement d'une pathologie. On parle de prédisposition génétique. Ainsi, on connaît des allèles qui prédisposent fortement au développement plus ou moins précoce du diabète de type 2, d'autres qui accroissent le risque cardiovasculaire pour les individus qui les portent. Ceci ne veut pas dire que ces pathologies sont toujours génétiquement déterminées mais signifie que le fond génétique individuel intervient plus ou moins dans la santé d'une personne. B L'épidémiologie révèle que certaines maladies sont multifactorielles L'épidémiologie descriptive permet de connaître la répartition d'une pathologie en fonction du temps, du lieu ou des personnes. Elle permet de quantifier, au sein des populations : - La prévalence (nombre de cas à un moment donné) ; - L'incidence (nombre de nouveaux cas par an). L'épidémiologie analytique permet d'établir des liens entre des facteurs de risque (génétiques ou environnementaux) et la survenue de la maladie. Elle montre que beaucoup de pathologies, comme les diabètes ou les maladies cardiovasculaires, dépendent à la fois de facteurs génétiques et de facteurs non génétiques, liés à l'environnement ou au mode de vie. On parle de maladies multifactorielles. Il est ainsi bien établi que la sédentarité, l'obésité sont des facteurs augmentant le risque de développer le diabète de type 2 et des maladies cardiovasculaires. La plupart des pathologies d’origine génétique sont dues à l’interaction de nombreux gènes qui ne sont pas tous connus. Certains allèles de certains gènes rendent plus probable l’apparition d’une pathologie. Le fond génétique individuel intervient dans la santé de l’individu. De plus, mode de vie et conditions de milieu peuvent interagir dans la probabilité d’apparition d’une pathologie (on peut citer, par exemple, la sensibilité aux rayonnements solaires). III Altération du génome et cancérisation ACTIVITÉ 3 : Altération du génome et cancérisation A Les cancers, des maladies résultant de mutations somatiques Les mutations apparaissant dans les cellules somatiques sont le plus souvent sans réelle conséquence. Dans la plupart des cas, la cellule disparaît parce qu'elle n'est plus viable ou est éliminée par le système immunitaire. Toutefois, dans certains cas, la mutation favorise la multiplication d'une cellule qui peut être à l'origine d'un clone porteur de la mutation. Dans cette population de cellules mutantes, d'autres mutations peuvent intervenir et renforcer l'avantage initial. Ainsi s'opère, au fil des générations cellulaires, une sélection de cellules anormales de plus en plus nombreuses. La cellule cancéreuse finale a perdu sa fonction d'origine. Elle ne répond plus aux signaux qui régulent le cycle cellulaire et se multiplie de façon incontrôlée. Elle devient immortelle car elle échappe au système immunitaire qui, en principe, détruit les cellules anormales. Le clone de cellules cancéreuses forme alors une tumeur qui va grossir. Dans certains cas, la tumeur peut essaimer dans l'organisme, formant des tumeurs secondaires appelées métastases. Une tumeur trop grosse réduit considérablement la fonction de l'organe où elle est située et peut conduire à une perte de fonction responsable du décès du malade. Certains gènes sont particulièrement impliqués. Par exemple, le gène p53 est connu comme régulant plusieurs processus de suppression de cellules anormales. Des mutations de ce gène sont retrouvées dans environ la moitié des cellules cancéreuses. B Les cancers, des maladies multifactorielles Les études épidémiologiques ont montré l'importance des agents mutagènes (cancérigènes) dans la survenue des cancers. En effet, bien qu'étant un phénomène aléatoire, la survenue d'une mutation est facilitée par les agents mutagènes. Ainsi, de nombreux facteurs de risque (tabac, alcool, rayons UV, pollution chimique, ...) augmentent le risque de développer un cancer. Cependant, de plus, Limiter l'exposition des individus à ces facteurs diminue donc le risque. Un lien est aujourd'hui clairement établi entre des infections virales et le développement de certains cancers. Des dépistages de ces infections virales ont donc été menés pour identifier et suivre les sujets infectés. En parallèle, on réalise des campagnes de prévention contre les infections (vaccinations, conseils d'hygiène, ...). Par exemple, une infection au papillomavirus augmente le risque de développer un cancer du col de l'utérus. L'hépatite B, causée par un virus, augmente le risque de cancer du foie. Les mesures préventives ont permis, depuis quelques années, une diminution importante du nombre de décès par cancer du col de l'utérus et par cancer du foie en France. Des modifications du génome des cellules somatiques surviennent au cours de la vie individuelle par mutations spontanées ou induites par un agent mutagène ou certaines infections virales. Elles peuvent donner naissance à une lignée cellulaire dont la prolifération incontrôlée est à l’origine de cancers. On connaît, de plus, des facteurs génétiques hérités qui modifient la susceptibilité des individus à différents types de cancers. La connaissance des causes d’apparition d’un type de cancers permet d’envisager des mesures de protection (évitement des agents mutagènes, surveillance régulière en fonction de l’âge, vaccination), de traitements (médicaments, thérapie génique par exemple) et de guérison. IV Variation génétique bactérienne et résistance aux antibiotiques ACTIVITÉ 4 : Variation génétique bactérienne et résistance aux antibiotiques Les antibiotiques sont des médicaments très efficaces pour lutter contre les infections bactériennes. L'APPARITION ET LA SÉLECTION D'ANTIBIORÉSISTANCES Comme chez tous les êtres vivants, des mutations spontanées ou induites apparaissent spontanément dans les populations de bactéries. Certaines de ces mutations leur confèrent une résistance aux antibiotiques. Au départ, les formes mutantes sont peu nombreuses. Mais si un antibiotique est utilisé massivement, il détruit les souches bactériennes sensibles et sélectionne les souches porteuses de la mutation de résistance. Ces formes résistantes deviennent donc de plus en plus nombreuses. UN ENJEU DE SANTÉ PUBLIQUE Dans les dernières décennies, l'utilisation massive des antibiotiques pour soigner les maladies humaines ou pour les animaux d'élevage a favorisé cette sélection de bactéries résistantes. Certaines sont devenues résistances à la plupart des antibiotiques (souches bactériennes multirésistantes) et on commence à voir se développer des bactéries contre lesquelles quasiment aucun antibiotique n'est efficace. Ce phénomène est une grave menace qui pèse sur la santé publique pour les années à venir. Il est donc primordial de développer des pratiques plus responsables concernant l'utilisation des antibiotiques. Parmi les mutations spontanées ou induites qui se produisent aléatoirement dans les populations de bactéries, certaines confèrent des résistances aux antibiotiques. L'application d'un antibiotique sur une population bactérienne sélectionne les mutants résistants à cet antibiotiques, d'autant plus qu'il élimine les bactéries compétitrices sensibles et permet donc leur développement numérique. L'utilisation systématique de traitements antibiotiques en santé humaine comme en usage agronomique ou vétérinaire conduit à augmenter la fréquence des formes résistantes dans les populations naturelles de bactéries et aboutit à des formes simultanément résistances à plusieurs antibiotiques. Cela constitue un important problème de santé publique car le nombre de familles d'antibiotiques disponibles est limité. De nouvelles pratiques plus responsables des antibiotiques disponibles doivent donc être recherchées. Variation génétique et santé Lexique ADJECTIFS QUALIFIANT UNE MALADIE GÉNÉTIQUE ...monogénique : causée par la mutation d'un seul gène. ...autosomique : causée par la mutation d'un gène porté par un chromosome non sexuel (autosome). ...gonosomique : causée par la mutation d'un gène porté par un chromosome sexuel (gonosome). ...dominante : causée par un allèle dominant, dont un exemplaire suffit à provoquer la maladie. ...récessive : causée par un allèle récessif, dont 2 exemplaires sont nécessaires pour provoquer la maladie. ...multifactorielle : causée par de multiples facteurs, génétiques ou environnementaux.

EXERCICESCHAPITRE 1Mutations et santé EXERCICE 1 Etude de la transmission de la phénylcétonurie à partir d'un arbre généalogique Compétences travaillées : - Déterminer le mode de transmission d'une maladie à partir d'un arbre généalogique ; - Calculer les risques génétiques des nouvelles générations en calculant leur probabilité (conseil génétique). On s'intéresse à la phénylcétonurie, une maladie génétique déterminée par un seul gène, dont il existe deux allèles. Soit P l'allèle sain et P' l'allèle responsable de la maladie. Questions. A partir de l'étude de l'arbre généalogique : 1) La maladie est-elle autosomique ou liée au sexe ? 2) L'allèle P' à l'origine de la maladie est-il dominant ou récessif ? 3) Quel est le génotype de Robert ? de Louise ? de Rémy ? 4) Citer un individu homozygote et un individu hétérozygote. 5) Quel est le risque qu'un nouvel enfant de Louise et Rémy soit atteint par la maladie ? qu'il soit porteur sain de l'allèle P' ? (Justifiez votre calcul par un tableau) 6) Citer une maladie ayant le même mode de transmission que celle-ci. EXERCICE 2 Etude de la transmission de la myopathie de Duchenne à partir d'un arbre généalogique Compétences travaillées : - Déterminer le mode de transmission d'une maladie à partir d'un arbre généalogique ; - Calculer les risques génétiques des nouvelles générations en calculant leur probabilité (conseil génétique). On s'intéresse à la myopathie de Duchenne, une maladie génétique déterminée par un seul gène, dont il existe deux allèles. Soit M l'allèle sain et M' l'allèle responsable de la maladie. Questions. A partir de l'étude de l'arbre généalogique : 1) La maladie est-elle autosomique ou liée au sexe ? 2) L'allèle M' à l'origine de la maladie est-il dominant ou récessif ? 3) Quel est le génotype de l'individu IV.2 ? de l'individu III.5 ? 4) Citer un individu homozygote et un individu hétérozygote. 4) Quel est le risque qu'un nouvel enfant du couple III.4 et III.5 soit atteint par la maladie ? qu'il soit porteur sain de l'allèle M' ? La maladie étant rare dans la population, on suppose que le père est porteur d'un allèle M.

BILAN A RECOPIER DANS LE COURSCHAPITRE 1Mutations et santé A Origine et transmission d'une maladie génétique Certaines mutations sont responsables de pathologies, car elles peuvent conduire à la synthèse de protéines peu ou pas fonctionnelles. Lorsque ces pathologies sont liées à la mutation d'un seul gène, on parle de maladie monogénique. COMPRENDRE LA TRANSMISSION DES MALADIES GÉNÉTIQUES... L'étude d'arbres généalogiques familiaux permet de comprendre comment ces maladies monogéniques sont transmises de génération en génération : - Certaines de ces maladies sont à hérédité autosomique récessive. Cela signifie que l'allèle muté se trouve sur un autosome (chromosomes non sexuels, c'est-à-dire 1 à 22), et que seuls les homozygotes porteurs de deux allèles mutés sont atteints. Comme il faut deux exemplaires de l'allèle muté pour être malade, on qualifie cet allèle muté de récessif ; l'allèle sain est qualifié de dominant. Ainsi, les hétérozygotes (porteurs d'un allèle muté et d'un allèle non muté) ne sont pas malades, mais ils peuvent transmettre la maladie : ce sont des porteurs sains. C'est le cas de la mucoviscidose, maladie touchant 1 nouveau-né sur 4 500 en France. Cette pathologie se traduit par la production d'un mucus épais et visqueux dans différents organes (bronches, conduits pancréatiques, ...), conduisant à des difficultés respiratoires et digestives. La cause de la maladie est une mutation affectant le gène CFTR porté par le chromosome 7, codant pour une protéine du même nom. C'est cette absence de protéine CFTR fonctionnelle qui conduit à la production excessive de mucus anormalement visqueux. Les hétérozygotes ne sont pas malades car ils produisent suffisamment de protéine CFTR fonctionnelle. - D'autres maladies génétiques sont liées à des mutations affectant des gènes situés sur le chromosome X : c'est le cas de la myopathie de Duchenne. Les garçons sont plus fréquemment atteints car, n'ayant qu'un seul chromosome X, il suffit qu'ils possèdent un allèle muté pour être malades. On parle alors de maladie gonosomique (gonosomes = chromosomes sexuels) ou encore de maladie génétique liée au sexe. La comparaison des génomes de grandes cohortes de patients permet d'identifier les gènes et les mutations (donc les allèles) impliqués dans ces maladies monogéniques. ...POUR ESTIMER LE RISQUE GÉNÉTIQUE Un conseil génétique permet d'estimer le risque génétique d'avoir un enfant malade. Par exemple, si les 2 partenaires d'un couple sont hétérozygotes, il y a 1 risque sur 4 d'avoir un enfant atteint à chaque nouvelle naissance. Néanmoins, une maladie génétique peut néanmoins se déclarer sans qu'aucun des parents ne soit porteur de l'allèle muté : la maladie est alors due à une mutation du gène nouvelle produite, le plus souvent au cours de la formation des gamètes. Si le risque est avéré, un diagnostic génétique peut être établi afin de rechercher la présence d'une mutation. En cas de risque important pour une pathologie particulièrement grave, un diagnostic prénatal pratiqué en début de grossesse permet au couple de décider ou non de poursuivre la grossesse.

Travaux pratiques

Travaux dirigés

4VARIATION GÉNETIQUE BACTERIENNE ETRESISTANCE AUX ANTIBIOTIQUES Les antibiotiques sont des molécules produites naturellement par des champignons ou des bactéries, et capables de lutter contre les infections bactériennes. Cependant, depuis quelques années, la sensibilité des bactéries aux antibiotiques diminue dans les pays où ils sont les plus utilisés. De ce fait, l'efficacité thérapeutique des antibiotiques diminue. L'utilisation abusive des antibiotiques est donc la cause d'un réel problème de santé publique. L'objectif On cherche à expliquer la diminution de l'efficacité thérapeutique des antibiotiques face aux infections bactériennes au cours des dernières décennies. Votre réponse devra comporter : 1 - une stratégie de résolution permettant de recommander l'antibiotique le plus adapté à l'infection bactérienne de Mme Gémal, une patiente atteinte d'une infection urinaire. 2 - la présentation et l'exploitation des résultats obtenus avec l'antibiogramme. 3 - une description de l'évolution de la résistance aux antibiotiques (doc. 1 et 2). 4 - Une explication à l'apparition et à la propagation de bactéries résistantes aux antibiotiques, intégrant l'exploitation des documents 3 à 5 ainsi qu'une capture d'écran issue de Geniegen 2. Les ressources à exploiter Document de référence : Le mode d'action d'un antibiotique, la pénicilline. Une bactérie est un organisme unicellulaire présentant un cytoplasme dans lequel règne une forte pression. Sa membrane plasmique est doublée d'une paroi rigide qui permet ainsi à la bactérie de ne pas éclater. La pénicilline est un antibiotique de la famille des β-lactamines. Il s’agit du premier antibiotique ayant été découvert, par Alexander Fleming en 1928. Les β-lactamines sont les antibiotiques les plus utilisés en France, on y trouve notamment la pénicilline, l'amoxicilline, l'érythromycine ou les céphalosporines. La pénicilline agit en inhibant (bloquant) l’assemblage de la paroi bactérienne. L'observation ci-dessous compare une bactérie avant et après traitement à la pénicilline. Matériel disponible et protocole : Réalisation d'un antibiogramme. Les bactéries se multiplient se multiplient et forment des colonies qui recouvrent la surface de la boîte, à l'exception des auréoles autour des buvards, zones d'inhibition qui témoignent de l'efficacité des antibiotiques à empêcher la croissance de la souche. Plus le diamètre d'une zone d'inhibition est grand, plus l'antibiotique est efficace. Pour réaliser un antibiogramme, on dispose de : - de boîtes de Petri ensemencées avec une souche de bactéries Escherichia coli prélevée dans les voies urinaires de Mme Gémal ; - de pastilles à imbiber puis à déposer dans la boîte de Petri ; - de solutions contenant 4 antibiotiques différents : pénicilline (P), amoxicilline (A), érythromycine (E) et céphalosporine (C). Document 1 : Graphique représentant la proportion de S. pneumoniae résistantes à la pénicilline en fonction de la consommation d'antibiotiques dans différents pays du monde. Document 2 : Atlas de surveillance des maladies infectieuses de l'ECDPC. Les systèmes d'information géographiques tels que l'Atlas de surveillance des maladies infectieuses de l'ECDPC (European Centre for Disease Prevention and Control) permettent de visualiser l'évolution de la résistance aux antibiotiques au cours du temps. Cliquez ici pour accéder à l'Atlas de l'ECDPC et utilisez-le pour visualiser l'évolution de la résistance de la bactérie Escherichia coli aux céphalosporines de 3e génération (un antibiotique de type bêta-lactamines). Document 3 : L'origine de la résistance d'une bactérie à un antibiotique. Certaines souches bactériennes sont résistantes à un antibiotique, d’autre non. On a ainsi pu constater, chez certaines bactéries de type Escherichia coli, l’existence d’une résistance à un antibiotique, la céfotaxime. Ces bactéries produisent une enzyme protéique, la bêta-lactamase, capable de détruire la céfotaxime. D’autres bactéries de la même espèce possèdent cette enzyme, mais celle-ci est inefficace contre la céfotaxime. Cliquez ici pour accéder aux séquences nucléotidiques du gène de la bêta-lactamase d'une souche sensible à la céfotaxime (SHV-1) et d'une souche résistante (SHV-2). Document 4 : Une sélection des bactéries résistantes s'opère au cours du temps. Au sein des populations bactériennes, des résistances aux antibiotiques apparaissent spontanément mais avec une fréquence faible. L'utilisation de cet antibiotique va détruire les bactéries sensibles et épargner les souches résistantes. Ces dernières vont donc avoir tendance à se développer et devenir ainsi de plus en plus fréquentes. On dit que les antibiotiques sélectionnent les souches résistantes. Pour éviter d'utiliser un antibiotique inefficace, on doit donc réaliser des antibiogrammes qui vont déterminer les sensibilités et les résistances des bactéries présentes chez un malade. Document 5 : Une expérience conduite par l'université de Harvard. Des bactéries Escherichia coli ont été placées aux extrémités d'une boîte de Petri géante, contenant des doses d'antibiotiques croissantes vers le centre (1, 10, 100, 1 000). Pendant 10 jours, une caméra montée au plafond au-dessus de la boîte a pris des clichés périodiques que les chercheurs ont compilé pour créer un montage vidéo. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Concevoir et mettre en œuvre une stratégie de résolution pour tester l'efficacité d'antibiotiques. - Recenser, extraire et organiser des informations pour montrer que l'usage abusif des antibiotiques peut diminuer voire annuler leur efficacité. - Comparer des séquences génétiques.

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE -Première

Comment le système immunitaire permet-il de lutter contre les agents infectieux ?Comment la connaissance du fonctionnement du système immunitaire humain permet-elle de mettre au point des techniques utiles dans le domaine de la santé ?

A réviser

Le fonctionnement du système immunitaire humain

L'immunité innée

L'immunité adaptative

L'utilisation de l'immunité adaptative en santé humaine

Découvrir le système immunitaire avec

PROBLÉMATIQUE

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

Bienvenue dans le thème 4 ! "Je suis Rémi Krob, infirmier. Je travaille dans le service d'infectiologie de l'hôpital du Grand-Est Francilien à Meaux. J'accompagne les patients durant leur séjour à l'hôpital, en leur fournissant des médicaments et en restant bien sûr à leur écoute pour préserver leur santé. Après le baccalauréat, j'ai passé le concours qui m'a permis d'intégrer une école d'infirmier (IFSI). Après 3 ans d'étude, j'ai obtenu mon Diplôme d’État d'Infirmier." Voir la fiche métier Onisep

LES OUTILS NUMÉRIQUES UTILISÉS EN BIOLOGIEPour mesurer, réaliser une capture d'écran, annoter une image, ...Mesurim 2FTPour explorer et traiter un modèle moléculaireLibmolFTPour traiter des séquences génétiquesAnagène (voir bureau)FTPour construire et exploiter des modèles numériquesEdu'modèlesFTPour consulter, traiter et présenter des jeux de données numériquesLibreOffice Calc (voir bureau)FT

Chapitre verrouillé !

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

PROBLEMATIQUE : Quelles sont les conditions qui ont permis l’apparition et le maintien de la vie sur Terre ?

A réviser

Ecosystèmes et services environnementaux

Les écosystèmeset leur dynamique

L'humanité et les écosystèmes

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

Bienvenue dans le thème 5 ! "Je suis Zoé Cozystem, biologiste en environnement. Contrairement à ce que beaucoup pensent, l'écologie n'est pas un mouvement politique mais bien une science ! Je réalise des observations sur le terrain et des expériences en laboratoire pour comprendre comment l'Homme impacte la biodiversité pour mieux la protéger. J'ai fais un baccalauréat général, suivi de 5 années d'études à l'université pour obtenir un Master. Mais beaucoup de mes amis étudiants ont du obtenir leur Doctorat (bac +8) pour trouver du travail." Voir la fiche métier Onisep

LES OUTILS NUMÉRIQUES UTILISÉS EN ÉCOLOGIEPour mesurer, réaliser une capture d'écran, annoter une image, ...Mesurim 2FTPour explorer et traiter un modèle moléculaireLibmolFTPour traiter des séquences génétiquesAnagène (voir bureau)FTPour construire et exploiter des modèles numériquesEdu'modèlesFTPour consulter, traiter et présenter des jeux de données numériquesLibreOffice Calc (voir bureau)FT

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

Méthodologie

MES OUTILS :

Méthodologie à l'écrit

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

> En quoi consiste la question de synthèse ? L'exercice 1 vise à évaluer votre maîtrise des connaissances du programme de première ; ainsi que votre capacité à les mobiliser et à les restituer de façon organisée. Il peut s'agir :

D'une question de synthèse, pouvant s'appuyer ou non sur un document.
D'un QCM suivi d'une question de synthèse.
Plus rarement, uniquement d'un QCM (Questionnaire à Choix Multiples).

> Combien de temps consacrer à la question de synthèse ? En fonction du nombre de points attribués à la question de synthèse, la quantité de connaissances attendues et donc le temps à y consacrer ne seront pas les mêmes. Soyez donc vigilants lorsque vous lirez le sujet pour la première fois. Comptez environ 1h pour une synthèse sur 10 points.> Quelles informations trouve-t-on dans le sujet de la question de synthèse ? 1) Le thème, sur lequel porte la question. 2) Une introduction, posant une situation, un contexte à la question. Elle oriente votre réflexion vers certains notions vues en cours. 3) La question. Lisez-la très attentivement, car elle indique les limites du sujet et oriente votre réponse, ce qui doit vous éviter des développements hors-sujet. Bien souvent, vous pourrez prendre les points cités dans le sujet comme paragraphes de votre plan, dans l'ordre où ils sont cités. 4) Des précisions sur les attendus : Sous quelle forme dois-je répondre (un texte, un tableau, ...) ? Attend-t-on des schémas particuliers ? A bien lire donc. Remarque : Dans tous les cas, votre réponse doit être organisée, c'est-à-dire comportant une introduction, un développement en 2-3 parties ou paragraphes, et une conclusion. ATTENTION ! Parfois, il n'est pas demandé un développement mais un unique tableau ou schéma sur une double page (introduction et conclusion sont tout de même nécessaires). Ceci est alors clairement indiqué. > Comment commencer à préparer cette question de synthèse ? Au brouillon : - Notez les définitions des termes importants du sujet, les principales parties à développer et comment les enchaîner dans un ordre logique pour construire un plan. Réaliser une carte mentale peut aussi vous aider ! - Prévoyez les schémas à insérer et en faire une ébauche si besoin. - Rédigez l'introduction et la conclusion. > Comment est évaluée la question de synthèse ? L'examinateur utilise un barème curseur, évaluant d'abord la qualité de la synthèse, puis la complétude des connaissances attendues, et seulement ensuite la rigueur de la rédaction et de la schématisation. > Quels sont les indispensables pour répondre à la question de synthèse ? L'introduction doit : - Contextualiser le sujet et en définir les termes. - Poser le problème auquel vous allez devoir répondre. - Annoncer le plan que vous allez suivre. Le développement doit : - Être structuré, organisé en paragraphes. Il n'est pas obligatoire (mais vivement conseillé) de faire apparaître les titres du plan. - Être illustré, lorsque cela est utile et quand c'est demandé, par des schémas assez grands, clairs, légendés, titrés, propres et inclus dans le texte. Utilisez des exemples concrets pour illustrer les notions théoriques. - Être logique et fluide, des transitions courtes entre les paragraphes étant les bienvenues pour que le correcteur puisse suivre votre pensée. La conclusion doit : - Répondre au problème posé en introduction, en faisant une courte synthèse de l'exposé. - Éventuellement ouvrir sur un autre problème. > Quelles sont les choses à ne pas faire et les choses à ne pas oublier le jour-J ? Les choses à ne pas faire !Les choses à ne pas oublier !- Le hors-sujet - Les ratures et paquets de blanc - Les renvois de dernière minute* - Les annotations dans la marge - Les abréviations - Un seul schéma bilan à la fin - Les schémas format timbre poste - Réciter son cours - Traiter tout le sujet, rien que le sujet - Écrire lisiblement (relisez-vous !) - Utiliser des couleurs (titres, schémas) - Souligner les titres à la règle - Laisser 1 ligne entre les paragraphes - Insérer plusieurs petits schémas - Faire des schémas assez grands - Restituer les connaissances utiles M. Bean en découvrant son sujet de génétique... BON COURAGE :) Sources : Capsule vidéo de M. Fenaert (YouTube)

> En quoi consiste l'exercice 2 ? L'exercice 2, noté sur 10 points, évalue votre capacité à pratiquer une démarche scientifique dans le cadre d'un problème scientifique, en s'aidant de vos connaissances. Il s'appuie sur l'exploitation d'un ou plusieurs documents (dossier). Réservez-vous 1h pour cet exercice.Remarque : Il porte forcément sur un thème du programme différent de l'exercice 1. > Quelles informations trouve-t-on dans le sujet de l'exercice 2 ? 1) Le thème, sur lequel porte la question. 2) Une introduction, posant une situation, un contexte à la question. Elle oriente votre réflexion vers certaines notions vues en cours. 3) L'énoncé. Lisez-le très attentivement, car il oriente votre réponse. 4) Éventuellement un document de référence (une carte, ...). Il vous faudra alors faire des aller-retours entre ce document et les autres pour avancer dans votre raisonnement. Remarque : Il est possible que la mention "aucune étude exhaustive des documents n'est attendue" soit ajoutée. Dans tous les cas, il ne s'agit pas de faire une étude détaillée et approfondie de chaque document, mais bien d'extraire uniquement les idées essentielles qui permettent d'argumenter ou de raisonner par rapport au problème posé. > Quelle forme est attendue pour répondre à l'exercice 2 ? - Une très courte introduction, reformulant juste le problème posé dans l'énoncé. - Des paragraphes exploitant et reliant TOUS les documents, suivant l'ordre qui paraît le plus logique et cohérent (pas forcément celui du sujet), en intercalant si besoin des connaissances. Faites un paragraphe par argument, et pas forcément un paragraphe par document ! - Une brève conclusion, qui reprend les principaux éléments de votre démarche et répond au problème posé. Remarque : Sauf indications dans le sujet, les illustrations ne sont pas obligatoires pour cet exercice (mais restent appréciées). > Comment est évalué l'exercice 2 ? L'examinateur utilise un barème curseur comme ci-dessous, évaluant d'abord la qualité de la démarche, et seulement ensuite la complétude et la rigueur des informations apportées. > Comment réussir cet exercice ? - Lire attentivement l'énoncé pour savoir comment orienter votre exploitation des documents. - Au brouillon, indiquez rapidement ce que vous apporte chaque document pour répondre au problème posé. N'oubliez pas d'exploiter les titres et légendes des documents (données chronologiques, échelle, ...). Vous devez impérativement extraire des valeurs CHIFFRÉES (avec unités !) et des idées PRÉCISES. Réaliser une carte mentale peut vous aider ! - Précisez quelles connaissances vous permettront d'interpréter les documents. Attention, on ne vous demande pas de les restituer comme dans l'exercice 1. - Vous pouvez ensuite relier par des flèches les idées entre elles dans un ordre logique et cohérent, que vous suivrez lors de la rédaction. - Il n'est pas obligatoire de citer le numéro des documents utilisés au fur et à mesure de votre raisonnement, mais cela est fortement apprécié par l'examinateur. Vous devez en revanche présenter la nature de chaque document (lame mince, carte, IRM, ...) - Argumentez et raisonnez de façon rigoureuse, en utilisant - sans modération - les connecteurs logiques de façon judicieuse. Un exemple (classique certes, mais tellement efficace) : Le document 1 représente... On y observe que... (info pertinente issue d'un document) Or on sait que... / Or d'après le doc. 2 (connaissance ou info d'un autre document) Donc on en déduit que... (conclusion intermédiaire en lien avec le problème) - Ne paraphrasez pas les documents : cela ne rapporte aucun point, mais vous fait perdre un temps précieux. - Rédigez de manière claire et fluide, en mettant en valeur votre raisonnement en allant à la ligne (ou en sautant des lignes). - Et n'oubliez pas de vous relire et de mettre en valeur votre copie ! M. Bean n'avait pas vu tous les documents...BON COURAGE :)

> Comment s’organise le nouveau baccalauréat ? A partir de cette année, le baccalauréat comprend : - Une part de contrôle continu (40%), avec : > Les notes des bulletins scolaires de la Première à la Terminale (10%) ; > Des évaluations communes (épreuves communes de contrôle continu) concernant les matières du tronc commun et la spécialité abandonnée à la fin de la Première (30%) ; - 5 épreuves terminales (60%) : français (écrit et oral en Première), vos deux spécialités, philosophie et le "grand oral". > Comment sont évaluées les SVT au nouveau baccalauréat ? Votre note finale du baccalauréat prendra en compte : 1) Pour tous : Les notes de SVT de vos bulletins scolaires de Première (et Terminale), afin de valoriser la régularité de votre travail ; 2) Selon les deux spécialités que vous choisirez de conserver en Terminale (choix à faire au moment du conseil de classe du 2ème trimestre) : > Les élèves qui souhaitent abandonner la spécialité SVT à la fin de la première passeront une évaluation commune de SVT cette année, durant le troisième trimestre. Durée : 2 heures. OU > Les élèves qui conserveront la spécialité SVT en terminale passeront : * Une épreuve de spécialité SVT qui se déroule au retour des vacances de printemps, comprenant une partie écrite (3h30) et une partie pratique (1h). * Un"grand oral", présenté à la fin du mois de juin. D'une durée de 20 minutes, il comprend la présentation orale d'un sujet (préparé dès la première, et adossé à 1 ou 2 spécialités) suivi d'un entretien avec un jury constitué de 2 professeurs. > Comment se déroule l'épreuve de SVT en fin de première ? L'évaluation commune de SVT est une épreuve écrite de 2 heures, commune à tous les groupes de spécialité SVT du lycée. Le sujet est choisi parmi une banque nationale pour garantir l'égalité entre les candidats et les établissements scolaires. Les copies seront anonymées et corrigées par d'autres professeurs du lycée. Une harmonisation sera assurée entre établissements. L'épreuve écrite nécessite la maîtrise de TOUTES les notions, contenus et compétences au programme de 1ère. Même s'il n'y a pas d'épreuve pratique, certains documents nécessitent la maîtrise de compétences expérimentales. L'épreuve est organisée en 2 exercices, qui portent obligatoirement sur des parties différentes du programme : > L'exercice 1 (sur 10 points) évalue votre maîtrise des connaissances acquises et votre capacité à les mobiliser et à les organiser pour répondre à une question scientifique. Il peut prendre des formes différentes : question de synthèse et/ou QCM, avec ou sans documents d'appui, avec ou sans schémas obligatoires, .... On vous conseille d'y passer 1h maximum. > L'exercice 2 (sur 10 points) évalue votre pratique du raisonnement scientifique et votre capacité à pratiquer une démarche scientifique pour répondre à un problème scientifique. Il nécessite l'exploitation d'un ou plusieurs documents qu’il faut mettre en lien avec vos connaissances. Le questionnement vous invite à choisir et à exposer une démarche personnelle, à élaborer une argumentation et à proposer une conclusion. On vous conseille d'y passer 1h maximum. Prenez ensuite 10 minutes pour vous relire et mettre en valeur vos réponses. Durant toute l'épreuve, l'usage de la calculatrice est interdit. La note finale de l'épreuve est composée de la somme des points obtenus à chacune des parties. IL FAUT DONC PRÉPARER CET EXAMEN DES MAINTENANT !

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

CONNAISSANCES

EXERCICES

PLAN DE TRAVAIL

La transmission de l'information génétique

Transmission, variation et expression du patrimoine génétique

Méiose et formation decellules haploïdes

ACTIVITÉS

L'origine d'une anomalie chromosomique

Mitose et reproductionconforme des cellules

La réplication du matériel génétique

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

PLAN DE TRAVAILCHAPITRE 1La transmission de l'information génétique INTRODUCTION Quelques chatons issus d’une même portée (même père, même mère). DE LA TRANSMISSION DE L'INFORMATION GÉNÉTIQUE... AU PARTAGE DE CARACTÈRES AU SEIN D'UNE ESPÈCE (CYCLE 4) Au sein des populations, différents individus peuvent être classés au sein de la même espèce : ils partagent des caractères communs, et peuvent se reproduire entre eux et obtenir une descendance viable et fertile. Pourtant, tous les individus d'une population appartiennent à des générations distinctes. Le maintien des caractères des individus et des cellules au fil des générations repose sur la conservation du caryotype (c'est-à-dire du nombre et de la forme des chromosomes). L'information génétique est en effet transmise entre générations d'individus, et entre générations de cellules au sein d'un individu. PROBLÉMATIQUE(S) Comment l'information génétique est-elle transmise au fil des générations ?Comment le caryotype est-il conservé au cours de la reproduction des cellules et des individus ? ACTIVITÉS 1 - La stabilité du caryotype au fil des générations2 - Mitose et conservation du caryotype3 - Les modifications du caryotype au cours du cycle cellulaire4 - Méiose et formation de cellules haploïdes5 - La réplication de l'ADN OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE / COMPÉTENCES TRAVAILLÉES Recenser, extraire et organiser des informations à partir d'un caryotype. Réaliser une observation microscopique et identifier des phases des divisions cellulaires. Présenter des observations microscopiques pour les communiquer. Réaliser des schémas présentant les différentes phases des divisions cellulaires et du cycle cellulaire. Construire, recenser, extraire et organiser des informations à partir d'un graphique (quantité d'ADN en fonction du temps). Sélectionner les connaissances utiles pour répondre à un problème scientifique. LES MOTS-CLÉS CaryotypeCellule haploïde/diploïdeChromosome condensé/décondenséChromosome mono/bichromatidienCycle cellulaire (phases G1, S, G2, M)Divisions cellulaires (mitose, méiose)Fuseau mitotique/méiotiqueRéplication semi-conservative de l'ADNADN polyméraseClone

BILAN DES CONNAISSANCESCHAPITRE 1La transmission de l'information génétique INTRODUCTION Sauf exceptions, tous les individus classés dans la même espèce ont le même caryotype. Cela signifie que le nombre et la forme des chromosomes sont conservés d’une génération à l’autre. La plupart des êtres humains portent 23 paires de chromosomes dans leurs cellules, dont deux chromosomes sexuels (XX chez les femmes, XY chez les hommes). Certains mécanismes sont donc responsables de la transmission de l’information génétique et de la stabilité du caryotype d'une génération à l'autre. PROBLÉMATIQUE(S) Comment l'information génétique est-elle transmise au fil des générations ?Comment le caryotype est-il conservé au cours de la reproduction des cellules et des individus ? I La stabilité du caryotype au fil des générations ACTIVITÉ 1 : La stabilité du caryotype au fil des générations Le cycle biologique d'une espèce représente la succession d'évènements ayant lieu depuis l’apparition d’un organisme (génération x) jusqu’à l’apparition d’un organisme fils (génération x+1), c'est-à-dire lors du renouvellement des générations d’une espèce. Parmi ces évènements, certains processus sont impliqués dans la conservation du caryotype : LA MITOSE La mitose est une division cellulaire permettant la multiplication du nombre de cellules d'un individu, par exemple lors de la croissance. Elle permet une stricte conservation du caryotype. LA MÉIOSE La méiose est une division cellulaire produisant des gamètes haploïdes (n) à partir d’une cellule diploïde (2n). LA FÉCONDATION La fécondation permet, par fusion de 2 gamètes haploïdes (n), de former une cellule-œuf ou zygote diploïde (2n). La succession méiose-fécondation - et donc phase haploïde/diploïde - au cours du cycle biologique permet d'assurer la stabilité d'un caryotype d'une génération à l'autre. La mitose permet la reproduction conforme des cellules d'un organisme. II La conservation du caryotype au cours de la multiplication cellulaire Les organismes pluricellulaires sont constitués de plusieurs cellules (environ 10^13 chez l'humain). Toutes ces cellules proviennent de la multiplication d'une seule cellule-œuf. Des cycles de divisions cellulaires permettent de conserver un caryotype diploïde au cours de la croissance et du renouvellement des individus. A Les modifications des chromosomes au cours des cycles cellulaires ACTIVITÉ 3 : Modifications des chromosomes au cours du cycle cellulaire CYCLE CELLULAIRE Le cycle cellulaire représente la succession d'évènements ayant lieu depuis l'apparition d'une cellule par mitose (ou suite à une fécondation) jusqu'à l'apparition, par division de cette cellule mère, de cellules filles. Sa durée varie d'un organisme à l'autre : 2h chez la levure, 24h pour certaines cellules humaines. Un cycle cellulaire est découpé en deux phases : l'interphase et la division cellulaire (mitose ou méiose). Au cours d'un cycle, l'état de condensation des chromosomes varie : - Lors de l'interphase, les chromosomes sont décondensés, sous forme de chromatine (fibre de 11 nm de diamètre contenue dans le noyau), et ne sont donc plus observables au microscope. - Lors des divisions cellulaires, les chromosomes se condensent pour former des chromosomes condensés (chromosomes mitotiques ou méiotiques). Le nombre de chromatides des chromosomes varie également : - Les chromosomes monochromatidiens sont constitués d'une seule chromatide ; - Les chromosomes bichromatidiens sont formés de deux chromatides, reliées au niveau d'un centromère. L'interphase est elle-même divisée en 3 phases : les phases G1, S et G2. LA PHASE G1 (G pour gap, intervalle) La cellule croît. Les chromosomes sont décondensés et monochromatidiens (ils n'ont qu'une seule chromatide). LA PHASE S (S pour synthesis, synthèse) Les chromosomes décondensés sont dupliqués et deviennent bichromatidiens. Ce doublement du nombre de chromatide est permis par un doublement de la quantité d'ADN : durant cette phase, de nouvelles molécules d'ADN sont synthétisées. C'est la réplication de l'ADN. LA PHASE G2 La cellule continue de croître et prépare sa future division. Les chromosomes sont décondensés et bichromatidiens (à deux chromatides). A chaque cycle de division cellulaire, chaque chromosome est dupliqué : les chromosomes à une chromatide deviennent des chromosomes à 2 chromatides. Cette réplication de l'ADN permet de préparer la future division cellulaire. Chez les eucaryotes, les chromosomes subissent une alternance de condensation/décondensation au cours du cycle cellulaire. B La mitose, une reproduction conforme des cellules ACTIVITÉ 2 : Mitose et conservation du caryotype La mitose est la division d'une cellule contenant des chromosomes à 2 chromatides en 2 cellules identiques recevant chacune 1 chromatide de chaque chromosome. Les deux cellules filles héritent ainsi chacune du même nombre de chromosomes que la cellule mère : la diploïdie est conservée. La mitose est découpée en 4 phases : PROPHASE L'enveloppe nucléaire disparaît, les chromosomes à 2 chromatides se condensent et deviennent visibles. MÉTAPHASE Les chromosomes à 2 chromatides s'alignent le long du plan équatorial de la cellule. ANAPHASE Les deux chromatides sœurs de chaque chromosome se séparent et migrent chacune vers un pôle opposé de la cellule, grâce au fuseau mitotique. TÉLOPHASE Les chromosomes à 1 chromatide se décondensent et ne sont plus distinguables, les enveloppes nucléaires se reforment autour de chaque lot. La cellule mère se divise en deux cellules filles (cytocinèse). Lors de la mitose, chaque chromatide est transmise à une des deux cellules filles obtenues. La mitose permet donc une reproduction conforme des cellules, puisque toutes les caractéristiques du caryotype (nombre et morphologie des chromosomes) sont conservées dans les 2 cellules filles. III La méiose, une division formant des cellules haploïdes ACTIVITÉ 4 : Méiose et formation de cellules haploïdes La méiose est une suite de deux divisions cellulaires qui permettent de produire 4 cellules filles haploïdes (n) à partir d'une cellule mère diploïde (2n). Chez les Mammifères (comme l’Homme), la méiose se déroule dans les gonades (testicules et ovaires) et participe à la production des gamètes. Comme la mitose, elle est toujours précédée d’une réplication de l’ADN formant des chromosomes bichromatidiens (à 2 chromatides sœurs identiques). A Une première division sépare les chromosomes homologues La première division de la cellule mère diploïde (2n = 46 chez l’Homme) avec des paires de chromosomes à 2 chromatides produit 2 cellules filles haploïdes (n = 23) avec des chromosomes à 2 chromatides. Par conséquent, la quantité d’ADN par cellule est elle-aussi divisée par 2. Comme cette première division sépare les chromosomes homologues de chaque paire, la ploïdie est réduite et on parle de division réductionnelle. PROPHASE I Les chromosomes homologues se condensent et se regroupent par paires. L'enveloppe nucléaire disparait et le fuseau méiotique se met en place. MÉTAPHASE I Les chromosomes homologues s'alignent aléatoirement de part et d’autre du plan équatorial de la cellule, grâce au fuseau méiotique. ANAPHASE I Tracté par le fuseau méiotique, un chromosome homologue de chaque paire migre vers chaque pôle de la cellule. Il y a alors réduction du nombre de chromosomes par cellule, mais les chromatides ne se séparent pas : chaque chromosome en contient toujours 2 ! TÉLOPHASE I Les chromosomes à 2 chromatides se décondensent en chromatine et les deux cellules filles se séparent (cytocinèse). B Une seconde division sépare les chromatides sœurs La deuxième division de la méiose n'est PAS précédée par une réplication de l'ADN. Elle est aussi découpée en 4 phases : prophase II, métaphase II, anaphase II et télophase II. En anaphase II, le fuseau méiotique sépare les chromatides sœurs de chaque chromosome bichromatidien. Elle divise chacune des 2 cellules haploïdes (n = 23) avec des chromosomes à 2 chromatides obtenues en 2 cellules filles haploïdes (n = 23) avec des chromosomes à 1 chromatide. A l’issue de cette division, 4 cellules filles haploïdes ayant le même nombre de chromosomes (n = 23) sont donc formées. Comme les cellules filles obtenues à l'issue de la seconde division ont le même nombre de chromosomes que les cellules mères, on parle de division équationnelle. En revanche, la quantité d’ADN par cellule est à nouveau divisée par 2. La méiose conduit donc à 4 cellules haploïdes, qui ont, chacune, la moitié des chromosomes de la cellule diploïde initiale. IV La réplication de l'ADN A Chaque chromatide contient une molécule d'ADN Chaque chromatide d'un chromosome est constituée d'une longue molécule d'ADN associée à des protéines structurantes, comme les histones. Comme les chromatides de chaque chromosome sont séparées lors de la mitose, la quantité d'ADN par cellule est divisée par 2. La succession des mitoses nécessite des réplications de l'ADN, permettant un doublement de la quantité d'ADN et du nombre de chromatides en amont. B La réplication de l'ADN est semi-conservative ACTIVITÉ 5 : La réplication de l'ADN Durant la phase S de l'interphase, l'observation de la chromatine révèle des figures particulières appelées yeux de réplication. Elles témoignent d'une séparation des deux brins de la double hélice d'ADN, où se déroule la réplication de l'ADN. Les expériences historiques montrent que la réplication de l'ADN est semi-conservative : chaque brin d'ADN parental sert de modèle pour la synthèse d'un nouveau brin (brin néosynthétisé). Chaque molécule d'ADN obtenue contient un brin parental et un brin néosynthétisé.Cette synthèse est effectuée une enzyme, l'ADN polymérase. Elle associe en face de chaque nucléotide du brin parental le nucléotide complémentaire. Chaque nouveau brin produit par l'ADN polymérase est donc complémentaire du brin matrice. La réplication se déroule simultanément à plusieurs endroits sur chaque molécule d'ADN, au niveau des différents yeux de réplication. Une ADN polymérase est située à chaque extrémité de chaque œil de réplication. En absence d'erreur, ce mécanisme préserve ainsi, par copie conforme, la séquence des nucléotides de chaque molécule d'ADN. Les deux chromatides constituant chaque chromosome en fin de phase S ont donc la même information génétique, identique à celle de départ. Le principe de la réplication a été repris dans la technique de PCR (réaction de polymérisation en chaîne), très utilisée en laboratoire pour fabriquer rapidement de nombreuses copies d'une séquence d'ADN. Au cours de la phase S du cycle cellulaire, l'ADN subit la réplication semi-conservative. Il s'agit de la formation de deux copies qui, en observant les règles d'appariement des bases, conservent chacune la séquence des nucléotides de la molécule initiale. Les deux copies sont ensuite associées au niveau de leurs centromères et forment un chromosome bichromatidien. Accroissement d'un œil de réplication(en rouge : brin parental, en bleu : brin néosynthétisé, en vert : ADN polymérase)C La mitose et la réplication forment des clones Grâce au mécanisme de réplication de l'ADN, les deux cellules provenant par mitose d'une cellule initiale possèdent exactement la même information génétique. La succession de mitoses produit un ensemble de cellules, toutes génétiquement identiques, que l'on appelle un clone. Une comparaison des divisions cellulaires Lexique ADJECTIFS QUALIFIANT UNE CELLULE ...eucaryote : dont l'information génétique est contenue dans un noyau. ...germinale : cellule d'un organisme pluricellulaire qui est à l'origine des gamètes (cellules reproductrices). ...somatique : cellule d'un organisme pluricellulaire qui n'est pas une cellule germinale. ...haploïde : dont chaque chromosome est présent en un exemplaire (noté n). ...diploïde : dont chaque chromosome est présent en deux exemplaires (noté 2n). ADJECTIFS QUALIFIANT UN CHROMOSOME ...condensé : le niveau de compaction de l'ADN est maximal, le chromosome est visible et délimitable au microscope optique. ...décondensé : le niveau de compaction de l'ADN est faible, le chromosome n'est pas délimitable et forme la chromatine contenue dans le noyau. ...monochromatidien : constitué d'une seule chromatide (donc d'une molécule d'ADN). ...bichromatidien : constitué de deux chromatides (donc de deux molécules d'ADN identiques).

EXERCICESCHAPITRE 1La transmission de l'information génétique Maîtrise des connaissances EXERCICE 1 Le cycle biologique d'une espèce Le caryotype d'une espèce comporte 3 paires de chromosomes. - Écrire la formule chromosomique de cette espèce. - Ouvrir l'animation proposée ci-dessous et compléter le schéma de son cycle biologique. Une animation pour s'entraîner à comprendre un cycle biologique EXERCICE 2 Les phases du cycle cellulaire (TP) - Définir ce qu'est le cycle cellulaire, et en citer les différentes phases. - Ouvrir l'animation proposée ci-dessous, ordonner les photos et replacer les noms des différentes phases. Une animation pour s'entraîner à identifier les étapes du cycle cellulaire EXERCICE 3 Les phases de la méiose (TP) - Définir ce qu'est la méiose, et en citer les différentes phases. - Ouvrir l'animation proposée ci-dessous, ordonner les photos et les noms des différentes phases. Une animation pour s'entraîner à identifier les étapes de la méiose EXERCICE 4 Méiose et stabilité du caryotype (Question de synthèse) La reproduction sexuée repose notamment sur la production de cellules reproductrices haploïdes au cours de la méiose. Ensuite, lors de la fécondation, deux gamètes haploïdes peuvent ainsi fusionner et former une unique cellule diploïde, la cellule-œuf. On considère une cellule-mère ayant pour formule chromosomique 2n = 4. Expliquer comment la méiose permet la formation de cellules ayant un contenu chromosomique différent de cette cellule-mère. Vous rédigerez un exposé structuré. Vous pouvez vous appuyer sur des représentations graphiques judicieusement choisies. On attend des arguments pour illustrer l'exposé comme des expériences, des observations, des exemples... Une animation sur les modifications des chromosomes et de la quantité d'ADN au cours de la méiose EXERCICE 5 Comparaison des divisions cellulaires chez les eucaryotes (Question de synthèse) Le cycle biologique humain fait intervenir différentes divisions cellulaires : la mitose et la méiose. Chacun de ces mécanismes permet la division d'une cellule-mère en cellules-filles. Pourtant ils sont bien différents, tant par les caractéristiques des cellules filles qu'ils produisent que par leur déroulement. On considère une cellule-mère ayant pour formule chromosomique 2n = 6. Comparer les caractéristiques des cellules filles issues de la mitose et de la méiose de cette cellule-mère. Vous expliquerez ensuite leurs caractéristiques en comparant le déroulement de ces deux mécanismes. Vous rédigerez un exposé structuré. Vous pouvez vous appuyer sur des représentations graphiques judicieusement choisies. On attend des arguments pour illustrer l'exposé comme des expériences, des observations, des exemples...

3MÉIOSE ET FORMATION DE CELLULES HAPLOÏDES La comparaison du caryotype des gamètes avec les autres cellules de l'organisme indique que seule la moitié du nombre initial de chromosomes est conservé au cours de la méiose. Chacune des cellules filles possède la moitié des chromosomes de la cellule mère diploïde. La méiose doit donc expliquer à la formation de quatre cellules filles haploïdes (n) à partir d'une cellule mère diploïde (2n), en répartissant le matériel génétique condensé de la cellule mère dans chacune des quatre cellules filles obtenues. L'objectif On cherche, par des observations microscopiques, des indices de la condensation et de la répartition du matériel génétique dans les cellules filles au cours de la division cellulaire méiotique. Votre réponse comportera des arguments permettant de discuter votre modèle explicatif ainsi qu'une observation microscopique pertinente et bien renseignée, que vous insérerez dans un fichier au format .pdf à déposer dans le casier de M. Nottet sur l'ENT. Les ressources à exploiter Document 1 : Matériel biologique et protocole de préparation Comme on ne peut travailler directement sur les cellules germinales humaines, nous allons réaliser nos observations sur un organisme plus "pratique", le lis (Lilium candidum, Liliacées). Les cellules situées dans les anthères de cette plante subissent de nombreuses méioses, qui contribuent à la production des gamètes mâles (contenus dans les grains de pollen). La méiose est généralement synchronisée au sein d'un anthère, si bien que toutes les cellules observées sont généralement à la même phase de la méiose. Document 2 : Le déroulement de la méiose. La méiose est le processus par lequel une cellule mère diploïde est divisée en quatre cellules filles haploïdes. C'est en fait une suite de deux divisions cellulaires, que l’on peut décrire en 8 phases, que les biologistes distinguent grâce à l’aspect visuel des chromosomes dans les cellules. Je découvre les étapes de la méiose Je m'entraîne à identifier les étapes de la méiose Document 3 : Observation microscopique des chromosomes durant une méiose (G x 400). Dans cette vidéo, une paire de chromosomes homologues a été coloré en rouge et en bleu pour la suivre plus facilement. Document 4 : Évolution de la quantité d'ADN au cours d'un cycle cellulaire méiotique. Source : Lelivrescolaire.fr, SVT, Cycle 4. Document 5 : Tableau décrivant les différentes phases de la méiose. UNE PREMIÈRE DIVISION RÉDUCTIONNELLE Lors de la première division, les paires de chromosomes homologues sont séparées et réparties dans deux cellules filles. La cellule mère diploïde est ainsi divisée en deux cellules filles haploïdes portant un lot de chromosomes à deux chromatides (bichromatidiens). LES PHASES DE LA PREMIÈRE DIVISION DE MÉIOSEProphase I- L'enveloppe du noyau disparaît.- Les chromosomes homologues à 2 chromatides deviennent visibles et s'associent par paires.Métaphase I- Les chromosomes à 2 chromatides sont rassemblés et rangés à l'équateur de la cellule.- Un chromosome de chaque paire est situé de part et d'autre du plan équatorial.Anaphase I- Un chromosome à 2 chromatides de chaque paire migre vers un pôle opposé de la cellule.Télophase I- Chaque chromosome se situe à un pôle différent de la cellule.- Les chromosomes ne sont plus distinguables. - Une nouvelle enveloppe nucléaire se reforme autour de chaque lot.- La cellule mère se divise en deux cellules filles (cytocinèse). UNE SECONDE DIVISION ÉQUATIONNELLE Lors de la seconde division, les 2 chromatides sœurs de chaque chromosome sont séparées et réparties dans les cellules filles (comme lors de la mitose). On obtient 4 cellules haploïdes avec des chromosomes à chromatides simples (monochromatidiens). LES PHASES DE LA SECONDE DIVISION DE MÉIOSEProphase II- L'enveloppe des deux noyaux disparaît.- Les chromosomes à 2 chromatides, uniques, deviennent visibles et sont en désordre.Métaphase II- Les chromosomes à 2 chromatides sont rassemblés et rangés aux équateurs des deux cellules.- Une chromatide de chaque chromosome est situé de part et d'autre des plans équatoriaux.Anaphase II- Une chromatide de chaque chromosome migre vers un pôle opposé des cellules.Télophase II- Chaque chromatide se situe à un pôle différent des cellules.- Les chromosomes à 1 chromatide ne sont plus distinguables. - Une nouvelle enveloppe nucléaire se reforme autour de chaque lot.- Chaque cellule se redivise en deux cellules filles (cytocinèse), formant 4 cellules filles. Avant la méiose, une cellule est en interphase : son noyau est visible, les chromosomes ne sont pas distinguables et constituent la chromatine dans le noyau. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Réaliser une observation microscopique. - Présenter des observations microscopiques pour les communiquer. - Réaliser des schémas, ou identifier sur des schémas les différentes phases des divisions cellulaires.

Travaux pratiques

Travaux dirigés

1L'ORIGINE D'UNE ANOMALIE CHROMOSOMIQUE Afin d'identifier d'éventuelle(s) anomalie(s) chromosomique(s) chez le futur enfant de Mme X, un caryotype a été prescrit par son médecin. L'objectif On cherche à détecter et à expliquer la (ou les) éventuelle(s) anomalie(s) chromosomique(s) dans les cellules de l'enfant à naître de Mme X. Les ressources disponibles Document : Principe de réalisation d'un caryotype Des cellules ont été prélevées dans le liquide amniotique chez Mme X, puis elles ont été mises en culture in vitro. L’ajout d’une substance chimique, la colchicine, dans le milieu de culture permet alors de « mettre en pause » ces cellules à un moment où les chromosomes sont visibles. Des cellules sont ensuite prélevées, puis éclatées. Les chromosomes sont ensuite colorés pour être identifiés, puis observés au microscope. Une photographie est prise, et les chromosomes peuvent ensuite être rangés par paires et classés par taille décroissante à l’aide d’un logiciel. Les étapes de résolution Partie pratique : Réalisation et analyse du caryotype de l'enfant à naître 1) A l’aide du logiciel, réaliser le caryotype de l’enfant à naître de Mme X. Logiciel pour réaliser le caryotype du patient 2) Présenter le résultat obtenu pour le communiquer :- Ouvrir un document texte et indiquer vos noms dans le fichier,- Effectuer une capture d’écran du caryotype et l’insérer dans un document texte.- Compléter votre document en ajoutant un titre et en repérant la (ou les) éventuelle(s) anomalie(s) avec des légendes. 3) Une fois le travail terminé, enregistrez votre fichier au format PDF, renommez-le avec vos noms, puis déposez-le dans le casier de M. Nottet sur l’ENT. Partie théorique : Origine du caryotype de l'enfant à naître (sur feuille) Pour simplifier, nous allons raisonner avec une cellule ayant pour formule chromosomique 2n = 4, c’est-à- dire ayant comme garniture chromosomique deux paires de chromosomes. 1) Représenter la garniture chromosomique d’une cellule contenant 2n = 4 chromosomes. 2) Lors de la mitose, une cellule mère se divise en deux cellules filles. Représenter la garniture chromosomique de chaque cellule fille obtenue, dans le cas « normal ». 3) En quelques mots, expliquer ce que vous avez fait de la garniture chromosomique de la cellule mère pour obtenir celle des deux cellules filles. 4) A l’aide d’un schéma et d’un texte, proposer une explication à l’anomalie chromosomique constatée chez l’enfant à naître de Mme X. ENVIE D'ALLER PLUS LOIN Une animation sur la réalisation des caryotypes Une application en ligne pour réaliser des caryotypes (normaux ou anormaux) Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Réaliser et analyser un caryotype pour détecter une anomalie du nombre de chromosomes. - Présenter ses résultats pour les communiquer à l'écrit.

1MITOSE ET REPRODUCTION CONFORME DES CELLULES Toutes les cellules de l'organisme, issues des divisions successives de la cellule-œuf par mitoses, possèdent le même nombre de chromosomes. La mitose doit donc contribuer à la conservation le caryotype (la forme et le nombre des chromosomes), en répartissant équitablement le matériel génétique condensé de la cellule mère dans chacune des deux cellules filles obtenues. L'objectif On cherche, par des observations microscopiques, des indices de la condensation et de la répartition du matériel génétique dans les cellules filles au cours de la division cellulaire mitotique. Vous présenterez votre réponse sous la forme de deux observations microscopiques pertinentes et bien renseignées, que vous insérerez dans un fichier au format .pdf à déposer dans le casier de M. Nottet sur l'ENT. Les ressources à exploiter Document 1 : Matériel biologique et protocole de préparation La croissance rapide des racines d'oignon (Allium cepa, Alliacées) permet d'observer de nombreuses figures de mitose dans les quelques derniers mm de la racine, au niveau d'une zone appelée méristème. Attention, le binôme qui manipule doit impérativement porter des gants. Coloration de l'échantillon : - Verser 1 à 2 gouttes d'HCl dans le verre de montre contenant les racines. - Laisser tremper la racine dans cette solution pendant 5 minutes. - Sortir la racine de cette solution à l'aide d'une pince. - Égoutter sur du papier absorbant, vider et essuyer le verre de montre. - Ajouter 1 à 2 gouttes d'orcéine acétique dans le verre de montre, puis y plonger la racine. - Laisser tremper la racine dans cette solution pendant 20 minutes. - Sortir la racine de cette solution à l'aide d'une pince. - Égoutter sur du papier absorbant. Montage de l'échantillon entre lame et lamelle : - Déposer la racine sur une lame à l'aide d'une pince. - Déposer 1 goutte d'acide acétique sur la racine. - Déposer une lamelle sur la préparation. - Écraser doucement la lamelle contre la racine à l'aide d'un bouchon en étirant la racine, de manière à obtenir un échantillon assez fin. Document 3 : Observation de la mitose au microscope optique. Un chromosome a été coloré en vert pour faciliter le visionnage : Document 3 : Le déroulement de la mitose. La mitose est un phénomène au cours duquel une cellule mère se divise en deux cellules filles. Les biologistes décrivent la mitose en 4 phases, caractérisées par l’aspect visuel des chromosomes dans les cellules. Je découvre les étapes de la mitose Je m'entraîne à identifier les étapes de la mitose Document 4 : Observation d'une mitose en microscopie à fluorescence. Le noyau et les chromosomes sont repérables par la fluorescence rouge, les protéines du fuseau mitotique par la fluorescence verte. Le fuseau mitotique permet la répartition équitable des chromosomes dans les deux cellules filles. Document 5 : Observation des chromosomes en début et en fin de mitose (MEB). Chromosomes en début de mitoseChromosomes en fin de mitoseSource : Le livre scolaire, Cycle 4. Document 6 : Tableau décrivant les différentes phases de la mitose. En dehors de la mitose, une cellule est en interphase : son noyau est visible, les chromosomes ne sont pas distinguables et constituent la chromatine dans le noyau. Prophase- L'enveloppe du noyau disparaît.- Les chromosomes à 2 chromatides deviennent visibles et sont en désordre.Métaphase- Les chromosomes à 2 chromatides sont rassemblés et rangés à l'équateur de la cellule.- Chaque chromatide de chaque chromosome est située de part et d'autre du plan équatorial.Anaphase- Les chromatides sœurs de chaque chromosomes sont séparées et migrent chacune vers un pôle opposé de la cellule, tirées par le fuseau mitotique.Télophase- Chaque lot de chromosomes à une chromatide se situe à un pôle différent de la cellule.- Les chromosomes se décondensent, ils ne sont plus distinguables. - Une nouvelle enveloppe nucléaire se reforme autour de chaque lot. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Réaliser une préparation et une observation microscopique. - Identifier sur des micrographies ou des schémas les différentes phases des divisions cellulaires. - Présenter des observations microscopiques pour les communiquer.

3LA RÉPLICATION DE L'ADN Afin d'expliquer la conservation du caryotype au cours des cycles cellulaires successifs, chaque division cellulaire doit être précédée d'une réplication de l'ADN. Durant la phase S de l'interphase, elle doit permettre de doubler la quantité d'ADN des cellules, et ainsi le nombre de chromatides de chaque chromosome. L'objectif On cherche à discuter la cohérence de différentes hypothèses formulées pour expliquer la réplication de l'ADN avec l'expérience de Meselson et Stahl. On cherche à discuter la cohérence de différentes hypothèses formulées pour expliquer la réplication de l’ADN avec l’expérience Avant chaque division cellulaire, la réplication de l'ADN doit permettre de doubler le nombre de chromatides de chaque chromosome. Comme chaque chromatide est constituée d'une longue molécule d'ADN, ce mécanisme doit donc dupliquer la molécule d'ADN de la chromatide initiale. Afin d'expliquer la conservation de l'information génétique, elle doit produire deux copies identiques, c'est-à-dire portant la même séquence de nucléotides que la molécule parentale. LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1 Réaliser un schéma expliquant comment le mécanisme de réplication semi-conservatif permet de former deux copies conservant la séquence de nucléotides d'une molécule initiale (doc. 1 à 3). Représentez les brins d'ADN néosynthétisés en bleu et les brins d'ADN parentaux en rouge. 2 Traiter un modèle moléculaire de l'ADN polymérase sur Libmol pour montrer que cette enzyme interagit étroitement avec l'ADN (voir réponse à la question précédente et doc. 3), puis réaliser une image légendée rendant compte de votre interprétation. 3 Calculer la durée nécessaire à l'ADN polymérase d'Escherichia coli pour répliquer l'intégralité du chromosome de cette bactérie. 4 Réaliser une série de schémas présentant les résultats attendus par l'expérience de Taylor avec le modèle conservatif et semi-conservatif, puis montrer que cette expérience corrobore l'hypothèse d'une réplication semi-conservative (doc. 4). Représentez les brins d'ADN marqués en noir et les brins d'ADN non marqués en vert. 5 Réaliser une série de schémas présentant les résultats attendus par l'expérience de Meselson et Stahl avec le modèle conservatif et semi-conservatif, puis montrer que cette expérience corrobore l'hypothèse d'une réplication semi-conservative (doc. 5). Représenter le résultat qui serait obtenu dans le tube à la génération suivante. Représentez les brins d'ADN légers en noir et les brins d'ADN lourds en vert. Les ressources à exploiter Document 1 : L'hypothèse de Watson et Crick (1953). DOCUMENT 2 Observation d'un chromosome en cours de réplication (MET) En 1963, John Cairns, biologiste anglais, parvient à observer que les deux brins de l'ADN de la bactérie E. coli se séparent au moment de la réplication. Quelques années plus tard, les mêmes observations sont réalisées dans des cellules eucaryotes. Chez les eucaryotes, la réplication débute en plusieurs points précis de la molécule d'ADN ce qui entraîne la formation de plusieurs yeux de réplication. Les yeux de réplication progressent dans les deux sens jusqu'à ce qu'ils se rejoignent. Les deux molécules filles ne restent alors solidaires que par le centromère (non visible sur ici) et on obtient un chromosome bichromatidien (à 2 chromatides). L'image ci-dessous témoigne d'une séparation des 2 brins ou chaînes de la double hélice lors de la réplication (en rouge : brin d'ADN parental, en bleu : brin d'ADN néosynthétisé). Source : D'après le site personnel de R. Rodriguez. DOCUMENT 3 Des modèles du déroulement de la réplication de l'ADN En 1958, Arthur Kornberg, médecin et biochimiste américain, met en évidence dans les cellules l'existence d'une protéine capable d'accélérer la synthèse de nouvelles molécules d'ADN à partir d'ADN pré-existant, de nucléotides libres et d'énergie. Ce complexe enzymatique nommé ADN polymérase est responsable de la réplication : il assure à la fois l'ouverture de la molécule d'ADN initiale et la polymérisation (formation de liaisons entre les nucléotides) pour former les deux nouveaux brins. Animation sur le déroulement de la réplication. Modèle moléculairede l’ADN polymérase en cours de réplication (à ouvrir et à traiter avec Libmol). Source : Manuel Bordas. DOCUMENT 4 Durée et vitesse de la réplication Les bactéries comme Escherichia coli possèdent en général un seul chromosome circulaire. La réplication de l’ADN débute en un seul site et progresse dans les deux directions. L’incorporation des nucléotides est très rapide : environ 1 000 paires de nucléotides par seconde à chaque extrémité de l’œil de réplication. Chez les eucaryotes, il existe entre 20 000 et 100 000 origines de réplication mais la réplication asynchrone : on estime à 2 000 le nombre d'yeux de réplication actifs simultanément. La vitesse de réplication est plus lente, environ 50 paires de nucléotides par seconde à chacune des fourches de réplication. Source : Manuel SVT Bordas (2019). DOCUMENT 5 Une première validation expérimentale du modèle : l'expérience de Taylor (1957) En 1957, l'équipe de Taylor met en culture de jeunes plantules en croissance de Bevellaria (une plante voisine du lis) dans un milieu nutritif contenant un précurseur "marqué" de l'ADN. Ce précurseur est le nucléotide T de l'ADN dans lequel certains atomes d'hydrogène ont été remplacés par l'isotope radioactif de cet élément, le tritium (3H). Lorsque les cellules répliquent leurs molécules d'ADN, elles incorporent ce précurseur et l'ADN formé devient lui-même radioactif. Cette molécule devient alors détectable par la technique d'autoradiographie : les cellules en culture sont écrasées et mises en contact avec un film photographique. Le rayonnement émis par les molécules radioactives impressionne le film, formant ainsi des points noirs qui révèlent la position des molécules d'ADN radioactives dans la cellule. Les plantules sont cultivées pendant la durée d'un cycle cellulaire sur ce milieu radioactif. L'équipe de Taylor prélève alors des racines, les lave et réalise une première autoradiographie. Elle constate que 100% des chromatides sont marquées (image 1). Les plantules sont ensuite transférées dans un second milieu, non radioactif. Une seconde autoradiographie est réalisée après un second cycle cellulaire. Elle révèle que 50% des chromatides sont marquées, et que 50% sont non marquées : chaque chromosome possède une chromatide marquée et l'autre non marquée (image 2). Une troisième autoradiographie est réalisée après un dernier cycle cellulaire, toujours en milieu non radioactif. Elle révèle que 25% des chromatides sont marquées et 75% non marquées : une seule des deux chromatides de certains chromosomes est marquée, d'autres chromosomes ne sont pas marqués du tout (image 3). (1) Après 1 cycle cellulaire(2) Après 2 cycles cellulaires(3) Après 3 cycles cellulaires Source : Site personnel de R. Rodriguez et manuel SVT Bordas (2019). Images d’après article original de J. H. Taylor, P.S. Woods et W.L. Hugues (PNAS, 1957). DOCUMENT 6 Une seconde validation expérimentale du modèle : l'expérience de Meselson et Stahl (1958) En 1958, deux chercheurs américains, M. Meselson et F. Stahl, ont réalisé des expériences sur la bactérie Escherichia coli (présente notamment dans l'intestin). Cette bactérie se multiplie activement quand elle est cultivée sur un milieu favorable et réplique alors intensément son ADN. Les bactéries sont cultivées dans différents milieux nutritifs : (1) certaines bactéries sont cultivées dans un milieu contenant des nucléotides "légers", car intégrant de l'azote "léger" (14N) ; (2) d'autres sont cultivées dans un milieu contenant des nucléotides "lourds", car intégrant de l'azote "lourd" (15N). (3) et (4) d'autres sont d'abord cultivées pendant de nombreuses générations dans un milieu contenant des nucléotides "lourds" (à 15N), puis sont prélevées et transférées sur un milieu à nucléotides "légers" (à 14N). Après chaque cycle cellulaire, l'ADN de quelques bactéries est extrait et centrifugé à grande vitesse dans un tube contenant une solution de densité appropriée. Après centrifugation, l'ADN se stabilise dans le tube à un niveau correspondant à sa densité. Application présentant les hypothèses, le protocole et les résultats obtenus par Meselson et Stahl Source : Site personnel de R. Rodriguez. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Effectuer et contrôler des calculs. - Traiter un modèle moléculaire pour montrer des interactions étroites entre molécules. - Recenser, extraire et organiser des informations à partir d'une expérience historique

Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques

Transmission, variation et expression du patrimoine génétique

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

ACTIVITÉS

La spécificité des enzymes

Les enzymes, marqueurs de la spécialisation des cellules

CONNAISSANCES

Les enzymes,des catalyseurs biologiques

Cinétique enzymatique et interaction enzyme-substrat

Interaction enzyme-substratet spécificité enzymatique

EXERCICES

PLAN DE TRAVAIL

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

PLAN DE TRAVAILCHAPITRE 2Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques INTRODUCTION Un patiente atteint d'intolérance au lactose. DE L'EXPRESSION DES GÈNES AU... DEROULEMENT DES REACTIONS DU METABOLISME De nombreuses protéines sont synthétisées dans les cellules lors de l'expression des gènes. Certaines d'entre elles permettent d'accélérer le déroulement des réactions chimiques du métabolisme, ce sont des enzymes (littéralement "dans le levain", car elles sont utilisées pour la levée de la pâte à pain).De nombreuses maladies dites métaboliques résultent ainsi de l'absence ou du dysfonctionnement d'enzymes intervenant dans les réactions biochimiques indispensables au fonctionnement normal de l'organisme. C'est le cas de l'intolérance au lactose. PROBLÉMATIQUE(S) Comment les enzymes, produits de l'expression génétique, permettent-elles le bon déroulement des réactions chimiques dans l'organisme ? ACTIVITÉS 1 - Les enzymes, marqueurs de la spécialisation des cellules2 - Les enzymes, des catalyseurs biologiques et spécifiques3 - Interaction enzyme-substrat4 - Interaction enzyme-substrat et spécificité enzymatique OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE / COMPÉTENCES TRAVAILLÉES Étudier des profils d'expression de cellules spécialisées montrant leur équipement enzymatique. Concevoir et réaliser des expériences utilisant des enzymes et permettant d'identifier leurs spécificités. Recenser, extraire et organiser des informations à partir de graphiques, notamment pour : - calculer la vitesse initiale d'une réaction enzymatique en utilisant des tangentes à t=0.- comparer les vitesses initiales des réactions en faisant varier la concentration en substrat ou en enzyme. Construire et exploiter un modèle algorithmique pour modéliser le déroulement d'une réaction enzymatique. Traiter un modèle moléculaire pour étudier les relations enzyme-substrat au du site actif.

CONNAISSANCESCHAPITRE 2Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques INTRODUCTION RAPPELS DE SECONDE - LE MÉTABOLISME DES CELLULES- Pour assurer les besoins fonctionnels d’une cellule, de nombreuses transformations (ou réactions) biochimiques s’y déroulent. L’ensemble de ces transformations constitue le métabolisme de la cellule.- Une voie métabolique est une succession de réactions biochimiques transformant une molécule en une autre.- Les différentes voies métaboliques sont interconnectées par des molécules intermédiaires, comme certaines molécules organiques (ex. glucose).- Le métabolisme d’une cellule dépend de son équipement spécialisé, c’est-à-dire des organites ou des macromolécules (comme les enzymes) qu’elle contient. Parmi les molécules issues de l'expression des gènes, certaines conditionnent le déroulement des réactions chimiques qui se produisent en permanence dans l'organisme. Par exemple, l'intolérance au lactose, héréditaire, s'explique par une incapacité à digérer le lactose dans l'intestin. PROBLÉMATIQUE(S) Comment les enzymes, produits de l'expression génétique, interviennent-elles dans le métabolisme ? I La catalyse enzymatique A Le rôle d'un catalyseur dans une réaction chimique (Notions de chimie) Le principe d’une réaction chimique est de transformer un ou plusieurs substrats (notés S, ou réactifs) en un ou plusieurs produits (notés P) : S -> P Si certaines réactions chimiques peuvent se dérouler spontanément, la plupart se déroulent trop lentement pour exister ou ne peuvent se dérouler seules. Certaines molécules, appelées catalyseurs chimiques, permettent d‘accélérer les réactions chimiques. Le fonctionnement de ces catalyseurs, comme l'acide chlorhydrique à haute température, ne sont pas compatibles avec le fonctionnement cellulaire. Le déroulement de l’ensemble des réactions biochimiques de la cellule se fait donc sous le contrôle de catalyseurs biologiques : les enzymes.Tous les catalyseurs, chimiques et biologiques, possèdent deux propriétés fondamentales : - ils accélèrent une réaction chimique (une réaction enzymatique dure en moyenne 10-3s, soit 1000 réactions chimiques par seconde). - ils se retrouvent intacts à la fin de la réaction et peuvent être immédiatement réutilisés. B Les caractéristiques spécifiques des enzymes ACTIVITÉ 1 : Expérimentation de la catalyse enzymatique Les enzymes sont des biomolécules (molécules synthétisées par les cellules) : la plupart sont des protéines. Elles présentent des restrictions dans leur fonctionnement : FONCTIONNEMENT OPTIMAL DANS LES CONDITIONS PHYSIOLOGIQUES L’enzyme perd son efficacité, est inactivée (T° trop basses) ou est détruite (T° trop élevées = dénaturation) lorsqu’elle est placée dans des conditions de température trop éloignées de sa température optimale de fonctionnement. La plupart des enzymes humaines fonctionnent de manière optimale à 37°C et à pH=7. SPÉCIFICITÉ DE SUBSTRAT L’enzyme ne peut agir que sur un seul substrat. Le nom de l’enzyme, indique souvent sur quel substrat elle agit : amylase sur amidon, tyrosinase sur tyrosine, ADN polymérase, etc. SPÉCIFICITÉ D'ACTION L’enzyme ne catalyse qu’un seul type de réaction chimique. Les enzymes sont donc classées en fonction de leur action catalytique : hydrolases, polymérases, synthétases, etc. Ces caractéristiques distinguent donc les enzymes des catalyseurs chimiques : - Catalyseur = substance chimique qui accélère une réaction chimique. Le catalyseur est intact à la fin de la réaction. - Enzyme = catalyseur biologique = protéine produite par un organisme vivant qui catalyse une réaction chimique spécifique (spécificité d'action et de substrat). L'enzyme agit à faible dose et uniquement dans des conditions optimales (T°C, pH). Elle accélère la réaction et se retrouve intact à la fin de celle-ci. Les protéines enzymatiques sont des catalyseurs de réactions chimiques spécifiques dans le métabolisme d'une cellule. II L'interaction enzyme-substrat et la réalisation de la catalyse enzymatique Comment expliquer ces propriétés qui distinguent les enzymes des autres catalyseurs ? ACTIVITÉ 2 : Modélisation de l'interaction enzyme-substrat A La cinétique enzymatique On peut évaluer expérimentalement l’efficacité de l’activité enzymatique en mesurant la vitesse initiale de la réaction catalysée.Cette vitesse correspond à la quantité de substrat transformé (ou de produit formé) par unité de temps. Celle-ci est maximale en début de réaction car elle dépend de la probabilité de rencontre entre l’enzyme et son substrat. Or c’est en début de réaction que la concentration en substrat est suffisante pour saturer toutes les enzymes disponibles.La quantité de substrat diminuant au cours du temps, la vitesse de la réaction diminue progressivement.La vitesse de la réaction est corrélée aux concentrations en enzymes et substrats mais aussi à l’efficacité de l’enzyme qui dépend des conditions (T°C, pH) dans laquelle elle agit. Cette cinétique enzymatique particulière montre que la catalyse enzymatique nécessite une interaction physique entre l’enzyme et son substrat. B Le complexe enzyme-substrat La fixation du substrat sur l'enzyme a pour conséquence l'action de l'enzyme et la réalisation de la réaction chimique. Il existe donc une étape transitoire dans la réaction où l’enzyme et le substrat sont attachés l’un à l’autre : c’est le complexe enzyme-substrat. A la fin de la réaction, le complexe enzyme-substrat se dissocie et libère les produits de la réaction et l'enzyme intacte. E + S -> [ ES ] -> E + P La fixation du substrat sur l’enzyme se fait à un endroit précis de l'enzyme : le site actif. C L'importance de la forme du site actif La forme d’une protéine dépend de la séquence de ses acides aminés, c’est la structure primaire de la protéine. Comme chaque acide aminé possède une forme particulière qui insert des coudes dans la chaine ou est capable de créer des liaisons (liaisons hydrogènes, pont disulfure, tec.) avec d’autres acides aminés plus ou moins éloignés dans la séquence, la chaine des acides aminés se replie sur elle-même, formant les structures secondaire et tertiaire de la protéine. La séquence d'acides aminés d'une protéine détermine donc sa structure tridimensionnelle (3D). Plusieurs protéines peuvent s’associer et deviennent alors les sous-unités d’une protéine de plus grande taille. Pour les enzymes, la structure tridimensionnelle (forme 3D) de la zone du site actif est particulièrement importante car c’est elle qui assure la reconnaissance et la liaison avec le substrat ainsi que l’activité catalytique de l’enzyme.Le site actif comprend : - un site de reconnaissance entre l'enzyme et le substrat, formé de quelques acides aminés dont l’association détermine la spécificité de substrat de l’enzyme ; - un site de catalyse, formé lui aussi par quelques acides aminés, qui opère la réaction chimique et est à l’origine de la spécificité d'action de l’enzyme.Au niveau de ce site actif, le substrat est mis en place suivant une configuration géométrique précise qui favorise la réaction chimique. La complémentarité de forme entre enzyme et substrat est donc essentielle. De légères variations dans la forme du site actif (qui s’expliquent par une séquence d’acides aminés différente, en lien avec un gène ou un allèle différent) expliquent comment plusieurs enzymes peuvent agir sur un même substrat tout en réalisant des réactions chimiques différentes ou comment plusieurs enzymes peuvent avoir la même activité catalytique sur des substrats différents. La structure tridimensionnelle du site actif de l'enzyme lui permet d'interagir étroitement avec ses substrats, ce qui permet la catalyse enzymatique. La structure tridimensionnelle du site actif de chaque enzyme explique ses spécificités en termes de substrat et de réaction catalytique. III L'équipement enzymatique d'une cellule dépend de sa spécialisation ACTIVITÉ 3 : Les enzymes, marqueurs de la spécialisation cellulaire RAPPELS DE SECONDE - LA SPÉCIALISATION DES CELLULES- Bien que toutes les cellules d’un organisme pluricellulaire portent la même information génétique, la plupart des cellules de cet organisme sont spécialisées (différenciées) : elles présentent une organisation et des fonctionnements différents. - Cette spécialisation s’explique par une expression différenciée des gènes de l’individu : tous les gènes ne sont pas exprimés par toutes les cellules. De plus, lorsque un gène est exprimé dans différentes cellules, ce n’est pas forcément au même moment de la vie cellulaire, ni avec la même intensité ou la même durée.- Les protéines produites ne sont donc pas toujours les mêmes dans tous les types cellulaires. Les enzymes sont des produits de l'expression génétique d'une cellule (ce sont des protéines, ou plus rarement des ARN). Certaines enzymes sont synthétisées dans l'ensemble des cellules de l'organisme, tandis que d'autres ne le sont que dans certaines cellules spécialisées. L'équipement (ou profil) enzymatique d'une cellule, c'est-à-dire la liste des enzymes produites et utilisées par la cellule, est donc un marqueur de sa spécialisation. Par exemple, l'ADN polymérase (enzyme de la réplication de l'ADN) est synthétisée dans l'ensemble des cellules de l'organisme, tandis que les enzymes impliquées dans la digestion des glucides (amylase, lactase) ne sont produites que par certaines cellules de l'appareil digestif. Les gènes qui codent ces enzymes ne s'expriment donc que dans certaines cellules spécialisées de l'appareil digestif. Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques Lexique- Catalyseur : Molécule accélérant le déroulement d'une réaction chimique. - Enzyme : Protéine accélérant le déroulement d'une réaction biochimique et jouant ainsi un rôle de catalyseur biologique. - Réaction biochimique : Transformation de molécules (les substrats) en d'autres molécules (les produits). - Substrat (réactif) : Molécule consommée/transformée au cours d'une réaction chimique. - Produit : Molécule produite/formée au cours d'une réaction chimique. - Double spécificité : Fait qu'une enzyme n'interagisse qu'avec un seul substrat (spécificité de substrat) et qu'elle ne catalyse qu'une seule réaction biochimique (spécificité d'action). - Site actif : Zone de l'enzyme au niveau de laquelle le substrat se fixe et subit une transformation chimique. - Complexe enzyme-substrat : Complexe transitoire formé par la liaison entre l'enzyme et son substrat au niveau du site actif. - Vitesse initiale d'une réaction : Quantité de produits formés par unité de temps, déterminée au début d'une réaction.

EXERCICESCHAPITRE 2Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques Maîtrise des connaissances EXERCICE 1 Comparaison des divisions cellulaires chez les eucaryotes (Question de synthèse) La lactase est une protéine enzymatique intervenant dans la digestion du lactose. Certains individus ne peuvent pas digérer le lactose, et ce dès la naissance, en raison d'une mutation affectant le gène de la lactase. Expliquer comment une mutation impactant le gène de la lactase pourrait empêcher la digestion du lait chez certains individus. Vous rédigerez un exposé structuré. Vous pouvez vous appuyer sur des représentations graphiques judicieusement choisies. On attend des arguments pour illustrer l'exposé comme des expériences, des observations, des exemples... EXERCICE 2 Influence du pH sur l'activité d'une enzyme (Exploitation de document) La glucose oxydase (GOD) est une enzyme catalysant l'oxydation du B-D-glucose selon la réaction suivante (voir activité 3) : A partir d'une exploitation rigoureuse du document fourni, montrer que l'activité de l'enzyme GOD est maximale pour un pH de 7. Pour cela : - Calculer la vitesse initiale de réaction pour les différentes valeurs de pH testées ; - Tracer la courbe Vi = f(pH) en utilisant les résultats obtenus ; - Exploiter la courbe obtenue pour argumenter.

Travaux pratiques

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1Les enzymes, marqueurs de la spécialisation des cellules La glycémie est la concentration en glucose dans le sang. Elle constitue un paramètre majeur et sa valeur est régulée chez l'individu sain. Cette régulation implique des cellules qui doivent pouvoir stocker le glucose alimentaire (en cas d'hyperglycémie) ou le libérer (en cas d'hypoglycémie). Le stockage et la libération de glucose font intervenir des cellules spécialisées, et des enzymes différentes. L'objectif On cherche à montrer puis à expliquer comment :- les cellules du foie et des muscles sont toutes capables de stocker le glucose sous forme de glycogène, - seules les cellules du foie sont capables de libérer du glucose dans le sang lors d'une hypoglycémie. Vous présenterez votre réponse sous la forme d'un texte argumenté par les informations issues des documents. Les ressources à exploiter Document 1 : Observation d'hépatocytes (cellules de foie, en haut) et de cellules musculaires (en bas) colorées au microscope optique. Le glycogène est une molécule de réserve qui permet le stockage du glucose pour les cellules qui le fabriquent. La coloration employée dans les préparations révèle la présence de glycogène sous la forme de grains roses dans le cytoplasme des cellules hépatiques (en haut) et des cellules musculaires (en bas). Le noyau au sein de ces cellules apparaît quant à lui respectivement en violet et en vert. Source : Manuel SVT Nathan 2019. Document 2 : Quelques voies métaboliques impliquant le glucose. Lors d'une hyperglycémie (excès de glucose dans le sang), le glucose entre dans les cellules de foie et de muscle à l'aide de transporteurs particuliers (nommés GLUT). Une fois dans les cellules, une enzyme appelée glucokinase (ou hexokinase dans le foie) le transforme en glucose-6-phosphate, ce qui l'empêche de ressortir des cellules. Le glucose-6-phosphate constitue le point de départ de nombreuses voies métaboliques, comme la glycogénogenèse qui permet la synthèse du glycogène. Lors d'une hypoglycémie (manque de glucose dans le sang), une autre voie métabolique appelée glycogénolyse permet à la cellule de disposer à nouveau de glucose-6-phosphate à partir de ses réserves en glycogène. Pour pouvoir sortir de la cellule, le glucose-6-phosphate doit être transformé en glucose. Toutes ces réactions nécessitent des enzymes spécifiques dont le nom est indiqué en italique sur le schéma ci-dessous : Document 3 : Expérience du "foie lavé" et du "muscle lavé". Cette expérience historique a permis de tester la capacité du foie et du muscle à libérer du glucose. Voici son protocole : - Des morceaux de foie et de muscle frais ont été soigneusement lavé sous l'eau du robinet afin d'enlever toute trace de sang (et donc de glucose en dehors des cellules). - Les morceaux sont ensuite placés dans un bécher avec de l'eau distillée, puis on teste immédiatement la présence de glucose à l'aide d'une bandelette de détection du glucose. - Après 10 minutes d'incubation, on réalise un second test de détection du glucose. Les résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous. Un + indique la présence de glucose dans le bécher, un - indique l'absence de glucose dans le bécher. Echantillon testéFoieMusclet = 0--t = 10 min+- Document 4 : Électrophorèse des protéines d'un hépatocyte et d'une cellule musculaire. Au laboratoire, il est possible d'extraire les protéines contenues dans une cellule de foie et dans une cellule musculaire. On peut ensuite séparer et identifier ces protéines grâce à une électrophorèse. Les résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous. Un + indique que la protéine a été détectée, un - que la protéine n'a pas été détectée. Enzymes / CelluleCellule de foie (ou hépatocyte)Cellule musculaireGlucokinase (ou hexokinase) (GCK ou HK1)++Glycogène synthase (GYS1)++Glycogène phosphorylase (PYGL)++Glucose-6-phosphatase (SLC37A4)+- Le site The Human Protein Atlas (proteinatlas.org) permet de connaître le profil d'expression de chaque enzyme, c'est-à-dire l'intensité de l'expression du gène qui gouverne sa synthèse dans les diverses cellules, tissus et organes du corps humain. Cherchez par exemple "SLC37A4" (gène de la glycogène phosphatase), puis cliquez sur "CELL TYPE". Dans l'histogramme "Single cell types", comparer le niveau d'expression du gène dans les cellules du foie (Hepatocytes) et les cellules musculaires cardiaques (Cardiomyocytes). Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et exploiter des informations utiles, notamment à partir de profils d'expression de cellules spécialisées montrant leur équipement enzymatique. - Raisonner, argumenter, conclure en exerçant des démarches scientifiques et un sens critique.

2Les enzymes, des catalyseurs biologiques et spécifiques À chaque instant, des milliers de transformations chimiques distinctes se produisent dans l'organisme, comme la digestion chimique de l'amidon. L'objectif On cherche à comprendre l'influence de différents composants sur le déroulement d'une transformation biochimique, la digestion de l'amidon. On veut tester l'influence de la salive, de l'amylase (une protéine fabriquée par certains êtres vivants) et de l'acide chlorhydrique (HCl). Les ressources Document 1 : L'exemple de la digestion chimique de l'amidon. L'amidon est sucre complexe (polyose) constitué par l’association d'un grand nombre de petites molécules de glucose. Ce polymère de glucose est utilisé comme molécule de réserve par les plantes : elle est présente dans les tubercules de pomme de terre, les grains de blé, de riz, ... Chez l’humain, l'amidon ingéré n’est pas directement assimilable car il ne franchit pas la muqueuse intestinale. Il doit préalablement être transformé en molécules de glucose. Cette digestion se déroule lors d'une réaction chimique d’hydrolyse, dont l’équation peut s’écrire ainsi : Lors d'une telle réaction chimique, les molécules appelées réactifs (ici l'amidon et l'eau) sont transformées en molécules différentes, nommées produits (ici des molécules de plus en plus courtes, comme le glucose ou le maltose). Document 2 : Fiche technique d'utilisation de réactifs spécifiques de différents glucides (sur la paillasse). Les étapes de résolution 1 Compléter le tableau distribué en précisant les résultats attendus et les conséquences testables de chaque expérience (3 premières lignes). 2 Mettre en oeuvre le protocole fourni. 3 Communiquer les résultats obtenus pour chaque expérience en complétant les deux dernières lignes du tableau. 4 Exploiter les résultats obtenus pour discuter l'influence de la salive, de l'amylase et de l'acide chlorhydrique sur la digestion de l'amidon aux différentes températures. 5 Formuler une hypothèse sur la composition de la salive. The Human Protein Atlas est une base de données tissulaires contenant des informations sur les profils d'expression des gènes humains, c'est-à-dire les ARNm et/ou les protéines synthétisées par les différents tissus du corps humain. 6 Confronter votre hypothèse aux données de la banque Human Protein Atlas, en recherchant s'il existe des gènes codant l'amylase dans le corps humain, et les éventuelles zones d'expression de ces gènes dans le corps humain. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Concevoir et mettre en œuvre une stratégie de résolution.- Présenter et exploiter des résultats.

3Cinétique enzymatique et interaction enzyme-substrat Une protéine enzymatique agit comme un catalyseur biologique : elle accélère le déroulement des réactions biochimiques. Il est possible de caractériser cette "accélération" en étudiant la vitesse des réactions enzymatiques (cinétique) lors d'expériences conduites au laboratoire. En faisant varier certains paramètres (comme la concentration en substrat, ou en enzyme), il est possible de préciser les modalités d'interaction entre l'enzyme et son substrat. L'objectif On cherche à déterminer l'influence de différents paramètres sur la vitesse de la réaction enzymatique, afin de préciser comment les enzymes interagissent avec leur substrat. Pour cela, nous allons prendre l'exemple de la glucose oxydase (GOD), une enzyme catalysant l'oxydation du B-D-glucose selon la réaction suivante : Les étapes de résolution 1 A l'aide du document 1, montrer que l'enzyme GOD est spécifique de son substrat. 2 La vitesse d'une réaction enzymatique est suivie par mesure de la quantité de substrat formé par unité de temps. Analyser l'une des courbes obtenues dans le doc. 2 et déterminer à quel moment : - La vitesse de la réaction enzymatique est la plus faible ; - La vitesse de la réaction enzymatique est maximale ; - La vitesse de la réaction enzymatique est globalement constante. 3 La vitesse initiale de la réaction correspond à la pente la plus forte de la partie initiale de la courbe, linéaire. - Pourquoi choisit-on de prendre cette vitesse initiale comme base de comparaison dans l'étude de l'influence des différents facteurs sur la vitesse d'une réaction enzymatique ? - Calculer les vitesses initiales de toutes les courbes obtenues dans les doc. 2 et 3. Comparer avec les valeurs présentées. - Tracer la courbe représentant la vitesse initiale en fonction de la concentration en substrat : Vi = f([S]), ainsi que la courbe représentant la vitesse initiale en fonction de la concentration en enzyme : Vi = f([E]). - Décrire l'évolution de la vitesse initiale en fonction de la concentration en substrat, puis de la concentration en enzyme. 4 On peut formuler l'hypothèse suivante : Au-delà d'une certaine concentration en substrat, toutes les molécules d'enzymes sont occupées (saturation) et la vitesse ne peut plus augmenter. Il y aurait donc une liaison temporaire entre l'enzyme et son substrat. Reporter sous la courbe tracée les différentes possibilités (enzymes saturées, nombreuses molécules libres, ...) en utilisant les figurés proposés. 5 On sait qu'une température trop élevée modifie la structure tridimensionnelle d'une protéine (dénaturation), tandis qu'une température trop basse ralentit les molécules. Décrire et expliquer l'allure de la courbe présentée dans le doc. 4. Les ressources à exploiter Document 1 : Une expérimentation assistée par ordinateur (ExAO) sur l'activité de la GOD. Différents substrats (lactose, fructose, maltose, galactose et glucose) sont introduits dans un bioréacteur, en présence de dioxygène. Une solution de glucose-oxydase est ensuite ajoutée, puis l'évolution de la concentration en O2 (en µmol/L) dans le bioréacteur est mesurée à l'aide d'une sonde oxymétrique. Le graphique ci-dessous présente les résultats obtenus. Document 2 : Influence de la concentration en glucose sur la vitesse initiale de la réaction. On réalise plusieurs fois la même expérience que dans le doc. 1, mais en faisant varier la concentration en glucose [S] (en mmol/L) d’un enregistrement à l'autre. On mesure l'évolution de la concentration en O2 (en µmol/L) dans le bioréacteur. CORRECTION En déterminant le coefficient directeur (pente) de la tangente aux différentes courbes, on peut calculer la vitesse initiale de la réaction pour chaque concentration en glucose. On représente ensuite la variation de la vitesse initiale de réaction Vi (en µmol/min) en fonction de la concentration en glucose [S] (en mmol/L) : Document 3 : Influence de la concentration en glucose oxydase (GOD) sur la vitesse initiale de la réaction. On réalise plusieurs fois la même expérience que dans le doc. 1, mais en faisant varier la concentration en GOD [E] (en u.a.) d’un enregistrement à l’autre. On mesure l'évolution de la concentration en O2 (en u.a.) dans le bioréacteur. CORRECTION En déterminant le coefficient directeur (pente) de la tangente aux différentes courbes, on peut calculer la vitesse initiale de la réaction pour chaque concentration en GOD. On représente ensutie la variation de la vitesse initiale de réaction Vi (en µmol/min) en fonction de la concentration en GOD [E] (en u.a.) : Document 4 : Influence de la température sur la vitesse initiale de la réaction. On réalise plusieurs fois la même expérience que dans le doc. 1, mais en faisant varier la température d’un enregistrement à l’autre. En déterminant le coefficient directeur (pente) de la tangente aux différentes courbes, on calcule ensuite la vitesse initiale de la réaction pour chaque température. On peut ensuite représenter la variation de la vitesse initiale de réaction Vi (en µmol/min) en fonction de la température (en °C). Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et organiser des informations à partir de graphiques, notamment pour :- Calculer la vitesse initiale d'une réaction enzymatique en utilisant des tangentes à t=0.- Comparer les vitesses initiales des réactions en faisant varier la concentration en substrat ou en enzyme. Source :La glucose-oxydase : résultats ExAO - SVT Lyon (consulté le 30/10/2020)http://svt.enseigne.ac-lyon.fr/spip/spip.php?article120

4Interaction enzyme-substrat et spécificité enzymatique Une protéine enzymatique agit comme un catalyseur biologique : elle accélère le déroulement des réactions biochimiques. Chaque enzyme présente une double spécificité : elle ne catalyse qu'un seul type de réaction et ne prend en charge qu'un seul type de substrat. Cette double spécificité s'explique par l'interaction entre l'enzyme et son substrat, phénomène trop petit pour être accessible à l'observation et qu'il va falloir modéliser pour comprendre. L'objectif On cherche à expliquer la spécificité des enzymes en modélisant leurs interactions avec les substrats. Nous allons prendre l'exemple de la lactase, une enzyme catalysant l'hydrolyse du lactose en deux glucides simples, le glucose et le galactose. Comme les autres réactions enzymatiques, l'hydrolyse du lactose se déroule en 2 étapes : (1) Le substrat (ici le lactose) se lie à l’enzyme (la lactase). La liaison entre l’enzyme et son substrat s’établit au niveau d’une zone particulière de l’enzyme, appelée site actif. Seuls certains acides aminés du site actif de l’enzyme assurent une liaison spécifique avec le substrat. (2) L’enzyme, via son site actif, accélère le déroulement de la réaction (le substrat est transformé en produits), puis est relâchée. L’enzyme est retrouvée intacte à la fin de la réaction. PARTIE 1 Une modélisation de la catalyse enzymatique Dans cette première partie, nous allons construire un modèle numérique du déroulement de la catalyse enzymatique, puis comparer les résultats obtenus avec les résultats expérimentaux vus en TD. Les étapes de résolution 1 A l'aide du logiciel adéquat, construire un modèle numérique permettant d'expliquer les évolutions de la concentration en lactose et en glucose mesurées sur le document 2. Pour cela : - Définir et paramétrer les agents (ici les molécules) nécessaires (utiliser les figurés disponibles ici) ; - Définir les règles (comportements) régissant les différents agents ; - Lancer l'animation pour tester le modèle et observer le graphique ; - Appeler l'enseignant pour valider votre modèle. Vos résultats sont-ils cohérents avec le modèle proposé dans le doc. 1? 2 Mesurer et relever la vitesse initiale de réaction grâce à l'outil "Pente". Faire varier la concentration en substrat et relever pour chaque modélisation la vitesse initiale de réaction. 3 A l'aide du logiciel adéquat, construire un graphique représentant l'évolution de la vitesse initiale de réaction en fonction de la concentration en substrat. 4 Dans un compte-rendu numérique, insérer le graphique obtenu. Décrire et comparer les résultats avec le doc. 3. Les ressources à exploiter Document 1 : Expérience de digestion enzymatique du lactose au laboratoire. On réalise une digestion in vitro du lactose pendant laquelle on mesure l’évolution des concentrations en lactose et en glucose, obtenues en présence de lactase. On obtient le graphique présenté ci-dessous. Rappel : Dans sa partie initiale, la courbe peut être assimilée à une droite, dont le coefficient directeur donne la vitesse initiale vi de la réaction catalysée. Document 2 : Relation entre la concentration en substrat et la vitesse initiale de la réaction. On réalise plusieurs fois la même expérience que dans le doc. 1, mais en faisant varier la concentration en substrat (lactose) d’un tube à l’autre. Grâce à la méthode présentée dans le doc. 1, on calcule ensuite la vitesse initiale de la réaction pour chaque concentration en substrat, puis on trace le graphique ci-contre. PARTIE 2 Une modélisation de l'interaction enzyme-substrat Dans cette seconde partie, nous allons traiter et exploiter un modèle moléculaire du complexe enzyme-substrat (ici complexe lactase-lactose) pour visualiser les interactions entre l'enzyme et son substrat. ATTENTION MODÈLE ! Afin d’explorer ces interactions, nous allons utiliser un logiciel qui permet de visualiser un modèle de cette molécule. Par définition, ce modèle n’a jamais pu être directement observé, mais il a été reconstitué grâce à plusieurs résultats expérimentaux. Les étapes de résolution A l’aide du logiciel adéquat, traiter le modèle moléculaire du complexe lactose-lactase pour expliquer comment s’établit la liaison entre l’enzyme (la lactase) avec son substrat (le lactose). Vous appuierez votre réponse sur une capture d’écran du logiciel correctement annotée. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Construire et exploiter un modèle algorithmique pour modéliser le déroulement d'une réaction enzymatique. - Présenter et exploiter des résultats sous forme de graphique. - Traiter un modèle moléculaire pour étudier les relations enzyme-substrat au du site actif.

L'expression de l'information génétique

Transmission, variation et expression du patrimoine génétique

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

ACTIVITÉS

L'ARNm, un intermédiaireentre gènes et protéines

La transcription, synthèse d'ARNm d'après l'ADN

La traduction, synthèsede protéines d'après l'ARNm

Une étape intermédiaire,la maturation des ARNm

A l'origine d'une séquenced'acides aminés

CONNAISSANCES

EXERCICES

PLAN DE TRAVAIL

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

1A l'origine d'une séquence d'acides aminés L'hémoglobine est une protéine présente dans les globules rouges, c'est elle qui donne sa couleur rouge au sang. Elle permet le transport du dioxygène vers toutes les cellules du corps. L'objectif On cherche à comprendre ce qui contrôle la séquence d'acides aminés de cette protéine. Votre réponse devra comprendre :

Un tableau comparant le phénotype d'un individu sain et d'un individu atteint de drépanocytose à différentes échelles (macroscopique, cellulaire, moléculaire) (doc. 1 à 5).

Une comparaison du modèle moléculaire de la bêta-globine HbA et de la bêta-globine HbS, faisant ressortir leur(s) différence(s) (doc. 6).

Un texte proposant une explication aux différents symptômes des patients atteints de drépanocytose, en exploitant l'ensemble des documents fournis et les résultats de l'électrophorèse réalisée.

Les ressources à exploiter Document 1 : Les symptômes d'une maladie, la drépanocytose En France, la drépanocytose concerne un nouveau-né sur 3 000. Cette maladie est particulièrement fréquente dans les populations d'origine antillaise, africaine, indienne et méditerranéenne. La maladie se traduit par une anémie et une fatigue permanente, et par la survenue de crises drépanocytaires plus ou moins graves. Ces crises sont dues à des ischémies locales pouvant être très graves ; les crises vaso-occlusives (obstruction des capillaires sanguins) peuvent être particulièrement douloureuses dans les muscles et les risques de complications organiques graves (notamment au niveau du squelette, de la rate, du tube digestif, du cerveau). Plusieurs facteurs favorisent la crise drépanocytaire : - la déshydratation, fréquente chez le drépanocytaire car il est atteint de polyurie (urines trop abondantes) ; - le ralentissement de la circulation sanguine, qui favorise une stase. Il faut donc éviter le port de vêtements trop serrés, une mauvaise position, le froid, la fièvre (formation de protéines inflammatoires), les infections (les globules blancs en excès limitent la circulation des hématies) ; - toute consommation d’oxygène supplémentaire : les efforts avec essoufflement, les efforts musculaires concentrés sur un muscle ; - les environnementaux pauvres en oxygène : la vie en altitude (éviter les altitudes supérieures à 2 000 m, et même parfois 1 500 m), les voyages en avion, les écarts de température entre l’air et l’eau (piscine, mer), l’alcool, le tabac. Document 2 : Vaisseaux sanguins et hématies d'une personne atteinte de la drépanocytose et d'une personne témoin (schémas et vues au MEB) Les hématies (ou globules rouges) des patients atteints de drépanocytose ont une forme inhabituelle, en faucille. On parle d'hématies falciformes. Elles sont plus rigides et fragiles que les hématies d'une personne saine. Ces caractéristiques sont à l'origine de leur destruction anormalement rapide mais également du blocage de la circulation dans les capillaires. Document 3 : Cytoplasme d'une hématie de personne atteinte de drépanocytose (vue au MET) Chaque hématie contient environ 300 millions de molécules d'hémoglobines solubles dans le cytoplasme appelées HbA. Chez les personnes drépanocytaires, les hématies contiennent des molécules d'hémoglobine appelées HbS qui forment des fibres rigides dans le cytoplasme lorsque l'environnement est pauvre en d'oxygène, comme dans les capillaires à la sortie des organes par exemple. Document 4 : Séquences d'acides aminés de la bêta-globine L'hémoglobine est formée par l'association de 4 protéines : 2 alpha-globines et 2 bêta-globines. Les deux types de protéines doivent être présentes dans l'hémoglobine et doivent fonctionner normalement pour permettre à l'hémoglobine de réaliser sa fonction.

La séquence d'acides aminés de l'alpha-globine a été déterminée chez un patient sain et chez un patient drépanocytaire. Leur comparaison n'a révélé aucune différence entre les deux séquences.

La séquence d'acides aminés de la bêta-globine a été déterminée chez un patient sain (HBB A), et chez un patient drépanocytaire (HBB S). Elles sont accessibles en cliquant sur le lien ci-dessous.

Par convention, chaque acide aminé est désigné par une abréviation en 3 lettres (ex. Met, Asn, ...). Sur Geniegen2, il est possible d'afficher à quel acide aminé correspond chaque abréviation en cliquant sur Affichage > Abréviations des acides aminés. Cliquez ici pour accéder aux séquences d'acides aminés de la bêta-globine chez un patient sain (Hb bêta) et chez un patient drépanocytaire (Hb bêta S) Document 5 : La formation des fibres par les molécules d'HbS Contrairement à l'acide glutamique, la valine est un acide aminé hydrophobe. Les globines étant entourées d'un film d'eau, la valine vient se fixer dans une poche hydrophobe d'une bêta-globine d'une autre HbS. Les HbS s'associent, formant ainsi des fibres rigides. Document 6 : Modèles moléculaires de la bêta-globine Des modèles moléculaires de la bêta-globine d'un patient sain et d'un patient drépanocytaire ont pu être établi. Cliquez ici pour accéder au modèle moléculaire de la bêta-globine HbA Cliquez ici pour accéder au modèle moléculaire de la bêta-globine HbS Document 7 : Séquences nucléotidiques du gène impliqué dans la drépanocytose En parallèle, des études génétiques ont permis de montrer que la drépanocytose est une maladie héréditaire liée au seul gène HBB, porté sur le chromosome 11. La séquence nucléotidique du gène HBB a été déterminée chez un patient sain (HBB A), et chez un patient drépanocytaire (HBB S). Cliquez ici pour accéder aux séquences de nucléotides de la bêta-globine chez un patient sain (HBB A) et chez un patient drépanocytaire (HBB S) Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et exploiter des informations utiles pour caractériser un phénotype et un génotype. - Communiquer ses résultats sous forme d'un tableau. - Traiter des modèles moléculaires avec Libmol. - Comparer des séquences génétiques et protéiques avec le logiciel Geniegen 2.

PLAN DE TRAVAILCHAPITRE 1L'expression de l'information génétique S'INTERROGER Quelques chatons issus d’une même portée (même père, même mère). DE L'EXPRESSION DES GÈNES À... LA CONSERVATION ET LE PARTAGE DE CARACTÈRES (CHAPITRE 1) Le partage de caractères (des poils, des vibrisses, ...) au sein de l'espèce "chat" repose sur la transmission d'un caryotype commun d'une génération à l'autre. En effet, au sein du caryotype, chaque chromosome porte plusieurs centaines de gènes, c'est-à-dire de séquences d'ADN déterminant un ou plusieurs caractères héréditaires. La présence, chez un individu, de caractères partagés avec tous les représentants d'une espèce dépend ainsi de l'expression des gènes qu'il a reçu des générations qui l'ont précédé. Comment les gènes déterminent-ils les caractères portés par les êtres vivants d'une même espèce ? DE L'EXPRESSION DES GÈNES À... L'APPARITION DE NOUVEAUX CARACTÈRES (CHAPITRE 2) Différents mécanismes aléatoires conduisent à l'apparition de mutations dans l'ADN : erreurs de réplication, lésions dues aux agents mutagènes, etc. Ces mutations sont responsables d'une variabilité génétique entre les cellules et les individus. Elles conduisent à l'émergence de nombreux variants d'une même séquence d'ADN, appelés allèles. Certaines mutations, impactant des gènes, peuvent conduire à des phénotypes très variés (ex. diversité du pelage chez nos p'tits chatons), et ce à différentes échelles (organisme, organes, cellules, molécules, ...). D'autres mutations sont neutres et n'ont aucune conséquence sur les caractères. Comment les mutations - et les allèles qui en résultent - conduisent-elles à une diversité de phénotypes au sein d'une espèce ? DE L'EXPRESSION DES GÈNES À... LA SPÉCIALISATION DES CELLULES (SECONDE) Les différentes cellules constituant un organisme pluricellulaire (comme vous, votre chat, ou une plante, ...) sont spécialisées et présentent des caractères différents. C'est ainsi qu'un neurone, cellule du système nerveux, n'a ni la même fonction ni la même organisation qu'une cellule cardiaque ou rénale. Pourtant, toutes les cellules de l'organisme portent toutes la même information génétique (aux mutations près), héritée des nombreuses divisions de la cellule-œuf. Des différences dans l'expression des gènes, issue d'une régulation de leur activité d'une cellule à l'autre, expliquent ces différences de caractères. Comment la régulation de l'expression des gènes permet-elle de spécialiser les cellules d'un même organisme ? PROBLÉMATIQUE(S) Comment l'expression d'un gène aboutit-elle à un caractère ?Comment cette expression est-elle régulée ?Comment les produits de l'expression génétique sont-il à l'origine du phénotype d'un individu ? ACTIVITÉS 1 - Du génotype aux phénotypes2 - L'ARN messager, un intermédiaire entre gènes et protéines3 - La transcription, synthèse d'ARNm d'après l'ADN4 - La traduction, synthèse de protéines d'après l'ARNm5 - La régulation de l'expression génétique OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE / COMPÉTENCES TRAVAILLÉES Recenser et exploiter des informations permettant de caractériser les différentes échelles d'un phénotype. Recenser et exploiter des informations à partir d'expériences historiques (autoradiographies, ...). Traiter des modèles moléculaires pour comparer la structure et la composition des acides nucléiques. Traiter des séquences d'ADN et d'ARNm pour les comparer ou pour les convertir. Traiter un modèle moléculaire pour montrer une interaction étroite entre des molécules. Organiser, effectuer et contrôler des calculs de combinaisons possibles au sein des séquences génétiques. Réaliser des schémas présentant les mécanismes de l'expression des gènes.

CONNAISSANCESCHAPITRE 1L'expression de l'information génétique INTRODUCTION Le génotype correspond à l’ensemble des allèles portés par un individu.Le phénotype correspond à l’ensemble des caractères présentés par un individu.Le phénotype d’un individu est déterminé par l’ensemble des produits de l’expression du génotype (ARN, protéines et leurs actions). Cette expression est régulée par de nombreux facteurs internes ou externes qui affectent chaque individu.La relation génotype – phénotype est donc complexe. PROBLÉMATIQUE(S) Comment l'expression d'un gène aboutit-elle à un caractère ? Comment cette expression est-elle régulée ?Comment les produits de l'expression génétique sont-il à l'origine du phénotype ? I Phénotype, génotype et fonctions des protéines ACTIVITÉ 1 : A l'origine d'une séquence d'acides aminés La drépanocytose est une maladie caractérisée par une anémie, de la fatigue et des crises causées par l'obstruction de capillaires sanguins. Ces symptômes résultent de la forme anormale des hématies, dites falciformes, qui sont déformées par la présence de fibres rigides dans leur cytoplasme. Ces fibres rendent les hématies plus fragiles (d'où leur destruction rapide et l'anémie) et plus rigides (d'où leur déformation et l'obstruction des capillaires). Ces fibres anormales sont constituées d'hémoglobine, une protéine formée de 4 petites protéines, dont deux bêta-globines. La séquence d'acides aminés de la bêta-globine d'un patient drépanocytaire diffère de celle d'un individu sain par un seul acide aminé : l'acide glutamique est remplacé par un acide aminé hydrophobe, la valine. En présence d'eau, cet acide aminé conduit à l'association de plusieurs hémoglobines formant des fibres. Le phénotype drépanocytaire s'explique donc par une anomalie dans la séquence d'acides aminés d'une protéine, la bêta-globine. Cette modification a des conséquences à l'échelle moléculaire (formation de fibres), cellulaire (déformation des hématies) et macroscopique (symptômes à l'échelle de l'organisme). En parallèle, des généticiens ont montré que la drépanocytose est une maladie héréditaire et déterminée par un seul gène. La séquence nucléotidique de ce gène chez un patient drépanocytaire (son génotype) diffère de celle d'un individu sain par un seul nucléotide. La séquence d'acides aminés de cette protéine (phénotype moléculaire) semble donc déterminée par la séquence de nucléotides du gène associé (génotype). On dit que ce gène code la protéine. Il convient donc de déterminer quels sont les mécanismes de l’expression du génotype d’un individu à l’origine de la formation des protéines. II Des gènes aux protéines : les mécanismes de l'expression génétique A Un messager intermédiaire : l'ARN messager (ARNm) ACTIVITÉ 2 : L'ARNm, un intermédiaire entre gènes et protéines LA NÉCESSITÉ D'UN INTERMÉDIAIRE ENTRE GÈNES ET PROTÉINES... La synthèse des protéines se fait exclusivement dans le cytoplasme pourtant l'ADN qui porte l'information nécessaire à cette synthèse est séquestré dans le noyau. Par ailleurs, la molécule d'ADN est trop grosse pour passer à travers les pores nucléaires. Il doit donc exister un intermédiaire qui transporte l'information génétique du noyau vers le cytoplasme. ...L'ARN MESSAGER (ARNm) Ce messager est l'ARN messager (ARNm). Il s'agit d'un acide nucléique comme l'ADN, mais simple brin. Chaque ARNm est formé d'une succession de nucléotides, eux-mêmes constitués : - D'une base azotée parmi 4 possibles : l'adénine (A), la guanine (G), la cytosine (C) et l'uracile (U) (qui remplace la T de l'ADN) ; - D'un sucre, le ribose (alors qu'il s'agit du désoxyribose pour l'ADN) ; - D'un groupement phosphate. Tableau comparant les caractéristiques de l'ADN et de l'ARN. Acide nucléiqueADN (Acide DésoxyriboNucléique)ARN (Acide RiboNucléique)Localisation cellulaireNoyauNoyau puis cytoplasmeNombre de chaînes (brins)2 (Double hélice)1Résidus (monomères)(Désoxyribo)nucléotides(Ribo)nucléotidesBases azotées portées par les nucléotidesA, T, G, CA, U, G, CGlucide porté par les nucléotidesDésoxyriboseRiboseSynthèse (fabrication)A partir d'ADN (Réplication, en phase S)A partir d'ADN (Transcription, tout le temps)Modèle (matrice) pour la synthèse de...ADN et ARNProtéines La séquence de l'ADN, succession de 4 désoxyribonucléotides le long des brins de la molécule, est une information. Cette information est transmise de générations en générations. A chaque génération, cette information est exprimée par l'intermédiaire d'un autre acide nucléique, l'ARN. B La transcription : synthèse d'ARNm à partir d'un gène ACTIVITÉ 3 : La transcription, synthèse d'ARNm d'après l'ADN La transcription est la synthèse d'une molécule d'ARNm à partir d'un gène. Elle se déroule dans le noyau. Une enzyme, l'ARN polymérase, écarte la double hélice d'ADN et associe en face de chaque désoxyribonucléotide du brin transcrit (ou brin matrice) un ribonucléotide libre complémentaire. La séquence nucléotidique de l'ARNm obtenu est donc une copie du brin codant de l'ADN (sauf T remplacé par U). La détermination des brins codant/non transcrit et non codant/transcrit se fait grâce à la reconnaissance par l'ARN polymérase d’une séquence appelée promoteur, portée par le brin transcrit. Cette séquence permet de lancer la transcription. Plusieurs ARN polymérase se succèdent le long d’un même gène. Schéma expliquant comment la transcription permet de produire une copie du brin codant de l'ADN sous forme d'ARNm Les molécules d'ARN sont synthétisées par complémentarité des nucléotides à partir de l'ADN lors d'un processus dénommé transcription. Chez les eucaryotes, la transcription a lieu dans le noyau. Certains ARN formés sont ensuite exportés dans le cytoplasme. C La traduction : synthèse de protéines à partir d'ARNm ACTIVITÉ 4 : La traduction, synthèse de protéines d'après l'ARNm Certains ARN formés dans le noyau, les ARN messagers (ARNm), sont transportés vers le cytoplasme. Ils sont pris en charge par des molécules particulières appelées ribosomes. Ils sont constitués d’un ensemble de protéines et d’ARN ribosomiques regroupés en deux sous-unités, la grosse et la petite. LE CODE GÉNÉTIQUE, SYSTÈME DE CORRESPONDANCE ENTRE ARN ET PROTÉINES Le ribosome convertit la séquence de nucléotides de l’ARNm en une séquence d’acides aminés (AA) en suivant un système de codage/conversion précis, le code génétique. Dans ce code : Chaque groupe de 3 nucléotides (triplet de nucléotides ou codon) code 1 AA. Le code génétique précise quel AA est codé par chacun des 64 triplets de nucléotides :- Seuls 61 codons codent pour un AA ;- Les 3 codons restant ne codent pour aucun AA. Ce sont les codons STOP (UAA, UAG, UGA). Le code génétique est : - univoque (sans ambiguïté) : un codon code toujours le même AA... - universel : ... chez toutes les espèces (à quelques exceptions près)... - redondant (ou dégénéré) : ...mais plusieurs codons codent le même AA. Retour sur les mutations et leurs effets sur le phénotypeLes mutations affectant la séquence d'ADN des gènes peuvent avoir différents impacts au moment de la traduction.Les substitutions ont des séquences variables sur la synthèse des protéines :- Certains conduisent à un triplet muté qui code pour le même acide aminé que le triplet d'origine (mutations silencieuse) ; ex. GCT (Arginine) → TCT (Arginine) [car le code génétique est redondant]- D'autres conduisent à un triplet muté qui code pour un acide aminé différent que le triplet d'origine (mutations faux-sens) ; ex. GCT (Arginine) → GGT (Proline)- D'autres conduisent à un triplet muté qui code pour un codon STOP (mutations non-sens). ex. GCT (Arginine) → ACT (codon STOP)Les insertions et les délétions sont des mutations décalantes car elles modifient le cadre de lecture des triplets par les ribosomes. LE MÉCANISME DE LA TRADUCTION La traduction est la synthèse d'une séquence d'acides aminés d'une protéine à partir d'une séquence nucléotidique d'ARNm. Elle se déroule dans le cytoplasme. La traduction débute lors de la reconnaissance d'un codon START (AUG), qui code la méthionine. Cette reconnaissance est effectuée par un ribosome. Chaque ribosome est un complexe d'ARN et de protéines constitué de deux sous-unités, qui s'assemblent lors de la phase d'initiation. Le ribosome progresse ensuite codon par codon. Il associe à chaque codon l'acide aminé correspondant. Avant chaque déplacement, le ribosome lie les a.a. entre eux par une liaison peptidique. Cette chaîne d'a.a. forme la protéine codée par l'ARNm. La traduction se termine quand le ribosome rencontre un des trois codons STOP. Les codons STOP ne codent aucun a.a. La protéine est donc libérée au prochain décalage du ribosome. En réalité, le ribosome associe à chaque codon de l’ARNm un ARN de transfert. Cet ARNt est formé d’un anticodon et d’un AA. L’anticodon, dont la séquence est complémentaire au codon de l’ARNm, assure la liaison ARNm / ARNt. L’AA porté est celui correspondant au codon de l’ARNm complémentaire de l’anticodon. Une chaîne de ribosomes qui assurent la traduction d'un même ARNm est appelée polysome. Chaque molécule d'ARNm gouverne ainsi la synthèse simultanée de 10 à 20 protéines identiques. Schéma expliquant comment la traduction permet de produire une séquence d'acides aminés à partir d'une séquence d'ARNm Parmi les ARN synthétisés se trouvent les ARN messagers. Grâce aux ribosomes, les ARNm dirigent la synthèse de protéines lors d'un processus dénommé traduction. Le code génétique est un système de correspondance, universel à l'ensemble du monde vivant, qui permet la traduction de l'ARN messager en protéines. Dans ce code, chaque codon (triplet de nucléotides) code un acide aminé. L'information portée par une molécule d'ARN messager (le message génétique) est ainsi convertie en une information fonctionnelle (la séquence des acides aminés de la protéines). D Une étape intermédiaire : la maturation des pré-ARNm Chez les eucaryotes, les ARN destinés à être traduits dans le cytoplasme ne sont pas matures à l'issue de la transcription. Ces ARN pré-messagers (ou pré-ARNm) doivent subir une maturation dans le noyau avant d'en sortir. UN MÉCANISME DE LA MATURATION : L'ÉPISSAGE DES PRÉ-ARNm Dans les cellules eucaryotes, la longueur totale de certains gènes est plus importante que celle de l'ARN exporté dans le cytoplasme. En effet, lors de la maturation, certains fragments des pré-ARNm, appelés introns, sont excisés (coupés et enlevés). Les fragments d'ARN restants, appelés exons, sont raboutés les uns aux autres pour former l'ARN messager mature qui sera transféré dans le cytoplasme. Ce mécanisme est appelé épissage. Comme les pré-ARNm sont transcrits d'après un gène, chaque gène est une succession d'introns et d'exons. On parle de gènes mosaïques (ou gènes morcelés). L'ARNm transféré dans le cytoplasme est donc plus court que le pré-ARNm formé lors de la transcription, et dont la longueur est égale à celle du gène. L'ÉPISSAGE ALTERNATIF : UN GÈNE, DES PROTÉINES ? En fonction de la spécialisation de la cellule, un même pré-ARNm peut subir des maturations différentes et donner des ARNm différents. En effet, tous les exons du pré-ARNm ne sont pas conservés dans l'ARNm mature et les exons conservés ne sont pas toujours les mêmes. Ce phénomène, appelé épissage alternatif, concerne 60 à 90% des gènes chez l'humain. Un même gène peut donc coder plusieurs protéines différentes aux fonctions différentes. Ainsi, le protéome (ensemble des protéines produites par un organisme) de nombreuses espèces est bien plus important que le génome ne le laisse supposer. Si notre génome comporte environ 20 000 gènes, notre protéome comprendrait plus de 100 000 protéines différentes ! Cette découverte a contribué à remettre en cause le concept historique "un gène, une protéine". Schéma expliquant comment la maturation permet de produire différentes protéines à partir d'un pré-ARNm Chez les eucaryotes, les pré-ARNm formés par transcription d'un gène doivent subir une maturation dans le noyau. Selon les cellules, un même pré-ARNm peut subir une maturation différente et conduire à différents ARNm. III La régulation de l'expression génétique ACTIVITÉ 3 : Devenir et conséquences des mutations Un organisme est le produit de l'expression de son génome. En effet, son phénotype est déterminé par l'ensemble des molécules produites à partir des informations du génotype : les protéines, mais aussi les ARN. Or, si toutes les cellules d'un organisme pluricellulaires ont la même information génétique, leur spécialisation implique qu'elles ne l'utilisent pas de la même manière. Un même génome peut donc aboutir à des phénotypes cellulaires différents, car il s'exprimera de manière différente d'une cellule à l'autre. Comment expliquer cette régulation de l'expression des gènes ? AU NIVEAU DE LA MATURATION : L'ÉPISSAGE ALTERNATIF L'épissage alternatif permet la production d'une grande diversité de protéines à partir d'un nombre de gènes limité. Cette diversité de protéines permet la spécialisation des cellules de l'organisme. DES FACTEURS ENVIRONNEMENTAUX L'expression des gènes est aussi régulée sous l'influence de facteurs internes (hormones, ...) ou externes (exposition à des rayonnements ou des substances chimiques, ...). Chaque facteur peut stimuler ou réprimer l'expression d'un ou plusieurs gènes, ce qui permet une expression allant de nulle à très importante, avec tous les intermédiaires possibles. Cette régulation de l'expression génétique aboutit à des phénotypes très différents. Contrairement aux mutations, aucune de ces modifications de l'expression des gènes ne modifie le génome et leurs actions/conséquences sont toutes réversibles. Elles peuvent être transmises aux cellules filles de la cellule lors des divisions cellulaires. Ces modifications de l'expression des gènes sont dites épigénétiques. Pour en savoir plus, cliquez ici. Le phénotype résulte de l'ensemble des produits de l'ADN (protéines et ARN) présents dans la cellule. Il dépend du patrimoine génétique (génotype) et de son expression. L'activité des gènes de la cellule est régulée sous l'influence de facteurs internes à l'organisme (développement) et externes (réponses aux conditions de l'environnement. Schéma bilan - Les mécanismes de l'expression des gènes Lexique LES GÈNES Gène : Séquence d'ADN codant la synthèse d'un (ou plusieurs) produit(s) fonctionnel(s) (ARN, protéines), et déterminant un (ou plusieurs) caractère(s) héréditaire(s). Gène mosaïque (ou morcelé) : Gène constitué d'introns et d'exons, dont les ARN sont soumis à un épissage. LES MÉCANISMES DE L'EXPRESSION DES GÈNES Transcription : Synthèse de pré-ARNm d'après le brin transcrit (non codant) de l'ADN, grâce à l'ARN polymérase, dans le noyau. Maturation : Transformations affectant le pré-ARNm et aboutissant à l'ARNm mature, dans le noyau. Traduction : Synthèse de protéines d'après l'ARNm, grâce aux ribosome, dans le cytoplasme. LES PRODUITS DE L'EXPRESSION DES GÈNES ARN messager (ARNm) : Copie simple brin et éphémère de la séquence nucléotidique d'un gène, intermédiaire indispensable à la synthèse de protéines. ARN pré-messager (pré-ARNm) : ARN n'ayant pas encore subi de maturation. Protéine : Molécule constituée d'une succession d'acides aminés liés les uns aux autres. LES ACTEURS DE L'EXPRESSION DES GÈNES ARN polymérase : Enzyme responsable de la transcription. Ribosome : Complexe constitué d'ARN (ribosomique) et de protéines responsable de la traduction. LE CODE GÉNÉTIQUE Code génétique : Système de correspondance entre les codons et les acides aminés. Codon : Suite de trois nucléotides (triplet de nucléotides) d'ARNm ou d'ADN codant un acide aminé, toujours le même. LES "-TYPES" ET LES "-OMES" Phénotype : Ensemble des caractères d'un individu, pouvant être décrits à différentes échelles (molécules, cellules, organisme). Génotype : Ensemble des allèles portés par un individu. Génome : Ensemble des séquences d'ADN d'un individu, comprenant les gènes (séquences codantes) et l'ADN non codant. Transcriptome : Ensemble des séquences d'ARN issues de la transcription des gènes d'un individu. Protéome : Ensemble des protéines exprimées dans un individu, ou dans une cellule.

EXERCICESCHAPITRE 1L'expression de l'information génétique EXERCICE 1 Du gène à la protéine - Exemple 1 Compétences travaillées : Convertir des séquences génétiques. La séquence d'un gène de 16 nucléotides est donnée ci-dessous : Brin transcrit T T A C G C G C A T A T T A A GBrin codant A A T G C G C G T A T A A T T C Questions. A partir de l'étude de la séquence fournie : 1) Transcrire la séquence du gène fournie ci-dessus en ARNm. 2) Traduire la séquence d'ARNm en séquence d'acides aminés en débutant par le premier nucléotide. 3) Traduire la séquence d'ARNm en débutant au niveau du codon AUG (codon START). EXERCICE 2 Du gène à la protéine - Exemple 2 Compétences travaillées : Convertir des séquences génétiques. La séquence nucléotidique d'un ARNm est donnée ci-dessous : ARNm G C A U G G A G C C G U A G Questions. A partir de l'étude de la séquence fournie : 1) Ecrire la séquence nucléotidique du brin transcrit du gène correspondant. 2) Traduire la séquence d'ARNm en débutant au niveau du codon AUG (codon START). EXERCICE 3 Du gène à la protéine - Exemple 3 Compétences travaillées : Convertir des séquences génétiques. La séquence d'acides aminés d'une protéine est donnée ci-dessous : Protéine Met - Trp - Trp - Met Questions. A partir de l'étude de la séquence fournie : 1) Ecrire la séquence nucléotidique de l'ARNm à l'origine de cette protéine. 2) Ecrire la séquence nucléotidique du brin transcrit du gène codant cette protéine. EXERCICE 4 Du gène à la protéine (Question de synthèse) Compétences travaillées : - Mobiliser des connaissances ; - Rédiger une explication scientifique. Chez les cellules eucaryotes, l'information génétique est contenue dans le noyau. Cette information permet la synthèse des protéines, qui se déroule dans le cytoplasme. Expliquer les mécanismes permettant la synthèse d'une protéine à partir de l'information génétique contenue dans un gène. Vous rédigerez un exposé structuré. Des schémas légendés sont attendus. EXERCICE 5 Un gène, des protéines ? (Question de synthèse) Compétences travaillées : - Mobiliser des connaissances ; - Rédiger une explication scientifique. La dystrophine est une protéine présente dans la membrane plasmique de différentes cellules, en particulier dans les cellules musculaires et les cellules nerveuses. Il existe au moins 7 formes différentes de cette protéine, en fonction du type cellulaire. Pourtant, toutes ces formes sont codées par un même gène (DMD), situé sur le chromosome X. Expliquer comment l'expression d'un seul gène peut conduire à la synthèse de plusieurs protéines différentes. Vous rédigerez un exposé structuré. Des schémas légendés sont attendus.

Travaux pratiques

Travaux dirigés

2L'ARNm, un intermédiaire entre gènes et protéines L'ADN contient des gènes dont la séquence de nucléotides participe à l'expression de caractères héréditaires. Or ces caractères dépendent de la présence de protéines qui jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement des cellules. Les gènes détiennent les informations qui permettent de produire les protéines : on dit que les gènes codent les protéines. L'objectif On cherche à montrer qu'un messager intermédiaire est nécessaire pour produire une protéine à partir d'un gène, et à montrer que l'ARN (acide ribonucléique) constitue ce messager intermédiaire. Vous présenterez votre réponse sous la forme d'un texte en deux parties, argumenté par les informations issues des documents ci-dessous. Les ressources à exploiter Document 1 : Expériences menées chez une algue unicellulaire, l'acétabulaire. (a) Le matériel biologique utilisé : l'acétabulaire (Acetabularia mediterranea). L'acétabulaire est une algue unicellulaire qui présente une tige élancée de 3 à 5 cm de long. Elle vit fixée sur les rochers par des rhizoïdes (sortes de crampons), au niveau desquelles est contenu le noyau. A l'extrémité de la tige se forme une sorte de chapeau qui peut atteindre 1 cm de diamètre et dont la forme diffère d'une espèce à l'autre.(b) Le principe du pulse-chase suivi d'autoradiographie. Ce type d’expérience a été effectué à partir des années 1960. On place des cellules en culture dans un milieu contenant des précurseurs radioactifs, qui sont des molécules contenant des éléments radioactifs. Ces molécules sont ainsi marquées, et il devient possible de suivre leur devenir dans la cellule en mesurant la radioactivité.En fin d'expérience, chaque culture est lavée (pour chasser l'excès de précurseur qui n'a pas été utilisé par les cellules) puis photographiée à l'aide d'une plaque sensible à la radioactivité (autoradiographie). Là où le précurseur radioactif a été incorporé dans des molécules, on observe des grains noirs sur la photographie. (c) Protocole et résultats obtenus. Expérience 1Expérience 2Des acétabulaires sont mises en culture dans un milieu contenant un acide aminé radioactif, la méthionine. Après 30 minutes et après lavage, on pratique une autoradiographie de ces cellules. Le résultat obtenu est schématisé ci-dessous. On vérifie après extraction et analyse chimique que la radioactivité est concentrée au niveau des protéines de l’acétabulaire. Des acétabulaires sont mises en culture dans un milieu contenant de la thymine radioactive. Après 30 minutes et après lavage, on pratique une autoradiographie de ces cellules. Le résultat obtenu est schématisé ci-dessous. On vérifie après extraction et analyse chimique que la radioactivité est concentrée au niveau des molécules d’ADN de l’acétabulaire. Document 2 : Le retour de l'acétabulaire : les expériences historiques de Brachet (1955). On pratique une section des acétabulaires au milieu de la tige. Certaines portions de la cellule peuvent, après isolement, régénérer la cellule entière. Dans l'expérience 2, on applique après section une enzyme, la RNase, capable de dégrader l'ARN. Expérience 1Expérience 2Document 3 : Autoradiographies de cellules cultivées en présence d'un précurseur radioactif de l'ARN (MET, x 6 000). On utilise ici un précurseur radioactif de l'ARN, l'uracile. Expérience 1Expérience 2Autoradiographie d’une cellule après 15 minutes de culture dans un milieu contenant un précurseur radioactif de l’ARN.Autoradiographie d’une cellule qui a d’abord été cultivée pendant 15 minutes sur un milieu contenant un précurseur radioactif de l’ARN, puis pendant une heure et demie sur un milieu ne contenant pas le précurseur radioactif de l’ARN. Document 4 : Expériences de marquage et électrophorèse. (a) Principe d'une électrophorèse. L’électrophorèse est une méthode permettant de séparer et d'identifier des molécules biologiques. Soumises à un champ électrique, celles-ci migrent plus ou moins loin en fonction de leur charge et de leur masse. Tout comme sur une chromatographie, un témoin est nécessaire pour pouvoir les identifier. (b) Protocoles et résultats obtenus. Protocole de l'expérienceRésultats obtenusDes cellules souches d’hématies (ou érythroblastes) sont cultivées dans un milieu contenant un acide aminé radioactif, l’histidine. Les protéines sont extraites de ces cellules et soumises à une électrophorèse.L’électrophorèse montre un pic radioactif spécifique de l’hémoglobine fabriquée par ces érythroblastes. On fait incuber des œufs d’amphibiens dans un milieu présentant le même acide aminé marqué. Les protéines sont extraites de ces œufs et soumises à une électrophorèse.L’électrophorèse montre alors deux pics protéiques caractérisant les protéines produites par les œufs au cours de leur incubation. On extrait de l’ARN du cytoplasme des érythroblastes, et on l’injecte à des œufs d’amphibiens que l’on fait ensuite incuber dans un milieu contenant le même acide aminé marqué. On obtient alors l’électrophorèse 3. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et exploiter des informations à partir d'expériences permettant de comprendre comment les ARN messagers ont été découverts. - Raisonner, argumenter, conclure en exerçant des démarches scientifiques et un sens critique.

3La transcription, synthèse d'ARNm d'après un gène Les ARN messagers (ARNm) sont des intermédiaires entre les gènes, contenus dans le noyau, et les protéines, fabriquées dans le cytoplasme. Or la synthèse des protéines repose sur l'information portée par la séquence nucléotidique des gènes. Lors de la synthèse des ARNm, appelée transcription, l'information contenue dans les gènes doit être transcrite dans les ARNm. L'objectif On cherche à comparer les caractéristiques de l'ARN et de l'ADN, puis à expliquer comment la synthèse d'un ARNm permet de conserver la séquence nucléotidique d'un gène. Vous présenterez votre réponse en trois parties : - Vous comparerez les caractéristiques de l'ARN et de l'ADN sous une forme appropriée ; - Vous insérerez une capture d'écran annotée issue du logiciel Libmol ; - Vous construirez un schéma expliquant comment la transcription permet de produire des molécules d'ARNm ayant la même séquence nucléotidique que le gène dont elles sont issues. Les ressources à exploiter Document 1 : Une comparaison de l'ARN et de l'ADN. Chimiquement très proche de l'ADN, l'ARN s'en distingue par le glucide qui entre dans sa composition (ribose dans l'ARN, désoxyribose dans l'ADN). Par ailleurs, dans l'ARN, les nucléotides à thymine (T) sont remplacés par des nucléotides à uracile (U). Tous les ARN n'ont pas la même fonction dans la cellule. L'ARN assurant le transfert de l'information génétique du noyau vers le cytoplasme est qualifié d'ARN messager (ARNm). Cet ARNm est une molécule bien plus courte que l'ADN, et sa durée de vie est seulement de quelques minutes à quelques heures. Application en ligne permettant de comparer les modèles moléculaires de l'ADN et de l'ARN. Par définition, ce modèle N'EST PAS issu d'une observation réelle et directe d'une molécule d'ARN (bien trop petite pour être observée). Il s'agit de la représentation qui parvient le mieux à expliquer les résultats expérimentaux obtenus par d'autres chercheurs. Document 2 : Séquences nucléotidiques du gène de la B-globine et de l'ARNm correspondant. Accéder aux séquences d'ADN et d'ARNm du gène de la bêta-globine à comparer (Geniegen 2) Document 3 : Observation de la transcription dans le noyau d'un ovocyte de grenouille (MET). A partir de la molécule d'ADN du gène se construisent progressivement les ARN messagers : tous ces filaments formeront autant de copies identiques du gène qui s'exprime. Document 4 : Le déroulement de la transcription. Une autre animation sur le déroulement de la transcription (Plante Vie) Document 5 : Des modèles du déroulement de la transcription de l'ADN en ARN. En 1959, un équipe de chercheurs met en évidence dans le noyau des cellules l'existence d'une protéine capable d'accélérer la synthèse de molécules d'ARN à partir d'ADN, de nucléotides libres et d'énergie. Ce complexe enzymatique nommé ARN polymérase est responsable de la transcription : il assure à la fois l'ouverture de la molécule d'ADN et la polymérisation (formation de liaisons entre les nucléotides) pour former une nouvelle molécule d'ARN. Au fur et à mesure de son déplacement, l'ARN polymérase assemble des nucléotides libres (A, U, G, C) par complémentarité avec le brin transcrit de l'ADN. Roger Kornberg, biochimiste américain et fils du découvreur de l'ADN polymérase, a obtenu le prix Nobel de chimie en 2006 « pour ses travaux sur les bases moléculaires de la transcription chez les eucaryotes ». Modèle moléculaire de l’ARN polymérase en cours de transcription (et non de "réplication" comme le logiciel l'indique). Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Traiter des modèles moléculaires pour comparer l'ARN et de l'ADN. - Comparer des séquences nucléotidiques d'ADN et d'ARN. - Traiter un modèle moléculaire pour montrer une interaction entre l'ARN polymérase et l'ADN. - Communiquer sous forme de schémas.

4La traduction, synthèse de protéines d'après un ARNm L'information génétique exportée dans le cytoplasme sous forme d'ARN messagers (ARNm). Ces copies éphémères de la séquence nucléotidique des gènes sont ensuite utilisées par la cellule pour produire des protéines, c'est-à-dire des séquences d'acides aminés. L'objectif On cherche à expliquer comment une séquence de nucléotides détermine une séquence d'acides aminés. A La nécessité d'un système de correspondance : le code génétique Les étapes de résolution 1 A l'aide d'un diagramme en arbre, calculer le nombre de combinaisons possibles de séquences de 1, 2 et 3 nucléotides. Calculer ce nombre pour des séquences de n nucléotides quand n grandit. Comparer à un code binaire en informatique. 2 On rappelle que les protéines sont des macromolécules formées d'une séquence d'acides aminés, parmi 20 possibles. Déterminer le nombre de nucléotides nécessaires et suffisants pour coder les 20 types d'acides aminés. 3 A partir d'une exploitation de l'expérience présentée dans le doc. 1, montrer que la lecture est continue entre les triplets de nucléotides (absence de ponctuation), puis discuter le nombre obtenu dans la question 2. 4 Chaque triplet de nucléotides qui code un acide aminé est appelé codon. A partir d'une exploitation rigoureuse de l'expérience présentée dans le doc. 2, déterminer l'acide aminé codé par le codon "UUU". 5 A partir du doc. 3 et du logiciel Geniegen 2, compléter le code génétique présenté dans le doc. 4. 6 A partir d'exemples tirés du doc. 4, montrer que le code génétique est redondant. Pour vérifier les conversions (ARN, protéine), vous pouvez utiliser les fonctionnalités « Fichier > Saisir/coller une séquence » et « Actions > Traduire les séquences sélectionnées » du logiciel Geniegen 2. Les ressources à exploiter Document 1 : L'expérience historique de Francis Crick et Sydney Brenner (1961). En 1961, F. Crick et S. Brenner ont infecté des bactéries avec un virus dont l'ADN a été modifié, par ajout ou retrait de nucléotides. Ils étudient les conséquences de ces modifications sur la séquence des acides aminés des nouvelles protéines synthétisées et sur la capacité du virus à infecter les bactéries (la virulence). Modification du nombre de nucléotides dans l'ADN viralSéquence des acides aminés par rapport à la protéine virale de référence, impliquée dans l'infectionVirulence du virus0IdentiqueOUI+1 ou -1Nombreux acides aminés différentsNON+2 ou -2Nombreux acides aminés différentsNON+3Identique MAIS un acide aminé supplémentaireOUI- 3Identique MAIS un acide aminé manquantOUI Document 2 : L'expérience historique de Marshall Nuremberg et J. Heinrich Matthaei (1961). M. Nirenberg et J. H. Matthaei réalisent l'expérience qui ouvre la voie au déchiffrage du code génétique. Ils préparent des extraits cellulaires contenant tous les éléments nécessaires à la synthèse des protéines, mais dépourvus d'ARN messager. Puis ils rajoutent un ARN messager synthétique de séquence connue (poly-U). La séquence des polypeptides (petites protéines) obtenues est ensuite déterminée. Document 3 : Les expériences complémentaires ayant permis l'élucidation du code génétique. Dans les années 1960, H. Gobind Khorana et son équipe finissent ensuite le déchiffrage du code avec des ARN messagers synthétiques. En essayant différentes combinaisons de nucléotides, l'intégralité du code génétique a ainsi été décryptée en l'espace de deux ans. Légende : Lys = Lysine ; Pro = Proline ; Ser = Sérine. Séquence nucléotidique de l’ARNm de synthèse Séquence protéique obtenue … A A A A A A A A A A A A … … Lys – Lys – Lys – Lys … … C C C C C C C C C C C C … … Pro – Pro – Pro – Pro … … U C U C U C U C U C U C … … Ser – Lys – Ser – Lys … … A A G A A G A A G A A G … … Lys – Lys – Lys – Lys … Pour aller plus loin, une animation sur les expériences ayant permis d'élucider le code génétique (Université de Genève) Document 4 : Le code génétique. Elucidé dans les années 1960, le code génétique indique la correspondance entre les codons (triplets de nucléotides) et les acides aminés. Le code génétique est universel (on le rencontre chez tous les êtres vivants*), univoque (à chaque codon ne correspond qu'un seul acide aminé) et redondant (un même acide aminé peut être codé par plusieurs codons). Trois codons ne codent pas d'acides aminés : ce sont les codons STOP, qui induisent la fin de la synthèse protéique. *Plus tard, d'autres chercheurs ont découvert quelques rares exceptions... Une animation présentant le code génétique (Biologie & multimédia) B Le déroulement de la traduction Nous prendrons l'exemple d'une protéine humaine, l'ocytocine. Il s'agit d'une hormone sécrétée par une glande du cerveau, l'hypophyse. Elle a notamment pour fonction de stimuler les contractions utérines, au moment de la naissance chez les Mammifères. La séquence de l'ocytocine comporte 9 acides aminés : Cys - Tyr - ??? - ??? - ??? - ??? - ??? - Leu - Gly La séquence du gène de l'ocytocine comporte 27 paires de nucléotides : Brin α A C G A T G T A G G T C T T G A C G G G G G A C C C GBrin β T G C T A C A T C C A G A A C T G C C C C C T G G G C Les étapes de résolution Bilan A partir de l’exploitation des documents fournis, du logiciel Geniegen 2 et de vos connaissances, réaliser un schéma présentant les étapes de la fabrication de l'ocytocine à partir de son gène. Vous veillerez à expliquer comment une séquence de nucléotides est traduite en séquence d'acides aminés. Pour vérifier les conversions (ARN, protéine), vous pouvez utiliser les fonctionnalités « Fichier > Saisir/coller une séquence » et « Actions > Traduire les séquences sélectionnées » du logiciel Geniegen 2. Les ressources à exploiter Document 5 : Observation de la traduction d'un ARNm dans le cytoplasme (MET). Dans le cytoplasme des cellules, les acides aminés s'assemblent pour former des protéines au niveau de minuscules structures, les ribosomes. Chaque ribosome est constitué d'une petite sous-unité capable de se lier à l'ARNm et d'une grosse sous-unité qui peut abriter deux acides aminés. Un ribosome parcourt l'ARNm et assemble au fur et à mesure les acides aminés en suivant les règles de correspondance du code génétique. Plusieurs ribosomes se succèdent sur le même ARNm, effectuant chacun une traduction de la séquence nucléotidique de l'ARNm en séquence d'acides aminés. Une animation modélisant le déroulement de la traduction (C. Perrin) Source : Manuel SVT Bordas (2019) Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Organiser, effectuer et contrôler des calculs de combinaisons possibles au sein des séquences génétiques. - Recenser et exploiter des informations à partir d'expériences permettant de comprendre comment le code génétique a été élucidé. - Traiter des séquences d'ADN et d'ARNm pour les convertir. - Réaliser des schémas présentant les mécanismes de l'expression des gènes (transcription, traduction).

5Une étape intermédiaire, la maturation des ARNm Document d'appel : Un gène, une protéine ? Une idée reçue de la génétique voulait que le nombre de gènes diffère peu de celui des protéines fabriquées par les cellules. On en déduisait que plus un organisme est complexe, plus le nombre de gènes doit être important. Il n’en est rien, les derniers résultats montrent que le génome humain est constitué d’environ 20 000 gènes, à peine plus qu’une mouche (14 000 gènes). Passée la surprise, il convenait d’expliquer comment la complexité et surtout la diversité d’organisation des tissus des mammifères s’accommodent d’aussi peu de gènes. Un élément de réponse est apporté par la confrontation des informations issues des programmes de séquençages d’ARN messager : chez l’homme, le nombre d’ARN messager est supérieur à 100 000, soit environ quatre fois plus que de gènes. Ainsi chaque gène donne en moyenne quatre ARN, chacun donnant une protéine différente. Le nombre de protéines différentes produites par un organisme humain, constituant ce qu’on appelle son protéome, est ainsi estimé à plusieurs centaines de milliers, voire plusieurs millions. On commence à peine à entrevoir d’où vient la différence entre la drosophile et l’homme ! D'après un extrait d'un article de la revue Pour la science n°46 Janvier-mars 2005. L'objectif On cherche à expliquer comment un même gène peut être à l'origine de plusieurs protéines différentes. Vous présenterez votre réponse sous la forme d'un texte argumenté par les informations issues des documents. Vous devrez insérer dans votre réponse : - Les Dotplots annotés comparant la séquence du pré-ARNm du gène Calc-1 avec chacun des ARNm utilisés pour produire la calcitonine et le neurotransmetteur CGRP, réalisés sur Geniegen 2 ; - Un schéma expliquant comment le gène Calc-1 peut être à l'origine de deux protéines différentes. Les ressources à exploiter Document 1 : Hybridation du brin transcrit du gène de l'ovalbumine de poule avec l'ARNm complémentaire. Dans un tube à essai, il est possible de chauffer une molécule d’ADN et de séparer ainsi les 2 brins. Si on ajoute ensuite l’ARNm (simple brin) correspondant à ce même gène, cet ARN peut établir des liaisons avec l’un des brins d’ADN du gène quand sa séquence de nucléotides lui est complémentaire : on dit que l’ADN et l’ARN s’hybrident. Les molécules hybrides ADN/ARN sont ensuite observées au microscope électronique à transmission (MET). Document 2 : Une maturation des ARNm eucaryotes. Dans les cellules eucaryotes, les molécules d’ARN synthétisées à partir de l’ADN ne sont pas encore matures à l’issue de la transcription, on les qualifie d’ARN pré-messagers (pré-ARNm). En effet, les gènes des eucaryotes sont morcelés. Après transcription, certaines portions des ARN, les introns, doivent être éliminées. Les portions qui sont conservées, ou exons, sont ensuite raboutées les unes aux autres, formant l’ARNm mature. En moyenne, les introns représentent 80 à 90% de la séquence totale d’un gène. Au cours de l’épissage, il arrive que certains exons soient sélectionnés aux dépens d’autres. A partir d’un seul ARN pré-messager, la cellule peut donc produire plusieurs ARNm différents : ce processus est appelé épissage alternatif. L’épissage est l’une des nombreuses étapes de la maturation des ARN qui se déroule dans le noyau. Ce n’est qu’après maturation que les ARNm sont exportés vers le cytoplasme. Document 3 : Exemple du gène Calc-1 : un gène codant deux protéines. Chez l'être humain, le gène Calc-1 est présent dans toutes les cellules de l'organisme mais il n'est transcrit en pré-ARNm que dans certaines cellules. Selon le type de cellule dans lequel il s'exprime, il peut être à l'origine de deux protéines différentes :

Dans certaines cellules de la glande thyroïde, le gène Calc-1 entraîne la production de calcitonine. La calcitonine est une hormone protéique qui régule la concentration de calcium dans le sang.
Dans d’autres cellules du corps comme les neurones du cerveau, il induit la synthèse de la protéine CGRP. La CGRP est un neurotransmetteur qui permet la communication entre neurones.

En utilisant la fonction DotPlot du logiciel Geniegen 2 ("Actions > Réaliser un DotPlot"), il est possible de comparer graphiquement un pré-ARNm et un ARNm mature. Dans un tel graphique, la séquence la plus longue est placée horizontalement, l'autre séquence verticalement. Les diagonales signalent les portions de séquences qui sont identiques et les espaces, les zones manquantes. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et exploiter des informations à partir d'expériences. - Traiter des séquences de pré-ARNm et d'ARNm pour les comparer. - Communiquer sous forme de schéma.

BILAN A RECOPIER DANS LE COURSACTIVITE 1Du génotype au phénotype Lorsqu’on étudie une pathologie, on commence souvent par caractériser son phénotype (étymologiquement « ce qui se voit », c’est-à-dire les caractères portés par les individus atteints). Le phénotype, établi à partir de la comparaison avec un individu non atteint par cette pathologie, peut être décrit à différentes échelles : de la molécule à l'organisme :

A l’échelle macroscopique : Quel(s) tissu(s) ou organe(s) sont atteints chez les malades ? En quoi leur fonctionnement est-il modifié ? Quelles sont les conséquences sur les individus (fertilité, mort, …) ?
A l’échelle cellulaire : Quel(s) type(s) de cellule(s) est impacté dans les organes atteints ? En quoi son fonctionnement est-il modifié ? Quelles sont les conséquences pour la cellule ?
A l’échelle moléculaire : Quelle protéine est modifiée dans les cellules impactées ? Au niveau de quel acide aminé ? Quelle conséquence sur la forme et la fonctionnalité de la protéine ?

Une fois un phénotype caractérisé, on peut s'interroger sur son origine. De nombreuses maladies génétiques s'expliquent par un génotype particulier, c'est-à-dire par les allèles portés par les individus. Le phénotype correspond à l’ensemble des caractères présentés par un individu. Un phénotype est observable à différentes échelles : - Le phénotype macroscopique, à l'échelle de l'organisme ou des organes ; - Le phénotype cellulaire, à l'échelle des cellules ; - Le phénotype moléculaire, à l'échelle des protéines (macromolécules se trouvant dans les cellules). Ces 3 échelles d'observations sont liées les unes aux autres par relations de causes à effet : - une modification de la séquence d'acides aminés d'une protéine entraîne une perturbation de sa fonction ; - ce dysfonctionnement au niveau d'une protéine altère le fonctionnement des cellules qui en dépendent ; - ce qui modifie les caractères au niveau de l'organisme. Dans le cas des maladies génétiques, le phénotype des individus malades s'explique par un génotype particulier : la présence d'allèles mutés est à l'origine de la modification de la séquence d'acides aminés d'une protéine. Ainsi, chaque gène code une protéine.

BILAN A RECOPIER DANS LE COURSACTIVITE 2L'ARNm, un intermédiaire entre gènes et protéines La synthèse des protéines se fait exclusivement dans le cytoplasme. Pourtant, l'ADN qui porte l'information nécessaire à cette synthèse est enfermé dans le noyau, et la molécule d'ADN est trop grosse pour passer à travers les pores nucléaires. Il doit donc exister un intermédiaire capable de transporter l'information génétique du noyau vers le cytoplasme. Ce messager est l'ARN messager (ARNm).

BILAN A RECOPIER DANS LE COURSACTIVITE 3La transcription, synthèse d'ARNm d'après un gène A La nature chimique de l'ARN Comme l'ADN, l'ARN est un acide nucléique, mais simple brin. Chaque ARNm est formé d'une succession de nucléotides, eux-mêmes constitués : - D'une base azotée parmi 4 possibles : l'adénine (A), la guanine (G), la cytosine (C) et l'uracile (U) (qui remplace la T de l'ADN) ; - D'un sucre, le ribose (alors qu'il s'agit du désoxyribose pour l'ADN) ; - D'un groupement phosphate. B Le déroulement de la transcription La transcription est la synthèse d'une molécule d'ARNm à partir d'un gène. Elle se déroule dans le noyau. Une enzyme, l'ARN polymérase, écarte la double hélice d'ADN et associe en face de chaque désoxyribonucléotide du brin transcrit (ou brin matrice) un ribonucléotide libre complémentaire. La séquence nucléotidique de l'ARNm obtenu est donc une copie du brin codant de l'ADN (sauf T remplacé par U). Schéma expliquant la synthèse d'un ARNm à partir de l'ADN lors de la transcription

BILAN A RECOPIER DANS LE COURSACTIVITE 3La traduction, synthèse d'une protéine d'après un ARNm A La nécessité d'un système de correspondance : le code génétique La séquence de nucléotides de l’ARNm est traduite en une séquence d’acides aminés (a.a.) selon un système de correspondance appelé code génétique. Dans ce code : Chaque groupe de 3 nucléotides (triplet de nucléotides ou codon) code 1 a.a. Le code génétique précise quel a.a. est codé par chacun des 64 triplets de nucléotides :- Seuls 61 codons codent pour un AA ;- Les 3 codons restant ne codent pour aucun AA. Ce sont les codons STOP (UAA, UAG, UGA). Le code génétique est : - univoque (sans ambiguïté) : un codon code toujours le même AA... - universel : ... chez toutes les espèces (à quelques exceptions près)... - redondant (ou dégénéré) : ...mais plusieurs codons codent le même AA. B Le déroulement de la traduction La traduction est la synthèse d'une séquence d'acides aminés d'une protéine à partir d'une séquence nucléotidique d'ARNm. Elle se déroule dans le cytoplasme. La traduction débute lors de la reconnaissance d'un codon START (AUG), qui code la méthionine. Cette reconnaissance est effectuée par un ribosome. Chaque ribosome est un complexe d'ARN et de protéines constitué de deux sous-unités, qui s'assemblent lors de la phase d'initiation. Le ribosome progresse ensuite codon par codon. Il associe à chaque codon l'acide aminé correspondant. Avant chaque déplacement, le ribosome lie les a.a. entre eux par une liaison peptidique. Cette chaîne d'a.a. forme la protéine codée par l'ARNm. La traduction se termine quand le ribosome rencontre un des trois codons STOP. Les codons STOP ne codent aucun a.a. La protéine est donc libérée au prochain décalage du ribosome. Schéma expliquant comment la traduction permet de produire une séquence d'acides aminés à partir d'une séquence d'ARNm

La variation de l'information génétique

Transmission, variation et expression du patrimoine génétique

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

ACTIVITÉS

Mutationset diversité des allèles

Origine des mutations

Réparation des mutations

Transmission des mutations

CONNAISSANCES

EXERCICES

PLAN DE TRAVAIL

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

PLAN DE TRAVAILCHAPITRE 2La variation de l'information génétique INTRODUCTION Quelques chatons issus d’une même portée (même père, même mère). DE LA VARIATION DE L'INFORMATION GÉNÉTIQUE À... LA BIODIVERSITÉ AU SEIN DES ESPÈCES (SECONDE) Au sein des populations, tous les individus classés au sein de la même espèce ne sont pas strictement identiques : ils présentent des variations de caractères. Leurs phénotypes, ensemble de leurs caractères, sont ainsi différents. Certaines de ces variations ont une origine génétique, et résultent de la variabilité de la molécule d'ADN. Cette diversité génétique se traduit par le fait que différents allèles d'un même gène coexistent dans une même population. Ils sont issus de mutations qui se sont produites au cours des générations. Ainsi, l'information génétique n'est pas figée dans le temps, elle varie elle aussi. PROBLÉMATIQUE(S) Comment les variations de l'information génétique surviennent-elles ?Comment cette variabilité génétique modifie-t-elle les cellules et les individus ? ACTIVITÉS 1 - Mutations et diversité des allèles2 - Origine des mutations3 - Réparation des mutations4 - Transmission des mutations OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE / COMPÉTENCES TRAVAILLÉES Recenser, extraire et organiser des informations à partir de cartes, de tableaux, de graphiques. Concevoir et mettre en œuvre une stratégie de résolution expérimentale. Traiter des séquences d'ADN pour caractériser des mutations ponctuelles. Présenter ses résultats sous la forme d'un graphique. Pratiquer et construire un raisonnement scientifique pour répondre à un problème. LES MOTS-CLÉS PhénotypeAllèleMutationsMutations spontanées/induitesAgent mutagèneADN polyméraseSystèmes de réparationMutations somatique/germinale

CONNAISSANCESCHAPITRE 2La variation de l'information génétique INTRODUCTION Dans le chapitre précédent, nous avons expliqué comment le caryotype d'une espèce est conservé au cours de la multiplication cellulaire et de la reproduction sexuée. Nous avons montré que les cycles cellulaires successifs, grâce aux divisions cellulaires et la réplication de l'ADN, permettent une transmission fidèle de l'information génétique au fil des générations. Néanmoins, on constate que des variations de l'information génétique peuvent apparaître au cours du temps... PROBLÉMATIQUE(S) Comment ces variations de l'information génétique surviennent-elles ?Comment cette variabilité génétique impacte-t-elle les cellules et les individus ? I Les mutations permettent l'apparition de nouveaux caractères ACTIVITÉ 1 : Mutations et diversité des allèles A L'apparition de mutants dans une population L’apparition d’un individu qui présente un nouveau caractère (mutant), comme un individu albinos, est un phénomène rare mais observé dans de nombreuses populations. On peut montrer, par des comparaisons des séquences d’ADN chez différents individus, que le nouveau caractère apparait toujours à la suite d’une ou plusieurs modifications de la séquence de nucléotides d’un ou plusieurs gènes. Ces variations de l'information génétique, appelées mutations, font apparaître différentes versions d'une séquence d'ADN, appelées allèles. Selon les régions du génome impactées, les mutations peuvent permettre l'apparition de nouveaux caractères à l'échelle des molécules, des cellules voire de l'organisme. B Différents types de mutations Une mutation est une modification accidentelle et aléatoire de la séquence de nucléotides de l'ADN. Si seulement quelques nucléotides d'une séquence d'ADN sont modifiés, on parle de mutation ponctuelle. Les mutations peuvent aussi concerner une portion complète de chromosome, on parle alors de mutation chromosomique. Vous en verrez quelques exemples en terminale. Il existe plusieurs types de mutations ponctuelles : - la substitution : remplacement d'un nucléotide par un autre ; - la délétion : perte d'un ou plusieurs nucléotides dans la séquence ; - l'insertion : ajout d'un ou plusieurs nucléotides dans la séquence. Lorsqu'elles concernent des gènes (séquences d'ADN codantes), les mutations peuvent être répertoriées selon l'influence qu'elles ont sur la synthèse d'une protéine. Les conséquences des mutations sur la synthèse des protéines seront abordées dans le chapitre 3, dédié à l'expression génétique. Les mutations sont à l'origine de la diversité des allèles au cours du temps. Selon leur nature, elles ont des effets variés sur le phénotype. II L'apparition des mutations ACTIVITÉ 2 : Origine des mutations A Des mutations spontanées lors de la réplication RAPPELS DU CHAPITRE 1La capacité de réplication de l’ADN permet de copier une molécule mère en deux molécules filles identiques entre elles et à la molécule mère. Cette copie est assurée par une enzyme, l'ADN polymérase. L'ADN polymérase fonctionne avec une grande efficacité : on considère que son taux d’erreur est proche de 1/1000000 (10-6) nucléotides insérés (soit 64 000 erreurs lors d’une réplication complète du génome humain). Des erreurs peuvent donc se produire aléatoirement lors de la réplication de l'ADN. Ce faible taux d’erreur n’est pas suffisant pour expliquer la grande variabilité génétique des populations et des espèces. Il doit donc exister d’autres facteurs qui augmentent sensiblement le taux de mutation. B Des mutations induites par des agents mutagènes De nombreux facteurs environnementaux sont susceptibles d’induire l’apparition de mutations (modifier la séquence de nucléotides de la molécule d’ADN) lors d’une réplication ou lors d’une phase de repos cellulaire : ce sont les agents mutagènes. La nature et le mode d'action des agents mutagènes sont très variés. Il peut s'agir : - de certaines substances chimiques (ex. le benzène, qui s'intercale entre les nucléotides et qui déforme la molécule d'ADN) ; - de certains virus ; - de certaines rayonnements électromagnétiques (UV, rayons X, rayons gamma issus de la radioactivité, ...). Ces radiations entraînent des cassures de la molécule d'ADN ou forment des dimères de thymine (liaison covalente entre deux thymines du même brin). Ces lésions perturbent fortement l'action de l'ADN polymérase. Elles sont donc la source de nombreuses erreurs de réplication. Si ces erreurs sont trop nombreuses, elles peuvent avoir un effet létal sur les cellules ou déclencher un processus de cancérisation. Certaines techniques du génie génétique utilisent des agents mutagènes pour modifier volontairement la séquence d'ADN d'un organisme. Elles sont utilisées pour la création d'OGM (organismes génétiquement modifiés), ou pour la thérapie génique (voir thème 3). L’action des agents mutagènes augmente la fréquence des mutations, et ce d’autant plus que l’exposition à l’agent mutagène est prolongée (attention aux UV !). Pourtant, même lors d’expositions importantes à certains agents mutagènes, tous les individus ne développent pas forcément de cancer. Il doit donc exister des mécanismes qui limitent le nombre de mutation réellement conservées par la cellule. C Des systèmes de réparation efficaces ACTIVITÉ 3 : Réparation des mutations Il existe des systèmes de détection et de réparation des mutations. Lorsque qu’un mésappariement ou une déformation de la molécule est détecté, une enzyme excise une section de quelques nucléotides contenant l’erreur. Ensuite, une ADN polymérase vient reformer la séquence manquante. Ce système de réparation est suffisamment efficace pour faite chuter le taux d’erreur de l’ADN polymérase de 10-6 à 10-9. On estime donc que 99,9% des erreurs sont détectées et réparées. Ces systèmes sont donc indispensables au maintien d'un faible taux de mutation. Cependant, certaines modifications de l’ADN échappent aux systèmes de réparation de l’ADN... Une mutation qui subsiste ne concerne que l’un des deux brins de l’ADN. Elle ne sera alors transmise qu’à l’une des deux cellules filles issue de la division de la cellule mère mutée. L’autre cellule fille conserve le brin d’ADN non muté. Des erreurs peuvent se produire aléatoirement lors de la réplication de l'ADN. Leur fréquence est augmentée par l’action d’agents mutagènes. L’ADN peut également être endommagé en dehors de sa réplication. Les erreurs réplicatives et les altérations de l'ADN peuvent être réparées par des mécanismes spécialisés impliquant des enzymes. Si les réparations ne sont pas conformes, la mutation persiste à l'issue de la réplication et est transmise au moment de la division cellulaire. III Le devenir des mutations ACTIVITÉ 4 : Transmission des mutations A La transmission des mutations au clone cellulaire Dans une majorité des cas, une cellule mutée dont le fonctionnement est anormal, meurt rapidement sous l’action de mécanismes de sauvegarde intégrés à la cellule ou sous l’action des cellules immunitaires de l’organisme. Lorsqu’une cellule mutée échappe à ces mécanismes de contrôle, elle est alors susceptible de se diviser et de former un clone cellulaire qui va posséder la mutation. Chez les animaux (dont l'être humain), une mutation peut avoir des conséquences diverses sur l’individu et/ou sa descendance selon le type cellulaire concerné. Source : R.Rodriguez B Les mutations somatiques s'éteignent avec l'individu Une mutation n'affectant que les cellules somatiques (ne participant pas à la reproduction de l'individu) est qualifiée de mutation somatique. Cette mutation est portée chez cet individu et uniquement par les cellules filles issues de la division de la cellule mutée (clone cellulaire). Ainsi, plus la mutation apparaît tôt dans le développement de l'individu, plus le nombre de cellules portant cette mutation sera important. Certaines seront sans conséquences pour la survie de l'individu (ex. pomme bicolore), tandis que d'autres pourront déclencher des maladies comme les cancers. L'apparition d'un cancer ou d'une anomalie phénotypique locale provoqué par une mutation somatique n'est jamais transmis à la descendance de l'individu. Autrement dit, une mutation somatique disparaît avec la mort de l’individu, elle n'est JAMAIS transmise à la descendance. Une mutation somatique a des conséquences variables sur l'individu, mais aucune sur sa descendance. Lorsque des mutations non silencieuses affectent des gènes prédisposant à certains types de cancers, une tumeur peut se former. Dans certains cas, elle peut conduire à l'apparition d'un cancer (voir thème 3). C Les mutations germinales peuvent être transmises d'une génération à l'autre Une mutation affectant une cellule germinale (reproductrice) d’un individu est transmissible à la descendance. Chez l'individu atteint, les conséquences de telles mutations sont souvent limitées voire absente. En revanche, si une cellule germinale mutée de cet individu participe à une fécondation, la mutation portée sera alors présente dans le génome de la cellule-œuf du nouvel individu. Avec la succession des mitoses, toutes les cellules du descendant porteront la mutation. La mutation devient alors héréditaire, et pourra entraîner des conséquences néfastes ou bénéfiques chez le nouvel individu et sa descendance. On considère que tous les gamètes d'un individu portent quelques dizaines de mutations. Chez les animaux dont l'être humain, une mutation survient :- soit dans une cellule somatique (elle sera présente dans le clone issu de la division de cette cellule) ;- soit dans une cellule germinale (elle devient potentiellement héréditaire). IV Les mutations, "carburant" de l'évolution L’accumulation des mutations, aléatoires, chez un individu, dans une population ou une espèce aboutit à sa grande diversité génétique. En effet, chaque séquence d'ADN sera représentée par un nombre plus ou moins important de variantes, c'est-à-dire d'allèles. Lorsque ces allèles concernent des gènes, ils codent la synthèse d’une protéine, fonctionnelle ou non. C’est cette diversité allélique (polymorphisme génétique) qui permet la biodiversité phénotypique des individus, et leur unicité. Cette diversité fait en permanence l'objet d'un tri, par sélection naturelle et dérive génétique. Les mutations sont donc à la fois source de maladie mais aussi la principale source de diversité génétique au sein des espèces. Elles sont donc l’un des moteurs principaux de l’évolution des êtres vivants. Mutations de l'ADN et variabilité génétique Lexique ADJECTIFS QUALIFIANT UNE MUTATION ...ponctuelle : modification d'un nucléotide dans une séquence d'ADN. ...spontanée : due à une erreur de réplication. ...induite : provoquée par une lésion causée par un agent mutagène. ...somatique : affectant une cellule somatique, donc non héréditaire (voir chapitre 1). ...germinale : affectant une cellule germinale, donc potentiellement héréditaire (voir chapitre 1). ...faux-sens : affectant la séquence d'un triplet, qui du coup code un autre acide aminé. ...non-sens : affectant la séquence d'un triplet, qui du coup devient un codon STOP. ...silencieuse : affectant la séquence d'un triplet, qui continue à coder le même acide aminé.

EXERCICESCHAPITRE 2La variation de l'information génétique Maîtrise des connaissances EXERCICE 1 Caractériser une mutation La séquence d'ADN d'un individu révèle la présence d'une mutation dans la séquence du gène PAH. Position468469470471472473474475476477Allèle sainAAGACGGAAGAllèle mutéAAGACAGAAG Rappeler la définition d'une mutation, puis caractériser la mutation présente chez cette individu. Coup de pouce : Caractériser une mutation, c'est préciser sa position dans la séquence de nucléotides et son type (insertion, délétion, substitution). EXERCICE 2 Les ondes de la 5G, un risque pour la santé ? (TP) Le déploiement de la 5G suscite l'inquiétude d'un certain nombre de personnes. Certaines personnes - parfois aussi douées en physique que M. Nottet en pâtisserie - affirment que l'exposition aux ondes utilisées par cette technologie va augmenter le risque de cancers. Or les cancers sont des maladies provoqués par une accumulation de mutations dans certaines cellules. Pour évaluer de manière scientifique le risque sanitaire de la 5G, on pourrait donc commencer par déterminer si les ondes radio utilisées par la 5G sont des agents mutagènes. Au laboratoire, vous disposez de levures ade2- et d'un émetteur de radiofréquences (que l'on peut régler sur les fréquences d'émission de la 5G, par exemple 30 GHz). Concevoir une stratégie de résolution expérimentale qui permettrait de déterminer si les radiofréquences utilisées par la 5G sont des agents mutagènes. Coup de pouce : - Rappeler la définition d'une mutation, d'un agent mutagène. - Utiliser la fiche méthode distribuée lors du TP "Origine des mutations". Pour en savoir plus (un aperçu de l'état de la science à l'heure actuelle) : Ondes électromagnétique : faut-il craindre la 5G ? (INSERM) EXERCICE 3 L'apparition et les conséquences des mutation (Question de synthèse) De nombreuses mutations surviennent au cours de la vie d'un individu. Selon les cas, elles peuvent être transmises à la descendance. Expliquez comment une mutation peut apparaître dans une séquence d'ADN. Vous décrirez ensuite les conséquences qu'elle peut avoir pour un individu et sa descendance. Vous rédigerez un exposé structuré. Vous pouvez vous appuyer sur des représentations graphiques judicieusement choisies. On attend des arguments pour illustrer l'exposé comme des expériences, des observations, des exemples.. EXERCICE 4 Origine et devenir d'une mutation (Pratique d'un raisonnement scientifique) A venir

Travaux pratiques

Travaux dirigés

1MUTATIONS ET DIVERSITÉ DES ALLÈLES Dans la population humaine, il existe une grande variété de phénotypes* dont la mise en place dépend de l'environnement ou de l'information génétique. Les recherches en génétique dévoilent petit à petit les gènes et leurs variants associés à ces phénotypes. (*) Phénotype : Ensemble des caractères présentés par un individu. L'objectif On cherche à expliquer l'origine de la diversité des phénotypes présents au sein des populations. LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) Mettre en évidence une différence de phénotypes entre individus pour le caractère étudié (doc. 1). 2) Formuler une (ou des) hypothèse(s) pour expliquer ces différences de phénotype entre individus. 3) Caractériser des mutations associées à cette différence de phénotype (localisation dans l'ADN, type de mutation, impact sur le phénotype) (doc. 2). 4) Décrire la diversité allélique du gène étudié au sein de la population humaine (doc. 3). Les ressources à exploiter Document de référence - Mutations et origine des allèles. Pour un gène donné, il peut exister différents allèles : à l’échelle d’une population, si le nombre de porteurs d’un même allèle est suffisamment important (supérieur à 1%), on dit que ce gène est polymorphe. Chaque allèle est issu d’une ou plusieurs modification(s) de la séquence de nucléotides d’une molécule d’ADN. On appelle mutation toute modification de la séquence d’ADN. Si la modification ne concerne qu’un ou quelques nucléotide(s), on parle de mutation ponctuelle. On distingue plusieurs types de mutations ponctuelles affectant la molécule d’ADN. L’ADN étant constitué de deux brins complémentaires, les mutations concernent les deux brins. Cependant, par souci de simplicité et de clarté, un seul brin est ici représenté. Source : Manuel Bordas SVT (2019). On peut donc caractériser une mutation en précisant sa localisation (position dans la séquence de nucléotides) et son type (insertion, délétion ou substitution). Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser et exploiter des informations permettant de caractériser des mutations. - Recenser et exploiter des informations sur la diversité allélique au sein des populations (par exemple humaine).

2ORIGINE DES MUTATIONS L’apparition d’un individu qui présente un nouveau caractère (mutant) est un phénomène rare mais observé dans de nombreuses populations. Ces modifications résultent de variations de l'information génétique appelées mutations. Certains agents physiques, comme les rayons UV, sont soupçonnés d’augmenter la fréquence de certaines mutations. Quand les preuves sont suffisantes, on les qualifie d’agents mutagènes. L'objectif On cherche à tester si l'exposition aux rayons UV influence la survie des levures et l'apparition de mutants parmi les levures ade2-. Les étapes de résolution 1) A l'aide des ressources disponibles, proposer une stratégie de résolution expérimentale permettant de tester si l'exposition aux rayons UV influence l'apparition de mutants parmi les levures ade2-. Vous devez indiquer :

Ce que vous allez faire : type de manipulation, ce qui va être observé/mesuré/traité...
Comment vous allez le faire : type de comparaison à effectuer pour conclure, paramètres qui varient ou restent constants...
Les résultats que vous attendez si les hypothèses sont valides : "si... alors on s'attend à..."

2) A l'aide du logiciel adéquat, traiter les séquences génétiques disponibles pour déterminer l'origine du phénotype des levures ade2-. Réaliser une capture d'écran correctement annotée. Accès aux séquences nucléotidiques du gène ade2 chez les levures rouges (allèle 1) et blanches (allèle 2) 3) Réaliser un comptage des différents types de colonies de levures obtenues après une semaine à l'aide du logiciel Mesurim 2. Compléter le fichier ci-dessous avec les résultats obtenus. Fichier contenant les résultats du comptage des colonies de levures après 1 semaine 4) Traiter et présenter les données numériques obtenues lors d'un comptage des colonies pour les communiquer. 5) Exploiter les résultats pour montrer que l'exposition des levures aux rayons UV augmente la fréquence des mutations (je vois que... or je sais que... donc j'en conclus que...). Les ressources à exploiter Document 1 - Le gène ade2 et la couleur des levures. Les levures sont des champignons unicellulaires, susceptibles de former des colonies. Chaque colonie est un clone issu des divisions cellulaires successives d'une unique levure et de ses descendantes. Le gène ade2 intervient normalement dans le processus de synthèse de l'adénine (une des bases azotées constituant l'ADN). L'adénine est une molécule incolore. Cependant, les levures ade2- portent l'allèle ade2- du gène ade2. Cet allèle empêche la synthèse de l'adénine et conduit à l'accumulation d'un pigment qui colore la levure en rouge. Certaines mutations, touchant le gène ade2 ou d'autres gènes, peuvent empêcher la synthèse de ce pigment : les colonies de levures sont alors blanches. Colonies de levures blanchesColonies de levures rouges (ade2-) Document 2 - L'action des rayons ultra-violets sur l'ADN. Les rayons UV induisent la formation de liaisons entre deux thymines adjacentes. Ces dimères de thymine déforment la double hélice et font barrage à la plupart des ADN polymérases lors de la réplication, induisant la mort de la cellule. Certaines ADN polymérases parviennent à les franchir, mais elles commettent des erreurs d'appariement, conduisant à des mutations. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser et exploiter des informations de recherche sur les génomes des trios (père, mère, enfant) afin de se faire un idée sur la fréquence et la nature des mutations spontanées chez l'être humain. - Recenser et exploiter des informations permettant de montrer l'influence d'agents mutagènes physiques (rayonnements) ou chimiques (molécules). - Concevoir et réaliser un protocole pour étudier l'action d'un agent mutagène (par exemple, les UV) sur la survie des cellules et l'apparition de mutants. Quantifier. - Recenser et exploiter des informations permettant de caractériser des mutations.

3RÉPARATION DES MUTATIONS La maladie des enfants de la Lune (ou xeroderma pigmentosum, abrégée XP), est une maladie génétique rare. Son nom vient du fait que les jeunes patients doivent porter des équipements contraignants afin de se protéger des rayons UV. En effet, ils sont très hypersensibles aux effets de cet agent mutagène. La mort des cellules qui en résulte provoque l'apparition de taches brunes sur la peau et l'accumulation de mutations cause la survenue de cancers de la peau. Sans protection contre les UV, la fréquence d'apparition des cancers est 4 000 fois plus élevées chez les malades. Un reportage sur la vie des "enfants de la lune" (Le magazine de la santé) L'objectif On cherche à montrer que certains systèmes enzymatiques permettent de réparer les mutations de l'ADN, puis à expliquer l'origine des symptômes des "enfants de la lune". Les ressources à exploiter Document 1 - L'effet des UV sur les cellules de la peau d'un individu sain et d'un "enfant de la lune". Des chercheurs ont reconstitué une peau "artificielle" dans des boîtes de culture, à partir de fragments de peau prélevés chez des individus témoins et chez individus malades du xeroderma pigmentosum. Ces préparations ont été exposées aux UV puis incubées avec des anticorps se fixant aux dimères de thymine et émettant une fluorescence verte. Chaque point vert correspond donc à un dimère de thymine (erreur dans l'ADN). Document 2 - Des systèmes enzymatiques réparant les mutations. Des mutations inactivant différents gènes peuvent être à l'origine du xeroderma pigmentosum. Chacun de ces gènes dirige la synthèse d'une enzyme essentielle au fonctionnement d'un système de réparation qui élimine, sur la double hélice d'ADN, un fragment d'ADN simple brin d'une trentaine de nucléotides contenant un dimère de thymine. Une ADN polymérase synthétise ensuite un fragment d'ADN qui remplace le fragment éliminé. EnzymeFonctionXPC et XPEReconnaissance de la structure spatiale anormale de l'ADN à l'endroit de la lésionXPB et XPDSéparation des deux brins de l'ADNXPAReconnaissance du brin d'ADN à réparerXPFCoupure du brin d'ADN en amont de la lésionXPGCoupure du brin d'ADN en aval de la lésionSource : Manuel SVT Belin (2019) Document 3 - Une expérience permettant de tester la capacité des cellules à réparer leur ADN. Des chercheurs ont prélevé des cellules de peau chez des individus témoins et chez des individus malades du xeroderma pigmentosum. Ces cellules ont ensuite été exposées à différentes doses d'UV, puis les chercheurs ont mesuré l'incorporation de thymine dans chacune des cellules. L'incorporation de thymine traduit ici la synthèse d'un nouveau fragment d'ADN remplaçant la zone lésée. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser et exploiter des informations permettant de mettre en évidence l'existence de systèmes de réparation des mutations.

4TRANSMISSION DES MUTATIONS A la suite d'une exposition prolongée aux rayons UV, certaines cellules de la peau accumulent des mutations. La plupart d'entre elles meurent et sont éliminées. D'autres voient leur ADN réparé par les systèmes enzymatiques de réparation. Mais il peut aussi arriver que certaines de ces cellules survivent et continuent à se multiplier. Les mutations peuvent alors être transmises... L'objectif On cherche à comprendre sous quelles conditions les mutations peuvent influencer le phénotype des individus et être transmises au fil des générations. LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION Des nouvelles mutations ont affecté des cellules des individus présents dans l'arbre ci-dessus, avant qu'ils ne se reproduisent. Indiquer, pour chacune de ces mutations : - à quelles cellules de l'individu "mutant" elle sera transmise ; - à quels individus de la famille elle sera transmise ; - sous quelles conditions elle peut avoir des effets sur le phénotype de l'individu "mutant", et sur le phénotype de sa descendance. 1) Dans une cellule de poumon de l'individu I-2 ; 2) Dans une cellule de la peau de l'individu I-3 ; 3) Dans la cellule-œuf à l'origine de l'individu II-5 ; 4) Dans une cellule germinale de l'individu II-6 ; 5) Dans une cellule germinale de l'individu II-8. 6) Dans une cellule embryonnaire de l'individu II-6. Les ressources à exploiter Document 1 - Mutations somatiques et mutations germinales. Les mutations qui affectent des cellules non sexuelles (cellules somatiques) sont qualifiées de mutations somatiques. Elles peuvent affecter le phénotype de l'individu, mais ne sont pas transmissibles à la descendance. En revanche, une mutation qui se produit dans une cellule à l'origine des gamètes (cellule germinale) est susceptible d'être transmise à la descendance (si elle aboutit à une fécondation). Si c'est le cas, elle sera présente dans toutes les cellules du nouvel individu et transmise aux générations futures. De telles mutations sont qualifiées de mutations germinales. Selon le moment et l'endroit où se produit une mutation, son impact est donc variable sur l'organisme et sur la population. Document 2 - Les effets d'une mutation sur le phénotype. Les biologistes estiment que les séquences d'ADN déterminant les caractères (les gènes) ne représentent que 3% du génome humain. Les effets d'une mutation sur le phénotype dépend donc de l'emplacement des nucléotides impactés par la mutation dans le génome.

Si la mutation touche un gène ou une séquence influençant l'expression d'un gène, la mutation peut modifier le phénotype ;
Si la mutation ne touche pas un gène ni une séquence régulant l'expression d'un gène, la mutation ne peut pas modifier le phénotype.

Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de :

Diversité des génomes et histoire de l'humanité

Transmission, variation et expression du patrimoine génétique

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

ACTIVITÉS

Diversité des génomes et parenté entre les humains

Origine et migrationsd'Homo sapiens

Des traces de sélection naturelle

Des traces de métissagesavec les Dénisoviens

Des traces de métissagesavec les Néandertaliens

CONNAISSANCES

EXERCICE

PLAN DE TRAVAIL

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

Travaux pratiques

Travaux dirigés

PLAN DE TRAVAILCHAPITRE 5Diversité des génomes et histoire de l'humanité INTRODUCTION Un échantillon de la diversité humaine exposé à la Galerie de l'Homme (Musée de l'Homme, Paris) Situé au sein du palais de Chaillot en surplomb des jardins du Trocadéro à Paris, le musée de l'Homme présente une exposition qui tente de répondre à 3 questions sur notre espèce. Qui sommes-nous ? D'où venons-nous ? Où allons-nous ? Si les données fournies par les paléoanthropologues (spécialistes des fossiles humains), les archéologues et les éthnologues (spécialistes des peuples humains) ont permis d'apporter de nombreux éléments de réponses à ces questions, l'essor de la génomique permet actuellement au paléogénéticiens de révolutionner la compréhension de l'histoire humaine récente. PROBLÉMATIQUE(S) Comment la connaissance du génome humain permet-elle de révolutionner la compréhension de l'histoire humaine récente ? ACTIVITÉS 1 - Diversité des génomes et parentés entre les humains2 - Origine et migrations d'Homo sapiens3 - Des traces de métissages d'autres espèces humaines4 - Des traces de sélection naturelle OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE / COMPÉTENCES TRAVAILLÉES Recenser, extraire et organiser des informations à partir de cartes, de tableaux, de graphiques. Traiter des séquences d'ADN pour caractériser des mutations ponctuelles. Pratiquer et construire un raisonnement scientifique pour répondre à un problème. LES MOTS-CLÉS GénomeAllèleMutationsPaléogénomiqueMigrationsMétissagesSélection naturelleAncêtre commun

CONNAISSANCESCHAPITRE 5Diversité des génomes et histoire de l'humanité INTRODUCTION Le génome est l'ensemble des séquences nucléotidiques des molécules d'ADN présentes dans les cellules d'un individu : - séquence d'ADN de chacun des chromosomes présents dans le noyau (génome nucléaire) ; - séquence d'ADN du chromosome présent dans les mitochondries (génome mitochondrial). Les techniques actuelles de la génomique permettent de connaître le génome des individus actuels, ou fossiles (dans ce cas, il faut avoir accès à des restes d'ADN fossile conservé dans certains tissus, comme les dents et les os). On peut étudier le génome d'un individu pour obtenir des informations sur : - L'individu lui-même (diagnostic génétique médical, test de filiation, généalogie, empreintes génétiques dans le cas des enquêtes policières, ...) ; - L'histoire évolutive de notre espèce (origine géographique, migrations, métissages entre populations, mutations...). PROBLÉMATIQUE(S) Comment la connaissance du génome humain permet-elle de révolutionner la compréhension de l'histoire humaine récente ? I Comparer les génomes pour identifier les individus et établir leurs relations de parenté A Les progrès du séquençage du génome humain Le séquençage d’un génome consiste à établir la séquence de nucléotides la plus complète possible des molécules d'ADN d'un individu. Le premier séquençage complet d'un génome humain a été réalisé au cours du projet "Génome humain" achevé en 2004. Durant plus de dix ans, des laboratoires du monde entier ont du mutualiser leurs travaux pour un coût total de 3 milliards de dollars. Par la suite, d'autres projets de recherche ont permis d'améliorer la connaissance de la variabilité du génome humain en séquençant des génomes provenant d'individus du monde entier. Des progrès techniques et informatiques ont depuis permis de mettre au point des séquenceurs automatiques. Aujourd'hui, il est possible de séquencer des génomes entiers en quelques heures, pour un coût de quelques milliers de dollars. B La diversité allélique au sein de l'espèce humaine permet de nous identifier Le génome humain (haploïde) compte environ 3 milliards de paires de bases et environ 20 000 gènes (qui ne représentent que 1,5 % du génome). La comparaison de génomes humains provenant du monde entier a montré que les différences entre deux individus pris au hasard sont de l'ordre de 3 millions de paires de bases. Cela peut paraître beaucoup, mais ne représente qu'une différence de 0,1% entre 2 génomes humains, ce qui représente environ 1 mutation pour 1 000 paires de bases. Cette différence génétique correspond à la diversité allélique des individus de l’espèce et explique, en partie, leur diversité phénotypique. Au sein d'un même continent, les individus sont génétiquement un peu plus proches entre eux qu'avec les individus d'autres continents, mais cette différence est très faible (ressemblance à 99,905%). Cette proximité génétique s'explique par une origine commune récente des populations humaines actuelles. Certaines mutations et combinaisons de mutations étant spécifiques d’une population donnée, elles peuvent ainsi être utilisées comme marqueurs géographiques servant à déterminer l’origine d’un individu. Notre différence génétique est faible en comparaison de celle d’espèces qui nous sont proches, y compris au sein de petites populations. Il y a plus de diversité entre deux chimpanzés d’un même clan (entre 20 et 100 individus) qu’entre deux hommes pris au hasard dans l’ensemble de la population. Arbre phylogénétique montrant les relations entre les humains et leurs plus proches parents (Gagneux, 1999, PNAS). La longueur des branches est proportionnelle aux distances génétiques entre individus. La "démocratisation" du séquençage de nos génomes soulève des questions éthiques quant aux utilisations qui pourraient être faites de ces données... Actuellement, en France, il est interdit de réaliser un test génétique sans ordonnance médicale, injonction judiciaire ou projet de recherche strictement défini sous peine d'une amende de 3 750€. C La diversité allélique au sein de l'espèce humaine permet de reconstituer nos relations de parenté A chaque génération, les génomes accumulent des mutations. Si la comparaison du génome de deux individus pris au hasard révèle une série de mutations en commun, l'explication la plus vraisemblable est que ces mutations sont héritées d'un même ancêtre qui en était porteur. Ainsi, on peut mesurer une distance génétique entre deux individus en établissant le nombre de mutations qui les séparent du génome ancestral commun le plus récent. En appliquant le principe de l'horloge molécule, connaissant le rythme d'apparition des mutations, on peut convertir ce nombre en une estimation de durée. La diversité allélique entre les génomes humains individuels permet de les identifier et, par comparaison, de reconstituer leurs relations de parenté. II Comparer les génomes pour reconstituer les principales étapes de l'histoire humaine Grâce aux techniques modernes, on peut connaître les génomes d'êtres humains disparus à partir de restes fossiles. En les comparant aux génomes actuels, on peut ainsi reconstituer les principales étapes de l'histoire humaine récente. A L'origine et les multiples migrations d'Homo sapiens ATELIER 1 : Origine et migrations d'Homo sapiens L’ÉTUDE DES HAPLOGROUPES Le chromosome mitochondrial (ADN propre aux mitochondries, hérité des mitochondries présentes dans l'ovule au moment de la fécondation) est transmis uniquement par voie maternelle (de la mère à ses enfants), tandis que le chromosome Y est transmis par voie paternelle (du père à ses fils). Sur ces chromosomes, les scientifiques ont identifiées des associations de mutations fréquentes au sein des populations humaines actuelles, appelées haplogroupes. La diversité des haplogroupes actuels s'explique par une succession de mutations dans chaque lignée depuis le chromosome ancestral commun. UNE ORIGINE UNIQUE : OUT OF AFRICA L'origine géographique du chromosome mitochondrial ancestral (appelé "Ève mitochondriale") et du chromosome Y ancestral (appelé "Chromosome Y Adam") est localisée en Afrique, vers - 200 000 ans. Ces données sont compatibles avec la localisation et l’âge des plus anciens fossiles d’Homo sapiens connus à ce jour. Cette origine africaine des humains modernes (Homo sapiens) est aussi confirmée par l'analyse de la diversité des populations humaines. En effet, lors d'une migration, les individus partant de la population d'origine sont peu nombreux et représentent une faible proportion de la diversité génétique initiale (on parle d'effet fondateur). Après quelques générations, cette sous-population présente un faible nombre d'allèles différents pour ses gènes. La diminution de la diversité génétique constatée dans les populations humaines lorsque l'on s'éloigne de l'Afrique de l'Est confirme l'hypothèse de l'origine africaine de l'humanité. DE MULTIPLES MIGRATIONS Les datations basées sur les haplotypes retrouvés en dehors d'Afrique font remonter un premier flux migratoire des humains modernes hors d'Afrique entre - 100 000 et - 50 000 ans, en concordance avec les restes fossiles. Homo sapiens a ainsi colonisé d'autres territoires : Océanie, Europe, Asie, puis plus tardivement l'Amérique (par le détroit de Béring). Carte des migrations humaines au cours des derniers 100 000 ans. B Des métissages entre Homo sapiens et d'autres espèces humaines ATELIER 2 : Des traces de génomes néandertaliens dans le génome humain ATELIER 3 : Des traces de génomes dénisoviens dans le génome humain COHABITATION : FAITES L'AMOUR, PAS LA GUERRE Lorsque les premiers humains modernes (Homo sapiens) ont migré hors d'Afrique, en Europe et en Asie, ils ont cohabité avec d'autres espèces humaines qui occupaient ces territoires :

En Europe et à l'ouest de l'Asie, des populations de Néandertaliens (Homo neanderthalensis) ont vécu de -300 000 à -37 000 ans. Le séquençage complet de génomes néandertaliens à pu être réalisé à partir de restes fossiles. La comparaison avec les génomes d'humains actuels a révélé que 1 à 3% de leur génome est présent dans les populations européennes et asiatiques actuelles. Des traces de génome d'humains modernes ont également été retrouvées dans le génome d'un néandertalien.

Les populations de Dénisoviens (Homo denisovensis) forment une autre espèce que l'on a identifiée à partir du séquençage de restes humains retrouvés dans une grotte de Sibérie. Les traces génétiques des Dénisoviens sont présentes aujourd'hui dans les génomes des populations d'Asie (1 %) et d'Océanie (jusqu'à 6% en Papouasie). Parmi les 7 restes de Dénisoviens retrouvés, l'un correspond à un hybride de première génération entre une Néandertalienne et un Dénisovien.

Il semble donc que les hybridations entre les populations humaines présentes en Europe et en Asie furent assez fréquentes. UN HÉRITAGE PARFOIS AVANTAGEUX L'analyse des allèles d'origine néandertalienne ou dénisovienne retrouvés dans les génomes d'humains actuels montre que les gènes concernés sont impliqués dans le système immunitaire, la pigmentation, le métabolisme, le cycle du sommeil ... Par exemple, il a été démontré que les mutations responsables de l'adaptation à la haute altitude des populations tibétaines ont une origine dénisovienne. D'un point de vue évolutif, il est probable que les hybridations avec ces populations "archaïques" ont enrichi les génomes des humains modernes migrants hors d'Afrique, en apportant des allèles favorables à leur survie dans ces nouveaux environnements. C Des traces de sélection naturelle ATELIER 3 : Des traces de génomes dénisoviens dans le génome humain ATELIER 4 : La tolérance au lactose à l'âge adulte ATELIER 5 : La résistance à la peste L'étude des génomes révèle que la répartition et la fréquence de certains allèles peuvent être associées à des conditions environnementales particulières, rencontrées par les formes fossiles et actuelles de l'Homme. Ces différences de fréquences d'allèles au sein de populations humaines s'expliquent par la sélection naturelle : - Des mutations ponctuelles apparaissent de façon aléatoire et sont à l'origine de nouveaux allèles ; - Si ces nouveaux allèles apportent un avantage à ceux qui les portent, leur fréquence dans la population augmente de génération en génération. RAPPELS - PRINCIPE DE LA SÉLECTION NATURELLELe principe de la sélection naturelle repose ainsi sur la sélection des allèles (et donc des caractères) les plus avantageux dans un environnement donné à un moment donné. Une pression de sélection est imposée par les contraintes du milieu de vie et celles des interactions avec les autres espèces qui y vivent. Les individus les mieux adaptés à la survie dans ce milieu sont favorisés et se reproduisent donc davantage que les autres. Les allèles avantageux seront donc transmis à la descendance et leur fréquence allélique va augmenter. LA TOLÉRANCE AU LACTOSE A L'ÂGE ADULTE La persistance de la capacité à produire de la lactase à l'âge adulte est un exemple de sélection d'un allèle porté par 30% de l'humanité. Cette enzyme permet de digérer le lait, qui est une source alimentaire de vitamine D. Cette vitamine peut aussi être produite par exposition de la peau aux rayons UV du Soleil, mais dans un contexte environnemental où la production naturelle de vitamine D est limitée (moins d'exposition au Soleil), les individus qui continuent à produire de la lactase à l'âge adulte bénéficient d'une source supplémentaire de cette vitamine. On connaît aujourd'hui plusieurs mutations différentes dans le monde qui causent la persistance de la production de lactase, ce qui montre que ce caractère est apparu plusieurs fois indépendamment au cours de l'évolution. En Europe, les premières traces de cette mutation remontent au néolithique, après l'introduction de l'agriculture, en lien avec la pratique de l'élevage. D'AUTRES EXEMPLES D'autres exemples de sélection naturelle ont été identifiés en association avec la résistance à des microorganismes pathogènes (paludisme, peste) ou encore en lien avec l'adaptation à l'environnement (pigmentation de la peau, adaptation à l'altitude, ...). Grâce aux techniques modernes, on peut connaître les génomes d'êtres humains disparus à partir de restes fossiles. En les comparant aux génomes actuels, on peut ainsi reconstituer les principales étapes de l'histoire humaine récente (métissages, migrations, ...). Certaines variations génétiques responsables de l'apparition de nouveaux caractères au cours de notre histoire résultent d'une sélection actuelle (tolérance au lactose, résistance à la haute altitude) ou passée (résistance à la peste). L'histoire humaine lue dans son génome Lexique A venir

EXERCICECHAPITRE 5Diversité des génomes et histoire de l'humanité Pratique d'un raisonnement scientifique La peste est une maladie causée par la bactérie Yersinia pestis (voir ci-contre). Transmise par des puces qui parasite principalement les rats et autres rongeurs, elle se multiplie rapidement dans l'organisme et peut entraîner la mort. Lors d'une épidémie, certains individus survivent à la maladie alors que d'autres y succombent. L'OBJECTIF A partir d'une exploitation rigoureuse des documents, montrer qu'il existe dans les génomes actuels des traces d'une sélection naturelle laissée par l'épidémie de peste survenue en Europe au Moyen-Âge. DOCUMENT 1 Les populations étudiées Les Roms représentent une entité distincte sur le plan culturel et linguistique au sein de la population roumaine (3,2 % de la population totale). Les analyses génétiques et linguistiques ont montré qu'ils sont issus d'une population du nord de l'Inde ayant migré entre le Ve et le Xe siècle pour s'établir en Roumanie vers le XIe siècle. En Roumanie, ces deux populations vivent dans le même environnement depuis un millénaire, mais restent très indépendantes de telle sorte qu'on peut exclure tout échange important d'allèles entre les deux populations. L'étude menée par les chercheurs porte sur des échantillons des deux populations roumaines et de la population indienne. Les chercheurs ont analysé le génome de volontaires :

100 personnes de population roumaine d'origine européenne ;
100 personnes de population Rom ;
500 personnes d'une population du Nord de l'Inde d'où sont originaire les Roms.

DOCUMENT 2 Fréquence de 2 allèles du récepteur TLR10 chez les 3 populations196 254 marqueurs génétiques ont été comparés et ont confirmé la grande proximité génétique entre la population Rom et la population du nord de l'Inde. Cependant, 20 gènes se sont révélés différents entre ces deux populations. Parmi ces vingt gènes, l'un est impliqué dans la pigmentation de la peau, mais plusieurs autres codent pour des protéines du système immunitaire (gènes TLR). 196 254 marqueurs génétiques ont été comparés et ont confirmé la grande proximité génétique entre la population Rom et la population du nord de l'Inde. Cependant, 20 gènes se sont révélés différents entre ces deux populations. Parmi ces vingt gènes, l'un est impliqué dans la pigmentation de la peau, mais plusieurs autres codent pour des protéines du système immunitaire (gènes TLR). Les Roms de Roumanie partagent ces allèles particuliers avec les Roumains de langue roumaine. Comme les Roms se sont peu croisés avec les autres populations européennes, les chercheurs en ont déduit que ces deux populations ont été soumises à un même facteur environnemental. La fréquence de quelques mutations localisées au niveau des gènes TLR est reportée dans le tableau ci-dessous. PopulationsFréquence de l'allèle rs4833103Fréquence de l'allèle imm_4_38475934Indiens du nord de l'Inde2 %0,7 %Roumains de langue roumaine30 %4 %Roumains de langue Rom50 %5 % DOCUMENT 3 Réponse immunitaire en présence de la bactérie Yersinia pestis pour les 3 populationsLes TLR (Toll Like Receptors) sont des protéines localisées à la surface de cellules immunitaires. Ces récepteurs sont susceptibles de reconnaître des molécules portées par des agents pathogènes et, en réponse, de produire des signaux chimiques déclenchant la réponse immunitaire. Des chercheurs ont voulu tester l'efficacité des différents allèles codant pour le récepteur TLR10. Trois groupes de volontaires ont été constitués :

Personnes homozygotes portant 2 fois l'allèle majoritaire dans la population au nord de l'Inde (A//A) ;
Personnes homozygotes portant 2 fois l'allèle surreprésenté dans les deux populations roumaines (B//B) ;
Personnes hétérozygotes portant un exemplaire de chaque allèle (A//B).

Des prélèvements de cellules immunitaires (des monocytes) portant le récepteur TLR10 ont été réalisés chez ces individus. Ces cellules ont été exposés in vitro à la bactérie Yersinia pestis et la concentration en interleukines IL-6 libérées par ces cellules a été mesurée dans le milieu de culture. Les interleukines sont des médiateurs chimiques impliqués dans le déclenchement de la réponse immunitaire. DOCUMENT 4 Diffusion de la peste noire en Europe et en Afrique du Nord entre 1347 et 1351 Venue d'Orient, la peste noire se propage dans toute l'Europe entre 1346 et 1350. On estime qu'elle a ainsi tué entre 75 et 200 millions de personnes au XIVe siècle, soit entre 30 et 50% de la population européenne de l'époque. A cette période, d'autres régions du monde comme l'Inde ont été complètement épargnées. On pense que la raison est l'incompatibilité entre le climat tropical humide de l'Inde et la survie des puces qui transmettent la maladie. La peste sévit encore actuellement dans certaines régions du monde. Écoutez une chronique de France culture pour aller plus loin : La Peste noire et la GénétiqueIl faut avoir bien conscience des ravages commis par la peste. Son effet est foudroyant: en quelques jours, le riche, le pauvre, le manant, le...France Culture

1DIVERSITÉ DES GÉNOMES ET PARENTÉ ENTRE LES HUMAINS La généalogie génétique retrace votre passé Laurent pourrait être votre frère, votre père ou un ami. Il est en tout cas féru de généalogie : depuis des années, il a reconstruit patiemment celle de sa famille. Depuis peu, toutes ses connaissances vivant aux États-Unis lui parlent de la génétique. Avec son ADN, Laurent va pouvoir retrouver des cousins éloignés. Et si ceux-ci ont retracé une partie de leur généalogie, il lui sera possible d'agréger les arbres généalogiques. Ce procédé existait déjà dans les bases de données généalogiques collaboratives : dès que deux utilisateurs se trouvaient un ancêtre commun, ils pouvaient fusionner leurs arbres généalogiques. Mais là, avec la génétique, plus besoin d'attendre qu'autrui signale une parenté. Laurent n'a qu'à comparer son ADN à celui des autres usages pour repérer un cousinage et identifier d'éventuels aïeux communs. Une révolution dans le monde de la généalogie. Grâce à nouvel outil, Laurent va prendre davantage conscience que nous sommes tous cousins. E. Heyer, L'odyssée des gènes, Flammarion (2020). L'objectif On cherche à comprendre comment on peut reconstituer des relations de parenté à partir de notre ADN. PARTIE 1 Le séquençage permet de connaître les génomes humains LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1 Expliquer dans un court texte comment a été déterminée la première séquence du génome humain. 2 Résumer les caractéristiques du génome humain révélées à l'issue des Projets Génome. Les ressources à exploiter Document 1 - La séquence du génome contient l'identité génétique. Pour connaître l’ensemble des allèles que possède un individu, il faut l’information des deux fois 3 milliards de paires de nucléotides de son génome. L’ensemble de l’information génétique contenue dans la succession des bases de l’ADN présent dans chaque cellule d’un organisme constitue son génome. Le séquençage d’un génome consiste à déterminer la totalité de cette séquence. Le premier séquençage complet du génome humain a été achevé en 2003 après 13 années de recherches impliquant une vingtaine de laboratoires dans le monde, pour un coût de 3 milliards de dollars. La séquence publiée en 2004 est en fait une mosaïque de 5 individus (anonymes, de différentes origines et des deux sexes). Elle a permis d'identifier 20 000 gènes, qui ne représentent que 1,5% de la séquence du génome. Ce projet a été suivi par le projet « 1 000 génomes » dont l’objectif était de cartographier la diversité génétique humaine en séquençant des génomes provenant de tous les continents. Les résultats publiés en 2015 montrent que les génomes de tous les humains sont identiques à 99,9% environ, soit en moyenne une mutation de différence tous les 1 000 nucléotides. Comparée aux autres espèces actuelles d’hominidés (chimpanzé, gorille, orang-outan, ...), l’espèce humaine possède la plus faible diversité génétique, ce qui témoigne d’une évolution à partir d’ancêtres communs plus récents. Document 2 - La méthode de séquençage de Sanger. En 1977, Frederick Sanger invente une méthode de séquençage de l'ADN par synthèse enzymatique. L'ADN polymérase va progressivement synthétiser un nouveau brin en utilisant des nucléotides normaux ou fluorescents. D'abord utilisée pour des petits fragments d'ADN, cette méthode sera progressivement améliorée pour gagner en rapidité et analyser des génomes entiers. Les premiers génomes entiers ont été séquencés avec la méthode de Sanger. Document 3 - Exemple de résultat obtenu après séquençage. La méthode a pu être automatisée dans des machines appelées séquenceurs analysant 1 000 séquences à la fois. Les séquences obtenues peuvent se présenter comme une succession de pics de fluorescence. L'ordre de ces pics donne la séquence. PARTIE 2 On a tous en nous quelque chose... de Charlemagne Au début, quand Laurent s'est lancé dans l'étude généalogique classique de sa famille, il a vite déchanté. Bloqué au début du XVIIIème siècle, il lui est impossible d'aller au-delà dans le passé (beaucoup de registres paroissiaux [consignant les naissances] ont été détruits à cette période, notamment sous la Révolution française. L'une de ses amies généalogistes lui confie alors qu'elle a eu plus de chance et a pu remonter parmi ses ancêtres français... jusqu'à Charlemagne. Celui-ci a eu 5 épouses légitimes et au moins 19 enfants. En 810, à son époque, la population française atteignait environ 9 millions. Pourtant, son amie est formelle : il est quasiment certain que Charlemagne se trouve aussi dans sa généalogie. Quel raisonnement a-t-elle suivi ? E. Heyer, L'odyssée des gènes, Flammarion (2020). LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1 Compléter le tableau du doc. 4 pour estimer le nombre théorique d'ascendants de chacun d'entre nous il y a 1 000, 10 000 et 100 000 ans. Sachant que la population sur Terre était d'environ 300 millions d'êtres humains en l'an 1000, discuter la validité du résultat obtenu. 2 Estimer l'âge de l'ACPR d'après le modèle mathématique proposé dans le doc. 2 (on considérera une génération tous les 25 ans). Sommes-nous les descendants de Charlemagne d'après ce modèle ? 3 Comparer cet âge avec l'âge indiqué dans le doc. 3, discuter des différences constatées. Document 1 - Calcul du nombre théorique d'ancêtres d'un individu actuel. Chacun d'entre nous a 2 parents, 4 grands-parents, 8 arrière-grands-parents, etc. Ainsi, à chaque génération, le nombre de nos ascendants est multiplié par deux. Temps (en années)1 00010 000100 000Nombre moyen de générations34Nombre théorique d'ancêtres pour un individu actuel Document 2 - L'ancêtre commun le plus récent de tous les êtres humains actuels. Il y a 40 générations, au temps de Charlemagne, nous avions tous 2 exposant 40, soit 1 000 000 000 000 ancêtres potentiels par individu. Le tout multiplié par environ 70 millions de français, si on extrapole ce résultat à toute la population. Un chiffre astronomique, à une époque où la France comptait en réalité moins de 10 millions d'habitants (contre environ 200 millions pour la planète). Qu'est-ce que cela signifie ? Une chose simple : que nos généalogies respectives partagent énormément d'ancêtres en commun. N'en déplaise aux grincheux, nous sommes tous cousins ! Ce calcul peut être réalisé à l'échelle de la planète. Nous sommes 7 milliards d'êtres humains. Or, il y a 100 ans, nous avions tous 8 ancêtres. Donc, si nos ancêtres étaient tous différents les uns des autres, il faudrait qu'il y ait aujourd'hui 7 milliards fois 8, soit 56 milliards d'humains sur la planète. Alors que nous n'étions, au début du XXème siècle, que 1 à 2 milliards ! Des modélisations mathématiques montrent que cette proximité entre les humains actuels est tout à fait probable sans remonter aux origines de l’humanité : on définit ainsi l’Ancêtre Commun le Plus Récent (ACPR) comme le premier individu que l’on retrouve dans l’arbre généalogique de tous les humains actuels en remontant dans le passé. Ce n'était pas le seul humain vivant à cette époque, et bien d'autres ancêtres l'ont précédé. Pour déterminer à quelle génération on trouve l’APCR, il faut trouver la puissance de 2 qui correspond approximativement à l’effectif de la population. Par exemple, pour une population de 1000 individus, il faudrait 10 générations environ pour trouver l'ancêtre commun le plus récent : en effet 2^10 = 1 024 = env. 1000. Document 3 - L'âge du "papi" génétique de l'humanité actuelle. Dans le modèle évoqué dans le doc. 2, la population n'est affectée par aucune migration extérieure et ne présente pas de structuration interne en sous-populations. En exploitant ce type de calcul, des chercheurs ont déterminé quand vivaient les ancêtres communs à toute l'humanité. Pour tenir compte de la géographie, ils ont construit un modèle qui divise la planète en plusieurs continents, qui échangent quelques migrants à chaque génération. Ils ont pu calculer qu'il y a à peine 5 000 ans, nous avions tous les mêmes ancêtres ! Mieux : le premier ancêtre généalogique de l'humanité daterait de seulement 3 000 ans. Le modèle semble robuste, même si l'on considère des taux de migration plus ou moins élevés entre les continents. Dès lors, nous aurions tous un premier ancêtre commun généalogique qui vivait il y a 3 000 ans. Et nous aurions tous les mêmes ancêtres il y a 5 000 ans. Encore une fois, parmi tous les humains qui vivaient il y a 5 000 ans, tous n'ont pas eu de descendants jusqu'à nos jours, mais ceux qui en ont eu sont des ancêtres de toute l'humanité. Le pourcentage de ceux qui ont des descendants jusqu'à aujourd'hui oscille selon les modèles entre 60 et 80 %. Dit autrement, si vous entriez dans un village ou une cité d'il y a 5 000 ans, la plupart des personnes que vous croiseriez seraient les ancêtres communs à toute l'humanité. E. Heyer, L'odyssée des gènes, Flammarion (2020). PARTIE 3 Les tests d'origine génétique Pour Noël, Laurent a reçu en cadeau un test d'origine. Il a prélevé sa salive en suivant les instructions, puis envoyé le petit tube par la Poste. Les résultats sont arrivés quelques semaines plus tard. On lui a appris qu'il est Européen à 100 %. LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1 A partir des documents ci-dessous, montrer que les résultats du tests corroborent l'idée que Lucas a une origine européenne. 2 Le test précise que Laurent est Italien à 25%. Pourtant, en creusant sa généalogie, il n'avait trouvé aucun ancêtre transalpin. Quatre ans plus tard, il refait le même test et, surprise, on lui annonce cette fois 2% d'Italien. En outre, une nouvelle origine apparaît dans ses résultats : il est Français à 23%. Qu'est-ce que cela signifie d'être Italien à 2% ou 25%, et pourquoi les résultats ont-ils changé ? Le travail proposé ici n’est qu’une version très restreinte de l’analyse réelle qui est faite à partir des tests ADN, qui porte sur un volume de données beaucoup important. C’est pourquoi des résultats réels proposeraient une appartenance à une population plus précise que ce que nous ferons. Document 1 - Le principe des tests d'origine génétique. Votre salive contient des cellules qui renferment de l'ADN. Quand la société qui mène le test d'origine reçoit votre ADN, elle séquence certaines portions connues pour êtres variables selon les populations humaines, et les compare à des ADN de référence. En effet, on peut trouver de nombreuses différences si on compare l’ADN de deux individus. Les variations les plus abondantes ne portent que sur un seul nucléotide et sont appelées SNP (single-nucleotide polymorphism). Elles sont le résultat de mutations ponctuelles passées. Elles peuvent être présentes dans les gènes mais aussi en dehors, et peuvent survenir dans l’ADN nucléaire ou l’ADN mitochondrial. Elles sont assez fréquentes (tous les 100 à 300 nucléotides environ) et sont relativement stables dans le temps, sur plusieurs générations. C’est pourquoi on peut les utiliser pour reconstituer des relations de parentés. Pour ce type d’étude, l’ADN mitochondrial ou celui du chromosome Y présentent l’avantage d’être moins soumis aux recombinaisons (échanges entre chromosomes). Ils racontent toutefois deux histoires complémentaires car l’ADN mitochondrial n'est transmis que par la mère (on suit une lignée maternelle) alors que le chromosome Y n’est transmis que par le père (on suit une lignée paternelle).Grâce aux progrès de l’analyse ADN, les SNP ont pu être identifiés et cartographiés, ainsi que leurs variations dans les populations. Pour cela on ne séquence pas nécessairement l’intégralité du génome mais on peut utiliser des puces à ADN, sur lesquelles chaque puits comporte un fragment d’ADN simple brin de séquence connue. L’échantillon d’ADN à analyser est coupé en fragments simple brin sur lesquels est accrochée une substance fluorescente. Au passage de l’échantillon sur la puce, les séquences complémentaires vont se lier. Les autres fragments sont lavés et éliminés. Les puits présentant une fluorescence vont indiquer les séquences présentes dans l’échantillon. Voir les 25 premières secondes de cette vidéo : Document 2 - Extraits de la séquence d'ADN mitochondrial de Lucas. Position dans la séquenceNucléotide769T1736C2706C10 400A Document 3 - SNP spécifiques pour quelques haplogroupes sur l'ADN mito-chondrial. La cartographie des SNP, précise car ils sont nombreux, permet de les utiliser comme marqueur génétique pour identifier le génotype des individus. On définit un haplotype comme un ensemble d’allèles tendant à être transmis ensemble. Un haplogroupe est un groupe d’individus qui ont la même combinaison d’allèles de SNP sur leur ADN. HaplogroupeSNP spécifiqueMG10400AAT1736CHC2706TL3C769T Convention d’écriture des SNP, exemple pour G10400A : > G est le nucléotide des individus de l'haplogroupe M. > 10 400 est la localisation du SNP dans la séquence. > A est le nucléotide des individus n'appartenant pas à l'haplogroupe. Document 4 - Carte des haplogroupes mitochondriaux. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser et exploiter des informations montrant comment a été déterminée la première séquence du génome humain. - Explorer quelques stratégies (et outils informatiques) de comparaisons de séquences entre génomes individuels. - Organiser, effectuer et contrôler des calculs.

2ORIGINE ET MIGRATIONS D'HOMO SAPIENSL’Homme anatomiquement moderne (Homo sapiens) est connu depuis près de 200 000 ans en Afrique, mais seulement depuis 45 000 ans en Europe. Les scientifiques s’interrogent donc sur la façon dont Homo sapiens est apparu et a colonisé la planète. Plusieurs scénarios ont été envisagés. REPÈRES Deux scénarios expliquant l'origine et la répartition géographique actuelle d'Homo sapiens La façon dont les hommes anatomiquement modernes (en brun foncé) ont évolué à partir de formes archaïques (en brun clair) a longtemps fait débat :

Selon le scénario du remplacement (à gauche), tous les hommes anatomiquement modernes ont une seule et même origine. En accord avec les données paléontologiques qui révèlent que les plus anciens fossiles d'Homo sapiens ont été trouvés en Afrique (Ethiopie, - 195 000 ans), l'Homme moderne serait apparu en Afrique, il y a plus de 200 000 ans. Il se serait ensuite dispersé à travers le monde en remplaçant les populations humaines archaïques présentes en Afrique et en Eurasie, sans se mélanger avec elles.
Selon le scénario de l'assimilation (à droite), les populations humaines archaïques, qui sont déjà répandues à travers le monde, ont graduellement et indépendamment évolué en Homme anatomiquement moderne. Ce scénario envisage donc l'apparition d'Homo sapiens en de multiples endroits de la planète. L'une des conséquences de ce scénario est que les populations actuelles géographiquement distinctes auraient des racines très lointaines.

Source du document : Pour la Science. L'objectif On cherche à déterminer l'origine et à reconstituer les migrations de notre espèce, Homo sapiens. LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1 Montrer que tous les Hommes modernes sont apparentés. 2 Montrer que les données génétiques valident l'hypothèse d'une origine unique et africaine d'Homo sapiens. 3 Mettre en relation la répartition des haplogroupes (carte du doc. 2) avec la reconstitution probable des migrations d'Homo sapiens (carte du doc. 4). Les ressources à exploiter Document 1 - L'apport de l'étude de l'ADN mitochondrial. La reconstitution des relations de parenté repose sur un principe simple : si les mêmes mutations ponctuelles sont retrouvées chez deux individus, on peut supposer qu'elles sont héritées d'un ancêtre commun qui possédait ces mutations. Les mitochondries sont des organites présents dans nos cellules et qui possèdent de l'ADN. Or, nos mitochondries sont toutes d'origine maternelle (elles proviennent de l'ovule et non du spermatozoïde). L'ADN mitochondrial présent dans vos cellules est nécessairement hérité de votre mère, et au-delà, de votre lignée maternelle (grand-mère maternelle, arrière-grand-mère maternelle, ...). L'étude des mutations présentes dans l'ADN mitochondrial permet de définir des parentés entre les lignées maternelles des individus du monde entier. Le logiciel Phylogène contient des bases de données, en particulier moléculaires, qui peuvent être comparées pour établir des arbres phylogénétiques. Un arbre phylogénétique est une représentation des liens de parenté entre les espèces établie à partir de la comparaison entre des séquences de mêmes molécules. Dans un arbre phylogénétique, deux individus seront d’autant plus proches que leur ressemblance moléculaire sera importante. En utilisant le logiciel Phylogène, vous allez faire apparaître un arbre phylogénétique à partir de données moléculaires issues de l’ADN mitochondrial. Ces données moléculaires sont présentées dans un tableau appelé matrice des distances, qui indique le nombre de différences entre les séquences étudiées. Ouvrir le logiciel Phylogène (depuis le bureau), puis sélectionner la collection «Homininés», OK. Puis «Fichier», «Ouvrir», «Fichier de molécules», "Lignée humaine_ADNmt". Le fichier à ouvrir est «Homo_sapiens_tous.aln». Sélectionner, dans la matrice (partie basse de la page) les individus présentés sur la carte ci-dessous. Cliquer sur «Matrice des distances», puis sur «Arbre». Document 2 - L'apport de la répartition des haplogroupes du chromosome Y. Chaque homme possède un chromosome Y, nécessairement hérité de son père et, au-delà, de sa lignée paternelle (grand-père paternel, arrière-grand-père paternel, ...). L'étude des mutations portées par le chromosome Y a permis de définir des groupes de parenté entre hommes du monde entier, appelés haplogroupes. L'étude des haplogroupes montre qu'ils sont apparentés entre eux. En supposant un taux de mutation constant, on estime leur origine commune entre 150 000 et 300 000 ans. C'est en Afrique que l'on retrouve la plus grande diversité d'haplogroupes. L'haplogroupe majoritaire en Europe est le R (l'un des nombreux sous-groupes de l'haplogroupe F), mais les études sur les ADN anciens ont montré qu'il y est apparu il y a 5 000 ans seulement, en provenance de l'est (ce qui coïncide avec l'apport des langues indo-européennes). Grâce à l'ADN mitochondrial, il est aussi possible de constituer des haplogroupes basés sur le partage de mutations de lignée maternelle. Les résultats sont concordants avec les haplogroupes Y. Document 3 - Diversité génétique des Homo sapiens en fonction de la distance à l'Afrique de l'Est. La diversité génétique peut se mesurer précisément par la fréquence d'allèles présents en deux exemplaires différents (gènes à l'état hétérozygote). Le graphique ci-dessous représente la proportion de gènes hétérozygotes chez des individus du monde entier en fonction de la distance du lieu de vie des individus par rapport à l'Afrique de l'Est. Plusieurs mécanismes peuvent diminuer la diversité génétique d'une population : difficultés rencontrées et sélection naturelle, mais aussi migrations. En effet, lorsqu'une petite population se sépare d'une population ancestrale, elle n'emporte et ne transmet qu'une fraction des allèles qui étaient présents initialement : c'est l'effet fondateur. Sources : Li et al., Worldwide Human Relationships Inferred from Genome-Wide Patterns of Variation (2008) & Henn et al., The Great Human Expansion (2012) Document 4 - Carte des principales migrations humaines. A partir du travail des paléoanthropologues (chercheurs analysant et datant les fossiles d'origine humaine) et des paléogénéticiens, on peut aujourd'hui reconstituer l'histoire probable des migrations de notre espèce (Homo sapiens) depuis les plus anciennes traces connues de notre espèce il y a environ 200 000 ans en Afrique. Accéder à la version vidéo de la carte Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser et exploiter des informations utiles. - Explorer quelques stratégies (et outils informatiques) de comparaisons de séquences entre génomes individuels. - Pratiquer et construire un raisonnement scientifique pour répondre à un problème.

SOURCES BIBLIOGRAPHIQUES L'essentiel Coll., La saga de l'humanité, Hors-série Pour la Science Coll., Qui sommes-nous ? Les nouvelles réponses de la génétique, Hors-série Pour la Science (2019). Coll., SVT 1ère, Belin (2019). Coll., SVT 1ère, Bordas (2019). Conférences du Musée de l'Homme (ex. http://www.museedelhomme.fr/fr/media-video/4240) E.-M. Geigl, Les dernières étapes de l'évolution humaine et les peuplements de l'Eurasie vus par la paléogénomique, Planet-Vie (2018) https://planet-vie.ens.fr/thematiques/evolution/lignee-humaine/les-dernieres-etapes-de-l-evolution-humaine-et-le-peuplement J.-C. Hervé, Apport de la génétique moléculaire à la connaissance de l'évolution humaine - Approche historique, Site des ressources d'ACCES pour enseigner les SVT (2018). http://acces.ens-lyon.fr/acces/thematiques/evolution/accompagnement-pedagogique/accompagnement-au-lycee/terminale-2012/un-regard-sur-levolution-de-lhomme/Vue-densemble/genetique-et-evolution-humaine J.-C. Hervé, L'ADN mitochondrial et l'origine d'Homo sapiens, Site des ressources d'ACCES pour enseigner les SVT (2019). http://acces.ens-lyon.fr/acces/thematiques/evolution/logiciels/phylogene/telechargements-enseignants/textes-de-cadrage/adn-mitochondrial#Une_nouvelle_espece_d_Homo E. Heyer, L'odyssée des gènes, Flammarion (2020) E. Lebrun, Paléos Blog - Bandes dessinées et illustrations sur la Préhistoire. (http://elebrun.canalblog.com) Diversité des génomes et parentés entre humains B. Boucher, Utiliser des données génétiques pour reconstituer l'histoire de l'humanité, Site de l'Académie de Versailles (2020). https://svt.ac-versailles.fr/spip.php?article1022#denisova&gid=1&pid=1 http://ase.tufts.edu/chemistry/hhmi/documents/Detailed_Haplogroup_Activity.pdf https://www.snpedia.com/index.php/Haplogroup_H_(mtDNA) Lavanya Rishishwar and I. King Jordan - Rishishwar L, Jordan IK. Implications of human evolution and admixture for mitochondrial replacement therapy. BMC Genomics. 2017 ;18:140. doi:10.1186/s12864-017-3539-3. https://bmcgenomics.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12864-017-3539-3, CC BY 4.0, Link Origine et migrations d'Homo sapiens Henn et al., The Great Human Expansion (2012) Li et al., Worldwide Human Relationships Inferred from Genome-Wide Patterns of Variation (2008) C.R., Sorties d'Afrique, les premières, Hominidés (2013). https://www.hominides.com/html/dossiers/sortie-d-afrique.php Des traces de métissages entre espèces humaines J.-J. Hublin, Les Dénisoviens, groupe-frère des Néandertaliens, Conférence au Musée de l'Homme, 21/11/2018. K. Prüfer, A high-coverage Neandertal genome forme Vindija Cave in Croatia, Science (2017). Salame, L'ADN néandertalien nous : quelques questions, Site des ressources d'ACCES pour enseigner les SVT (2020). S. Sankararaman et al., The Combined Landscape of Denisovan and Neanderthal Ancestry in Present-Day Humans, Cells (2016). Wu et al., Hemoglobin levels in Qinghai-Tibet: different effects of gender for Tibetans vs. Han. https://www.pourlascience.fr/sd/paleontologie-humaine/neandertal-est-en-nous-10560.php https://www.sciencesetavenir.fr/archeo-paleo/archeologie/un-gene-neandertalien-serait-lie-a-une-sensibilite-accrue-a-la-douleur-chez-l-homme-moderne_146883 Des traces de sélection naturelle dans les génomes P. Lacour, Les conséquences évolutives de changements culturels : l'exemple de la révolution néolithique, Planet-Vie (2018) https://planet-vie.ens.fr/thematiques/evolution/les-consequences-evolutives-de-changements-culturels-l-exemple-de-la > Persistance de la lactase De la faisselle "made in Chalain" il y a 5 000 ans ! http://lacustria.fr/de-la-faisselle-made-in-chalain-il-y-a-5000-ans P. Gerbault et al., Evolution of lactase persistance : an example of human niche construction, Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2011 Mar 27; 366(1566): 863–877. Coll. Lactase persistence in the Early Cultural History of Europe (LECHE), the LeCHE book "MAY CONTAIN TRACES OF MILK - Investigating the role of dairy farming and milk consumption in the European Neolithic" Salame, La génétique de la tolérance au lactose, Site des ressources d'ACCES pour enseigner les SVT (2020). http://acces.ens-lyon.fr/acces/thematiques/evolution/accompagnement-pedagogique/accompagnement-au-lycee/terminale-2012/un-regard-sur-levolution-de-lhomme/evolution-dans-la-lignee-humaine/quelques-aspects-genetiques-de-levolution-des-populations-humaines-homo-sapiens-sapiens/culture-et-selection-naturelle-au-cours-de-lhistoire-des-populations-humaines/lactase/plan-lactase > Résistance aux maladies (ex. la peste) La peste noire et la génétique, La chronique science de France Culture. https://www.franceculture.fr/emissions/la-chronique-science/la-peste-noire-et-la-genetique M. Deschamps, L. Quintana-Murci, Immunité innée et maladies chez l'homme, de l'introgression archaïque à la sélection naturelle, Médecine/Sciences, 2016. https://www.medecinesciences.org/en/articles/medsci/full_html/2016/12/medsci20163212p1079/medsci20163212p1079.html

5DES TRACES DE SÉLECTION NATURELLE Le lactose est un sucre présent dans le lait. Il ne peut être absorbé par l'intestin grêle qu'après transformation par une enzyme, la lactase. Chez les mammifères, la lactase n'est normalement produite qu'au début de la vie (jusqu'à l'âge de 6-7 ans chez l'humain). Après le sevrage, la consommation de lait provoque des troubles digestifs : en l'absence de lactase, le lactose est fermenté par les bactéries du colon, ce qui produit des gaz et des acides. Cependant, 30% des humains sont porteurs d'une mutation leur permettant de continuer à produire de la lactase tout au long de la vie, et donc de consommer du lait sans les effets secondaires de l'intolérance au lactose. Ce phénotype est appelé "Lactase Persistante" [LP]. Les autres, dits "Lactase Non Persistante" [LNP], sont intolérants au lactose : ils ne produisent plus de lactase à l'âge adulte et présentent des troubles digestifs s'ils ingèrent du lait. L'objectif On cherche à expliquer l'apparition et la fréquence élevée de la tolérance au lactose chez l'adulte dans les populations humaines récentes. LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1 Montrer que la persistance de la lactase est déterminée par un gène. 2 Déterminer si la persistance de la lactase résulte d'une mutation unique sélectionnée une seule fois, ou si plusieurs mutations sont apparues au cours de l'évolution et ont été sélectionnées indépendamment (convergence évolutive). 3 Estimer la date d'apparition de la mutation -13910T présente en Europe. 4 Rechercher des preuves corroborant l'idée qu'une sélection naturelle peut s'exercer sur ce phénotype dans certains environnements (préciser lesquels), à l'origine d'une fréquence élevée de la mutation -13910T en Europe. 5 Résumer l'histoire de la persistance de la lactase dans les populations humaines. Les ressources à exploiter Document 1 - Séquences nucléotidiques du gène responsable de la persistance de la lactase. Les études familiales ont montré que les différences phénotypiques sont héréditaires et dues à un seul gène qui a été identifié comme celui qui code la lactase. Le phénotype [LP] est dominant. Pour expliquer que des populations distinctes présentent le phénotype [LP], deux hypothèses ont été émises :

La mutation responsable du phénotype est apparue une seule fois, dans une population ancestrale commune aux populations qui présentent aujourd’hui cette mutation.
Plusieurs mutations sont apparues au cours de l’évolution et ont été sélectionnées indépendamment (convergence évolutive).

A l’aide du logiciel Geniegen 2, il est possible de comparer les séquences suivantes, impliquées dans la persistance de la lactase : Un premier fichier "Lactase.edi" à ouvrir directement avec Geniegen 2 contenant :

ADN de populations actuelles [LP] et [LNP] ;
ADN d'un chimpanzé (espèce actuelle la plus proche d'Homo sapiens).

Un second fichier "Lactase2.edi" à télécharger et à ouvrir avec Geniegen 2 contenant :

ADN de populations européennes actuelles [LP] et [LNP] ;
ADN de populations africaines actuelles [LP] et [LNP] ;
ADN de fossiles européens datés de – 8 000 ans (époque néolithique).

Document 2 - Des indices archéologiques. Au Néolithique, à partir de - 10 000 ans av. J.-C., la pratique de l’agriculture succède à un mode de vie nomade basé sur la chasse et la cueillette. Les traces archéologiques montrent que les cultures du Néolithique sont arrivées en Europe en provenance de la Mésopotamie vers - 6 000 ans av. J.-C. La carte ci-dessous présente la diffusion des cultures néolithiques à travers l'Europe. Les dates d'apparition de ces cultures sont exprimées en années av. J.-C. (BC = Before Christ). Les premières traces d'utilisation du lait connues à jour remontent à - 6 500 ans av. J.-C., chez les fermiers d'Anatolie. Elles ont été découvertes grâce à l'analyse de résidus de lait fermenté dans des poteries mises au jour près de la mer de Marmara. En Europe, les vestiges les plus anciens témoignant de cette pratique datent de - 5 000 av. J.-C. et sont constitués de faisselles (des récipients à fond perforé) exhumé en Pologne. Des chercheurs ont démontré qu'elles servaient à la fabrication des fromages, en séparant le caillé (pâte riche en protéines, lipides et calcium) et le petit lait (liquide riche en lactose). Le fragment de poterie comporte des orifices permettant d’égoutter le lait caillé et d’éliminer ainsi le petit lait. Faisselle en terre cuite néolithique Chalain (Jura)© GUENAT Pierre, Lons le Saunier, Musée d’Archéologie du Jura Document 3 - Des indices paléogénétiques. Les dents et le rocher (os de l’oreille interne) sont les organes dans lesquels l’ADN ancien est le mieux conservé. En les broyant, il est parfois possible de récupérer suffisamment d’ADN pour réaliser un séquençage complet du génome. Plusieurs études ont recherché la mutation -13910T, fréquente chez les Européens actuels, sur des squelettes datant du Néolithique. Le document ci-dessous indique le nombre de mutants LP retrouvés par rapport au nombre de génomes étudiés. Par exemple, Ötzi est une momie qui a été découverte en 1991 dans le massif de l’OtzaÏ, à la frontière Italo-Autrichienne, par un couple de randonneurs allemands. Il gisait à 3210 m d’altitude. On a pu dater sa mort à - 3 300 ans av. J.-C. L’analyse de son ADN a révélé qu’au site -13910 de la région régulatrice du gène de la lactase, il ne possédait pas la mutation LP. Document 4 - Fréquence du phénotype [LP] dans l'Ancien monde. En Europe, la fréquence du phénotype [LP] dans la population augmente du sud vers le nord pour atteindre 90% dans les pays nordiques. Il a été noté que dans ces zones, la faible exposition aux UV limite la synthèse de vitamine D et donc l’assimilation de calcium. La consommation de lait, riche en calcium, permet de contrebalancer ce déficit. Pour rappel, la plupart des mutations n'ont pas d'effets sur le phénotype. Mais dans certains cas, une mutation peut conférer un avantage aux mutations qui la portent. Selon le modèle de la sélection naturelle, si un allèle est avantageux dans un environnement donné, sa fréquence augmente de génération en génération dans la population. La carte représente, dans chaque région, la fréquence des individus adultes capables de digérer le lactose. Document 5 - Fréquence de l'allèle -13910T dans l'Ancien monde. L’identification de l’allèle -13910T au début des années 2000 résulte de recherches effectuées sur les populations européennes. Les chercheurs ont ensuite analysé le génome des individus [LP] dans les populations africaines et du Moyen-Orient où ce phénotype est assez fréquent. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et organiser des informations corroborant une sélection naturelle au sein des populations humaines. - Recenser et exploiter des informations montrant l'existence d'allèles néandertaliens dans les génomes humains actuels. - Traiter des séquences d'ADN pour caractériser des mutations ponctuelles. - Pratiquer et construire un raisonnement scientifique pour répondre à un problème.

4DES TRACES DE MÉTISSAGE AVEC LES DÉNISOVIENS Après avoir quitté l'Afrique et s'être établis au Moyen-Orient vers - 70 000 ans, les populations pionnières d'Homo sapiens vont d'abord s'aventurer loin vers l'est et atteindre l'Australie vers - 50 000 ans, en passant par l'Asie subtropicale. C'est la première grande colonisation hors d'Afrique. Lors de ce grand voyage, ces premiers sapiens ont rencontré une autre population humaine maintenant éteinte : les Dénisoviens. En 2010, dans la grotte de Denisova située dans la région de l'Altaï, dans le sud de la Sibérie, des paléoanthropologues ont découvert une extrémité de phalange appartenant à ces Dénisoviens. Dans cette grotte qui a été utilisée plus de 100 000 ans, on a trouvé différents objets, notamment des outils en pierre et des restes de bijoux qui montrent qu'elle a été occupée par des Néandertaliens et par Homo sapiens. Comment s'est déroulée cette rencontre entre ces 3 populations ? Jusqu'à récemment, seule l'archéologie pouvait nous renseigner : la chronologie des occupations et les traces matérielles suggéraient plutôt une coexistence pacifique, agrémentée de quelques échanges de culture matérielle. Mais certaines données paléogénétiques corroborent l'idée que des relations charnelles ont bel et bien eu lieu... L'objectif On cherche à montrer qu'il a existé des flux de gènes, c'est-à-dire des métissages, entre les Dénisoviens et les humains de notre espèce, Homo sapiens. LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1 Déterminer la place des Dénisoviens au sein du genre Homo : formaient-ils une population d'Homo sapiens ? Une population de Néandertaliens ? Ou étaient-ils une autre espèce à part entière ? 2 Expliquer la présence de l'allèle A1 du gène EPAS1 chez les Tibétains actuels, ainsi que son abondance dans cette population. 3 Expliquer la répartition des allèles dénisoviens dans les populations humaines actuelles à l'aide du document "Repères" ci-dessous. Les ressources à exploiter REPÈRES Carte des métissages et des migrations d'Homo sapiensL’étude paléontologique et génétique du registre fossile a montré qu’Homo sapiens est apparu en Afrique il y a quelque 200 000 ans, puis a migré vers l’Eurasie (flèches). La carte montre les aires d’expansion maximale des diverses espèces humaines archaïques. Les ellipses indiquent les régions où, d’après les indices génétiques disponibles, des métissages entre humains modernes et archaïques ont pu se produire.Source : Pour la Science. Document 1 - Comparer des séquences d'ADN et établir des liens de parenté avec le logiciel Phylogène. Ce logiciel contient des bases de données, en particulier moléculaires, qui peuvent être comparées pour établir des arbres phylogénétiques. Un arbre phylogénétique est une représentation des liens de parenté entre les espèces établie à partir de la comparaison entre des séquences de mêmes molécules. Dans un arbre phylogénétique, deux espèces seront d’autant plus proches que leur ressemblance moléculaire sera importante. L’arbre phylogénétique ci-dessous a été établi à partir de l’ADN nucléaire de différentes formes fossiles : En utilisant le logiciel Phylogène, vous allez faire apparaître un arbre phylogénétique à partir de données moléculaires issues de l’ADN mitochondrial. Ces données moléculaires sont présentées dans un tableau appelé matrice des distances, qui indique le nombre de différences entre les séquences étudiées. Ouvrir le logiciel Phylogène (depuis le bureau), puis sélectionner la collection «Homininés», OK. Puis «Fichier», «Ouvrir», «Fichier de molécules». Le fichier à ouvrir est dans le dossier "Lignée humaine_ADNmt" et se nomme «Lignee-humaine_et_Chimpanzes.aln». Sélectionner, dans la matrice (partie basse de la page) : 3 Homo sapiens (Italien1, Français, Néerlandais), 3 Néanderthaliens (NEANDERTHAL_CROATIE, VINDIJA, ELSIDRON), 1 Denisovien (DENISOVA) et un Singe Bonobo (PAN_PANISCUS). Cliquer sur «Matrice des distances», puis sur «Arbre». Document 2 - Des Dénisoviens à la résistance à l'altitude des Tibétains actuels. En 2019, une demi-mâchoire datée de 160 000 ans et appartenant à un Dénisovien a été découverte sur le plateau tibétain, à plus de 3280 mètres d’altitude. Il s’agit du plus vieux fossile humain trouvé au Tibet. La survie à très haute altitude des Dénisoviens a interrogé les scientifiques qui ont cherché à établir des relations entre ces humains fossiles et des populations actuelles soumises à ces mêmes conditions, comme les Tibétains. Lors de leur migration vers l’est, il y a environ 70 000 ans, les Homo sapiens arrivant dans l’Himalaya ont été confrontés à un environnement hostile : le manque de dioxygène altitude et le froid. Actuellement, les Tibétains vivent en permanence à une altitude comprise entre 3 000 et 4 500 mètres. Ils présentent de remarquables adaptations : ils sont capables de faire des efforts intenses et ne souffrent pas du mal chronique des montagnes, ensemble de symptômes qui apparaît lorsqu’une personne séjourne longtemps en altitude. L’apparition de ce mal chronique des montagnes est liée notamment à un taux très élevé de globules rouges (et donc d’hémoglobine) qui entraîne une plus grande viscosité du sang. Document 3 - Concentration d'hémoglobine chez les Tibétains et les Chinois Han vivant à 4 km d'altitude. La figure ci-contre renseigne sur la concentration d’hémoglobine trouvée chez les Tibétains des hauts plateaux (4 000 m) par rapport à celle de Chinois Hans qui se sont établis au Tibet aux mêmes altitudes au cours du XXe siècle. D'après Wu et al. : Hemoglobin levels in Qinghai-Tibet: different effects of gender for Tibetans vs. Han. Document 4 - Caractéristiques génétiques et sanguines de la population tibétaine actuelle. Des chercheurs se sont intéressés à un gène particulier, nommé EPAS1, dont deux allèles ont été identifiés, A1 et A2. Ce gène pourrait être associé à l’adaptation à l’altitude, en modifiant la réponse au manque de dioxygène. En dehors des Tibétains, l’allèle A1 est absent des autres populations d’Homo sapiens actuels. actuels. Génotype des TibétainsNombre de TibétainsConcentration en hémoglobine(en g/L)(A1//A1)272167,5(A1//A2)84178,9(A2//A2)10178 Document 5 - Séquence nucléotidique du gène EPAS1 chez différents individus actuels ou fossiles. Les séquences nucléotidiques du gène EPAS1 de 4 individus ont été établies par séquençage. Le fichier "EPAS1.edi" à ouvrir directement avec le logiciel Geniegen 2, contient les séquences du gène EPAS1 de ces 4 individus :

Tibétain 1 : allèle A1
Tibétain 2 : allèle A2
Néandertalien
Dénisovien

Document 6 - Proportion de génome dénisovien dans le génome de différentes populations humaines. La carte ci-dessous montre la proportion de génome d'origine dénisovienne dans le génome de différentes populations non-africaines. L'échelle de couleur n'est pas linéaire pour permettre de mieux visualiser la forte proportion de génome dénisovien en Océanie (rouge foncé) et en moindre mesure en Asie du Sud. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser et exploiter des informations sur les génomes de néandertaliens et/ou de dénisoviens. - Recenser et exploiter des informations montrant l'existence d'allèles néandertaliens dans les génomes humains actuels. - Explorer quelques stratégies et outils informatiques de comparaisons de séquences entre génomes individuels. - Pratiquer et construire un raisonnement scientifique pour répondre à un problème.

3DES TRACES DE MÉTISSAGE AVEC LES NÉANDERTALIENS Lorsque des populations d'Homo sapiens quittent l'Afrique il y a environ 70 000 ans, l'Eurasie n'est en rien vide de tout être humain. Une autre espèce occupe ce vaste territoire de l'Espagne à la Mongolie, depuis plusieurs centaines de milliers d'années : l'Homme de Néandertal. Celui-ci serait un descendant d'une autre espèce sortie d'Afrique vers - 700 000 ans, soit plus de 600 000 ans avant sapiens. Arrivé au Moyen-Orient, sapiens rencontre cet autre Homme. Le portrait-robot de Néandertal ? Il est légèrement plus petit, plus robuste, avec un plus grand cerveau. Il enterre ses morts, produit des outils sophistiqués, est un chasseur expérimenté et vit en groupe. Comment s'est déroulée cette rencontre entre sapiens et Néandertaliens ? Jusqu'à récemment, seule l'archéologie pouvait nous renseigner : la chronologie des occupations et les traces matérielles suggéraient plutôt une coexistence pacifique, agrémentée de quelques échanges de culture matérielle. Mais certaines données paléogénétiques corroborent l'idée que des relations charnelles ont bel et bien eu lieu... D'après E. Heyer, L'odyssée des gènes, Flammarion (2020). L'objectif On cherche à montrer qu'il a existé des flux de gènes, c'est-à-dire des métissages, entre les Néandertaliens et les humains de notre espèce, Homo sapiens. LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1 Argumenter l'idée que les Néandertaliens forment une espèce distincte d'Homo sapiens. 2 Trouver des arguments en faveur d'un métissage entre les Néandertaliens et les humains anatomiquement modernes. 3 Présenter quelques exemples d'allèles néandertaliens présents dans le génome des humains actuels. Les ressources à exploiter REPÈRES Carte des métissages et des migrations d'Homo sapiensL’étude paléontologique et génétique du registre fossile a montré qu’Homo sapiens est apparu en Afrique il y a quelque 200 000 ans, puis a migré vers l’Eurasie (flèches). La carte montre les aires d’expansion maximale des diverses espèces humaines archaïques. Les ellipses indiquent les régions où, d’après les indices génétiques disponibles, des métissages entre humains modernes et archaïques ont pu se produire. Source : Pour la Science. Document 1 - Le premier échantillon de l'Homme de Néandertal. Vallée de Néander, août 1856. Des ouvriers se livrent à des travaux dans une carrière située à une dizaine de kilomètres de Düsseldorf, en Allemagne. Soudain, des ossements d'apparence humaine jaillissent dans les halos des lampes. Johann Carl Fuhlrott, un instituteur passionné d'histoire naturelle, est dépêché sur place. Il saisit vite tout l'intérêt que représentant ces os et ce fragment de crâne. Les semaines suivantes, après avoir poursuivi les fouilles, il proclamera que ces vestiges très anciens appartiennent à un être primitif, totalement différent de nous. Comment, une autre espèce humaine que la nôtre ? Balivernes ! A l'époque, beaucoup crient à la supercherie, ou bien ne veulent voir dans cette pauvre créature qu'un humain mal formé. L'Homme de Néandertal, baptisé d'après le site, ne trouvera sa place au sein de la grande histoire de l'Homme qu'après la découverte de multiples spécimens à l'anatomie identique, un peu partout en Europe. Par un étrange hasard, le toponyme Néandertal signifie "vallée de l'Homme nouveau". E. Heyer, L'odyssée des gènes, Flammarion (2020). Document 2 - Les apports de la paléogénomique. Une équipe de chercheurs allemands dirigée par Svante Pääbo, de l'Institut Max-Planck d'anthropologie évolutionniste à Leipzig, a réalisé en 2010 une prouesse technique en parvenant à séquencer l'ADN nucléaire de fossiles néandertaliens. Avec des conclusions stupéfiantes. Svante Pääbo et ses collègues ont comparé l'ADN de ces Néandertaliens à ceux des Hommes modernes. Résultat : nous leur sommes similaires à 99,87% ! Deux humains pris au hasard dans la population étant semblables à 99,9% (soit une différence génétique pour mille nucléotides), nous entretenons donc une étroite proximité génétique avec l'Homme de la vallée de Néander. Un humain actuel a donc seulement 0,13% de différence avec un Néandertalien. Il est fascinant que si peu de différences génétiques produisent deux espèces que l'on peut clairement identifier [par exemple, le crâne de Néandertal est allongé comme un ballon de rugby, avec des bourrelets saillants au-dessus des yeux, une mâchoire inférieure qui tombe vers l'intérieur - c'est-à-dire une absence de menton]. E. Heyer, L'odyssée des gènes, Flammarion (2020). Document 3 - Comparer des séquences d'ADN et établir des liens de parenté avec Phylogène. Ce logiciel contient des bases de données, en particulier moléculaires, qui peuvent être comparées pour établir des arbres phylogénétiques. Un arbre phylogénétique est une représentation des liens de parenté entre les espèces établie à partir de la comparaison entre des séquences de mêmes molécules. Dans un arbre phylogénétique, deux espèces seront d’autant plus proches que leur ressemblance moléculaire sera importante. L’arbre phylogénétique ci-dessous a été établi à partir de l’ADN nucléaire de différentes formes fossiles : En utilisant le logiciel Phylogène, vous allez faire apparaître un arbre phylogénétique à partir de données moléculaires issues de l’ADN mitochondrial. Ces données moléculaires sont présentées dans un tableau appelé matrice des distances, qui indique le nombre de différences entre les séquences étudiées. Ouvrir le logiciel Phylogène (depuis le bureau), puis sélectionner la collection «Homininés», OK. Puis «Fichier», «Ouvrir», «Fichier de molécules». Le fichier à ouvrir est dans le dossier "Lignée humaine_ADNmt" et se nomme «Lignee-humaine_et_Chimpanzes.aln». Sélectionner, dans la matrice (partie basse de la page) : 3 Homo sapiens (Italien1, Français, Néerlandais), 3 Néanderthaliens (NEANDERTHAL_CROATIE, VINDIJA, ELSIDRON), 1 Denisovien (DENISOVA) et un Singe Bonobo (PAN_PANISCUS). Cliquer sur «Matrice des distances», puis sur «Arbre». Document 4 - De l'ADN néandertalien dans le génome des populations actuelles. On a pu localiser dans les génomes d'humains actuels des portions de génome correspondant au génome de Néandertal. La carte (A) représente le pourcentage d'ADN néandertalien retrouvé dans différentes populations d'Homme moderne (0.010 correspond à 1%). Le graphique (B) représente le résultat de la comparaison de l'ADN de populations actuelles (Mélanésien, Européen, Asie du Sud et Asie de l'Est) avec l'ADN de plusieurs fossiles de Néandertaliens, l'un trouvé dans une grotte de l'Altaï en Sibérie (Asie), l'autre dans la grotte de Vindija en Croatie (Europe). Les chercheurs ont ainsi pu estimer le nombre de bases (1 Mb = 1 million de bases) provenant de Néandertaliens dans l'ADN des populations humaines actuelles. Un article de la revue Pour la Science sur le sujet : Néandertal est en nousD'après les premières analyses de son génome, l'homme de Néandertal ( Homo neanderthalensis) n'a pas contribué au patrimoine génétique de l'homme...Pourlascience.fr Document 5 - Des allèles hérités de Néandertal. Il existe quelques cas où la version du gène venue de Néandertal s'est avérée bénéfique. On ne sait pas exactement comment ces versions du gène ont été utiles, ni quels avantages adaptatifs elles ont pu fournir. On constate néanmoins que, parmi les gènes reçus de Néandertal, certains sont impliqués dans la kératine (la molécule des cheveux et des poils), d'autres sont connus pour être impliqués dans le système immunitaire, et d'autres encore dans le métabolisme, car connus pour être impliqués dans certaines formes de diabète. Une hypothèse serait que nous avons conservé des gènes qui permettaient à Néandertal d'être adapté à son environnement, que ce soit le froid, le faible ensoleillement, les pathogènes. Cette bénédiction Néandertal aurait conféré à des sapiens une capacité accue à supporter le froid et le moindre ensoleillement qui sévissaient aux hautes latitudes de l'Europe, ainsi qu'une meilleure résistance aux pathogènes. Pour avoir lui-même vécu plusieurs centaines de milliers d'années en Eurasie, Néandertal avait eu le temps de s'adapter par sélection naturelle à cet environnement éprouvant, radicalement autre que le climat d'Afrique d'où débarquait sapiens. L'individu porteur de cette portion d'ADN avantageuse a mieux survécu que ses confrères qui en étaient dépourvus, s'est mieux reproduit. Et, au fil des générations, ce bout d'ADN venu de Néandertal s'est transmis chez tous les sapiens vivant sur le continent européen. E. Heyer, L'odyssée des gènes, Flammarion (2020). Un article de la revue Science & Avenir sur le sujet : Un gène néandertalien serait lié à une sensibilité accrue à la douleur chez l'Homme moderneVous sentez-vous particulièrement sensible à la douleur ? C'est peut-être à cause de vos racines néandertaliennes ! C'est en tout cas ce que suggère...Sciences et Avenir Document 6 - Fréquence des allèles néandertaliens et sapiens de trois gènes TLR dans différentes populations. On a évalué, pour 3 gènes impliqués dans l'immunité, la fréquence des allèles d’origine néandertalienne pour différentes populations. Ces allèles d’origine néandertalienne sont associés à une résistance plus importante aux pathogènes. On suppose que les Néandertaliens étaient adaptés aux pathogènes locaux qu'ils rencontraient. Les fréquences des haplotypes néandertaliens sont représentées en orange et celles des haplotypes des sapiens en bleu. Légendes : ACB : Afro-Caribéens de la Barbade ; ASW : Afro-Américains du Sud-Ouest des États-Unis ; BEB : Bengalis (Bengladesh) ; CDX : Chinois Dai de Xishuangbanna (Chine) ; CEU : résidents de l’Utah d’origines d’Europe du Nord et de l’Ouest ; CHB : Chinois Han de Pékin (Chine) ; CHS : Chinois Han du Sud (Chine) ; CLM : Colombiens de Medellin (Colombie) ; ESN : Esan (Nigéria) ; FIN : Finlandais (Finlande) ; GBR : Britanniques (Angleterre et Écosse) ; GIH : Indiens Gujarati de Houston (États-Unis) ; GWD : Gambiens de la division de West Coast (Gambie) ; IBS : Ibériques (Espagne) ; ITU : Indiens Télugus (Royaume-Uni) ; JPT : Japonais de Tokyo (Japon) ; KHV : Kinh de Hô-Chi-Minh-Ville (Vietnam) ; LWK : Luhya de Webuye (Kenya) ; MSL : Mende (Sierra Leone) ; MXL : résidents de Los Angeles d’origines Mexicaines (États-Unis) ; PEL : Péruviens de Lima (Pérou) ; PJL : Pendjabis de Lahore (Pakistan) ; PUR : Portoricains (Porto Rico) ; STU : Tamil du Sri Lanka (Royaume-Uni) ; TSI : Toscans (Italie) ; YRI : Yoruba d’Ibadan (Nigéria). Source : M. Deschamps, L. Quintana-Murci, Immunité innée et maladies chez l'homme..., Médecine/Sciences, 2016 Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser et exploiter des informations sur les génomes de néandertaliens et/ou de dénisoviens. - Recenser et exploiter des informations montrant l'existence d'allèles néandertaliens dans les génomes humains actuels. - Explorer quelques stratégies et outils informatiques de comparaisons de séquences entre génomes individuels. - Pratiquer et construire un raisonnement scientifique pour répondre à un problème.

La structure interne du globe

Structure et dynamique interne de la Terre

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

ACTIVITÉS

Un contraste géologique entre océans et continents

L'apport des données sismologiques

CONNAISSANCES

EXERCICES

La distinction entre lithosphère et asthénosphère

Les modes de transferts de chaleur au sein du globe

PLAN DE TRAVAIL

L'apport des donnéesthermiques

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

II – L’apport des données sismologiques à la connaissance de la structure interne du globe Les observations réalisées en surface (données directes) ne permettent que de connaître la surface du globe. Par exemple, le forage russe de Kola, le plus profond, a atteint 12 262 m de profondeur, une éraflure sur la Terre… Le recours à des données indirectes, comme les données sismologiques, est donc nécessaire pour affiner la compréhension de la structure interne plus profonde du globe. LE PROBLÈME : Comment les données fournies par l’étude de la propagation des ondes sismiques ont-elles permis de construire un modèle sismique de la structure interne de la Terre ? A | Les séismes, des sources d'informations pour les sismologues 1) Les séismes, une libération brutale d’énergie sous forme d’ondes sismiques Soumises à des contraintes (forces qui s’appliquent à leur surface), les roches accumulent lentement de l’énergie. Au-delà d’un certain seuil de contraintes, la rupture des roches intervient le long d’une faille et libère brutalement l’énergie emmagasinée, provoquant un séisme. L’énergie est libérée au niveau du foyer sismique sous forme d’ondes sismiques, des vibrations de la matière qui se propagent dans toutes les directions de l’espace. 2) Différents types d’ondes sismiques, aux propriétés différentes Lors d’un séisme, les vibrations du sol peuvent être enregistrées par des appareils nommés sismographes. Les enregistrements obtenus, les sismogrammes, montrent l’existence de différents types d’ondes sismiques. Seules les ondes de volume sont capables de se propager en profondeur à travers le globe. On distingue :

Les ondes P arrivent les premières et se propagent dans les milieux solides et liquides.
Les ondes S arrivent ensuite et se propagent uniquement dans les milieux solides.

Remarque : Plus tardives, les ondes de surface sont les plus destructrices, mais comme elles ne se propagent pas en profondeur elles n’apportent pas d’informations sur la structure profonde de la Terre. Le trajet et la vitesse de propagation des ondes de volume dépendent des propriétés du milieu traversé. Leur étude nous renseigne donc sur la structure interne de la Terre. - Leur vitesse dépend par exemple de la densité du milieu traversé. Ainsi, la tendance à l’augmentation de la vitesse des ondes sismiques avec la profondeur montre que la densité augmente progressivement à l’intérieur du globe. A l’inverse, le ralentissement des ondes témoigne de la présence d’un milieu moins dense, plus visqueux voire liquide. - Leur trajet dépend des discontinuités rencontrées, c’est-à-dire des interfaces entre milieux aux propriétés physico-chimiques différentes. Au niveau de ces discontinuités, les ondes sismiques sont déviées par réflexion ou réfraction. Ainsi, l’existence d’une zone d’ombre sismique en profondeur témoigne de l’existence d’une discontinuité au niveau de laquelle les ondes sismiques sont déviées. B | Le modèle PREM, un modèle de la Terre interne construit à partir des données sismiques 1) Construction du modèle PREM à partir des données sismiques En 1981, Dziewonski et Anderson exploitent les données issues de multiples travaux de recherche (étude de nombreux sismogrammes, données de physique expérimentale, calculs, …) pour proposer un modèle sismique appelé PREM (Preliminary Reference Earth Model). Ce modèle est un profil d’évolution de la vitesse de propagation des ondes sismiques et de la densité en fonction de la profondeur à l’intérieur du globe. 2) Le PREM, un modèle sismique de la structure interne de la Terre a - Une distinction entre croûte, manteau, noyau basée sur des différences de compositions chimiques L’interprétation du modèle PREM permet de proposer un découpage de la Terre en 3 enveloppes concentriques principales, aux propriétés physico-chimiques distinctes, délimitées par des discontinuités. Dans le modèle, elles sont marquées par des sauts importants de la vitesse de propagation des ondes sismiques. - En 1909, Mohorovicic observe sur un sismogramme l’arrivée de deux trains d’ondes P successifs décalés dans le temps. Il interprète cela en introduisant dans le modèle une discontinuité, sur laquelle les ondes P ont été réfléchies, à l’origine du second train d’ondes. Cette discontinuité, appelée discontinuité de Mohorovicic (ou Moho), représente la limite entre la croûte et le manteau. Dans le modèle PREM, elle est marquée par une augmentation brusque de la vitesse de propagation des ondes P et S, vers 30 km de profondeur sur croûte continentale et vers 7 km sur croûte océanique. Croûte continentale et croûte océanique n’ont donc pas la même épaisseur. - Dès 1912, Gutenberg a mis en évidence une zone d’ombre sismique : entre 105° et 143° de distance angulaire à l’épicentre, aucune onde P n’est enregistrée. Il l’a expliqué en introduisant dans le modèle une seconde discontinuité majeure à 2 900 km de profondeur, séparant deux milieux aux vitesses de propagation très différentes. Cette discontinuité, appelée discontinuité de Gutenberg, représente la limite entre le manteau et le noyau. Dans le modèle PREM, elle est marquée par une diminution brusque de la vitesse de propagation des ondes sismiques. b-Une distinction noyau externe/noyau interne basée sur une différence d’état physique (liquide/solide) En 1936, Lehmann découvre que la zone d’ombre sismique n’est pas entièrement « muette » : on y observe en fait, bien plus tard après le déclenchement du séisme, l’arrivée d’ondes P très faibles. Lehmann l’a expliqué en introduisant dans le modèle une troisième discontinuité au sein du noyau, qui réfléchit en partie les ondes P. Nommée discontinuité de Lehmann, elle représente la limite entre le noyau externe et le noyau interne (graine). Elle est située à 5 100 km de profondeur. Le modèle PREM indique que les ondes S ne sont pas transmises au sein du noyau externe. Or les ondes S ne se propagent que dans les milieux solides. Le noyau terrestre comprend donc un noyau externe, liquide, et un noyau interne, solide. c-Une distinction lithosphère/asthénosphère basée sur une différence de comportement mécanique Dans le modèle PREM, la vitesse de propagation des ondes P et S diminue progressivement vers 100 km de profondeur, c’est la Low Velocity Zone (LVZ). La LVZ sépare l’asthénosphère (partie inférieure du manteau supérieur qui a un comportement mécanique ductile) et la lithosphère (ensemble de la croûte et de la partie supérieure du manteau supérieur, qui a un comportement mécanique cassant). La LVZ est située à des profondeurs différentes au niveau de la lithosphère océanique et de la lithosphère continentale. La lithosphère océanique et la lithosphère continentale n’ont donc pas la même épaisseur. UN BILAN POUR MIEUX RETENIR EN ROUTE VERS LE BAC > Mots-clés à savoir définir : Séisme – Contraintes – Foyer sismique – Ondes sismiques – Réflexion – Réfraction – Zone d’ombre – Modèle PREM. - Asthénosphère : Partie inférieure du manteau supérieur, caractérisée par un comportement ductile. - Comportement cassant (ou rigide) : Se dit d'un matériau qui se déforme en cassant, la rupture générant des ondes sismiques. - Comportement ductile : Se dit d'un matériau qui se déforme sans se casser, ne générant pas d'ondes sismiques. - Croûte : Enveloppe la plus superficielle du globe, pouvant être de nature continentale ou océanique (voir bilan 1). - Discontinuité : Surface séparant deux milieux ayant des propriétés différentes (différences de compositions chimiques ou d'états physiques). Il existe trois discontinuités majeures dans la Terre : la discontinuité de Mohorovicic (limite entre la croûte et le manteau, située à 30 km sous les continents, 7 km sous les océans), la discontinuité de Gutenberg (limite entre le manteau et le noyau, située à 2900 km de profondeur) et la discontinuité de Lehmann (limite entre le noyau externe et le noyau interne, située à 5100 km de profondeur). - Lithosphère : Ensemble formé par la croûte et la partie supérieure du manteau supérieur, caractérisée par un comportement cassant. Son épaisseur moyenne est de 100 km, elle est séparée de l'asthénosphère par la LVZ. - LVZ (Low Velocity Zone) : Zone marquée par une diminution progressive de la vitesse des ondes simiques, témoignant de la présence d'un matériau plus ductile. - Manteau : Enveloppe intermédiaire du globe entre la croûte (limitée par la discontinuité de Mohorovicic) et le noyau (limité par la discontinuité de Gutenberg), entièrement solide. - Noyau : Enveloppe la plus profonde du globe, dont la partie externe est liquide et la partie interne solide. Le noyau est différencié du manteau par la discontinuité de Gutenberg (2900 km de profondeur), et le noyau externe est différencié du noyau interne par la discontinuité de Lehmann (5100 km de profondeur). > Je dois être capable de : Expliquer l’apport des données fournies par l’étude des séismes à la connaissance de la structure interne du globe. > Exercices d’entraînement : - Réaliser un schéma de la structure interne de la Terre en exploitant le modèle PREM. ~~~ Télécharger cette fiche au format .pdf ~~~

III – Des hétérogénéités thermiques au sein du manteau terrestre Le modèle sismique PREM n’envisage des variations de la vitesse de propagation des ondes sismiques qu’en fonction de la profondeur. Il repose donc sur l’hypothèse que la Terre interne présente une symétrie radiale : à une profondeur donnée, la vitesse des ondes sismiques y est considérée identique en tout point. LE PROBLÈME : Comment d’autres données sismiques ont-elles permis de révéler la présence d'hétérogénéités thermiques au sein du manteau, permettant ainsi d’affiner les modèles de la structure interne de la Terre ? A | Des foyers sismiques profonds au voisinage des fosses océaniques Au voisinage des fosses océaniques, les foyers sismiques s’alignent le long d’un plan jusqu’à 600 km de profondeur. Or les séismes reposent sur la rupture de roches qui doivent être cassantes, rigides. Ce plan, dit de Wadati-Benioff, est donc interprété comme la trace de lithosphère rigide et cassante au sein de l’asthénosphère, plus ductile et plus chaude. B | Des anomalies de la vitesse de propagation des ondes sismiques La tomographie sismique est une technique comparant le temps d’arrivée réel des ondes sismiques lors d’un séisme avec le temps d’arrivée calculé en considérant les vitesses de propagation prévues par le modèle PREM. Elle révèle l'existence de zones où la vitesse des ondes est différente de celle prédite par le modèle PREM. Ces anomalies de vitesse sismiques (par rapport au modèle PREM) sont interprétées comme des hétérogénéités thermiques au sein du manteau : - Au voisinage des fosses océaniques, les ondes sismiques se propagent plus rapidement que ne le prévoit le modèle PREM à une profondeur donnée. Les scientifiques interprètent cette anomalie positive de la vitesse des ondes sismiques par la présence de lithosphère froide au sein de l’asthénosphère plus chaude au voisinage des fosses océaniques ; - En-dessous des points chauds, les ondes sismiques se propagent plus lentement que ne le prévoit le modèle PREM à une profondeur donnée. Les scientifiques interprètent cette anomalie négative de la vitesse des ondes sismiques par la présence de matériau plus chaud au sein de l’asthénosphère. L’étude des écarts à un modèle construit a donc permis d’affiner la compréhension de la structure sismique et thermique du globe. Elle a permis de passer d’un modèle à une dimension (le modèle PREM) à des modèles 3D (qui intègrent des hétérogénéités thermiques au sein du manteau). Toutefois, les écarts constatés avec le modèle PREM sont minimes, de quelques % au plus, ce qui le rend toujours utilisable au premier ordre. UN BILAN POUR MIEUX RETENIR EN ROUTE VERS LE BAC > Mots-clés à savoir définir : Tomographie sismique - Anomalie de vitesse sismique - Hétérogénéité thermique. > Je dois être capable de : Expliquer comment certaines données sismiques ont permis de montrer l'existence d'hétérogénéités thermiques au sein du manteau. > Exercices d’entraînement : - Exercice sur les zones de subduction de la ceinture de feu du Pacifique. - Réaliser et interpréter à l’écrit des profils de tomographie sismique sur Tectoglob3D. ~~~ Télécharger cette fiche au format .pdf ~~~

IV – L'apport des données thermiques à la connaissance de la structure interne du globe D’autres données indirectes, les données thermiques (relatives à la chaleur et à la température), ont également permis d’affiner la compréhension de la structure interne plus profonde du globe. Elles ont notamment permis d’expliquer la présence d’hétérogénéités thermiques au sein du manteau. LE PROBLÈME : Comment le croisement de différentes données a-t-il permis de construire et d’interpréter un modèle thermique de la structure interne de la Terre ? A | Le géotherme, un modèle thermique de la Terre construit en croisant différents types de données Le géotherme est un modèle représentant l’évolution de la température en fonction de la profondeur. Sa construction a nécessité le croisement de différents types de données. 1) Mesures directes de la température en surface En surface, il peut être déterminé en mesurant la température dans des mines, ou lors des forages. Les résultats sont variés, mais une augmentation de la température avec la profondeur de 30°C/km (gradient géothermique) semble être la moyenne dans la croûte continentale. 2) Estimation de points d'ancrage en profondeur En profondeur, il n’est plus possible de mesurer directement la température. Si le gradient géothermique calculé dans la croûte était le même au sein du manteau, la température devrait être de 3 000°C (30 x 100) à la base de la lithosphère, et de 30 x 6400 soit 192 000°C au centre de la Terre. C’est incohérent avec les données sismiques qui montrent que la Terre est solide… Le croisement de différents types de données (expériences de minéralogie réalisées en laboratoire, profil d’évolution de la vitesse des ondes sismiques fourni par le modèle PREM) a permis d’estimer la température qu’il fait à certaines profondeurs. Les scientifiques ont ainsi obtenu des points d’ancrage du géotherme, qu’ils ensuite reliés grâce à des calculs. Ainsi, la température est estimée à environ 3 000°C à la base du manteau et à environ 5000°C au cœur du noyau. Le géotherme présente donc un gradient géothermique beaucoup plus élevé pour la lithosphère (10 à 30°C/km) que pour le reste du manteau (0,3°C/km). Comment l’expliquer ? L'explication dans le prochain bilan ! UN BILAN POUR MIEUX RETENIR EN ROUTE VERS LE BAC > Mots-clés à savoir définir : Géotherme - Gradient géothermique. > Je dois être capable de : - Expliquer comment le croisement de différents types de données a permis de construire le géotherme, modèle thermique de la Terre. - Décrire le géotherme et calculer les gradients géothermiques des différentes enveloppes internes de la Terre - Exploiter les diagrammes de phases pour estimer la température et la pression à laquelle une phase minérale est stable. > Exercices d’entraînement : - (Re)faire les différents ateliers de la séance pour travailler sur les diagrammes de phases. - Expliquer comment les scientifiques ont construit le géotherme, modèle de l'évolution de la température à l'intérieur de la Terre. - Calculer les gradients géothermiques des différentes enveloppes internes de la Terre (pour maîtriser la formule). ~~~ Télécharger cette fiche au format .pdf ~~~

IV – L'apport des données thermiques à la connaissance de la structure interne du globe (suite et fin) B | Différents modes de transferts de chaleur au sein du globe La chaleur interne de la Terre, principalement produite par la désintégration d’isotopes radioactifs contenus dans le manteau, est transférée en surface par différents mécanismes. 1) La conduction, un mode de transfert thermique peu efficace La conduction est un mode de transfert de chaleur sans mouvement macroscopique de matière. La chaleur est conduite de proche en proche, par des vibrations atomiques. C’est un mode de transfert de chaleur peu efficace ; les systèmes conductifs ont donc un gradient géothermique élevé (fort écart de température entre la base et le haut du système). 2) La convection, un mode de transfert thermique très efficace La convection est un mode de transfert de chaleur qui s’accompagne de mouvements macroscopiques de matière. La matière chaude étant moins dense que la matière froide, elle va avoir tendance à remonter dans le système ; la matière froide va avoir tendance à plonger dans le système. C’est un mécanisme de transfert thermique très efficace ; les systèmes convectifs ont donc un gradient géothermique faible (faible écart de température entre la base et le haut du système). 3) Conduction et convection au sein des enveloppes internes de la Terre Par le calcul, les scientifiques estiment que la lithosphère est trop fine et trop rigide pour être animée de mouvements de convection, elle ne peut que conduire la chaleur. En revanche, le reste du manteau (asthénosphère et manteau inférieur) est suffisamment épais et ductile pour être animé de mouvements de convection. Le modèle thermique qu’est le géotherme montre ainsi un gradient géothermique 100x plus élevé dans la lithosphère que dans le reste du manteau, insistant sur un transfert thermique par convection dans celui-ci, beaucoup plus efficace ! UN BILAN POUR MIEUX RETENIR EN ROUTE VERS LE BAC > Mots-clés à savoir définir : Conduction - Convection - Gradient géothermique. > Je dois être capable de : - Comparer les deux modes de transferts thermiques (principe, efficacité, gradient thermique, couches du globe concernées). - Réaliser et exploiter une modélisation analogique pour étudier les modes de transferts thermiques. > Exercices d’entraînement : ? ~~~ Télécharger cette fiche au format .pdf ~~~

Travaux pratiques

Travaux dirigés

PLAN DE TRAVAILCHAPITRE 1La structure interne du globe Un modèle de référence Source : http://www.seajester.eq8r.net/ L'observation de la carte topographique mondiale montre qu'au premier ordre, la surface de la Terre est dominée par deux grands ensembles géologiques : les plaines continentales (altitude moyenne : 300 m) et les plaines abyssales (profondeur moyenne : 4 500 m). Océans et continents sont néanmoins parcourus par de nombreuses irrégularités de reliefs, tantôt positives (dorsales océaniques, chaînes de montagnes, volcans, ...), tantôt négatives (fosses océaniques, rifts ou fossés d'effondrement, ...). Mais si la surface des continents est plutôt bien connue, il en va différemment des fonds océaniques, dont l'exploration nécessite des moyens techniques onéreux et limités... On entend d'ailleurs souvent dire qu'on connaît mieux la surface de la Lune que le fond de nos océans... Et que dire de l'intérieur de notre planète, dont le plus profond forage réalisé à ce jour a péniblement franchi les 12 km de profondeur, avant d'être abandonné ? Face aux limites des méthodes d'exploration directe, les scientifiques ont dû mettre au point des méthodes "indirectes" pour améliorer notre connaissance de la structure interne de notre planète, et pour pouvoir en proposer un modèle cohérent. Ce modèle, en perpétuelle évolution, doit rendre compte de l'ensemble des données acquises par la communauté mondiale des géologues. Problématique(s) Comment les données des géosciences permettent-elles de construire un modèle scientifique de la structure interne de la Terre ? Activités 1 - Un contraste géologique entre continents et océans 2 - Les apports des données sismologiques 3 - La distinction entre lithosphère et asthénosphère 4 - Les apports des données thermiques 5 - Les modes de transferts de chaleur au sein du globe Compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Mettre en relation des cartes et/ou des logiciels de visualisation des reliefs avec la courbe de distribution bimodale des altitudes terrestres. - Utiliser la carte de France au millionième pour identifier la répartition des principaux types de roches sur le territoire. - Observer des roches des croûtes océanique et continentale pour les comparer. - Proposer et mettre en œuvre un protocole pour mesurer la densité de roches. - Traiter des données sismologiques à l'aide de logiciels. - Mettre en œuvre un modèle analogique/numérique pour étudier la propagation des ondes en profondeur et comprendre l'origine des zones d'ombre. - Utiliser des profils de vitesse et de densité du modèle PREM pour établir la structure interne de la Terre. - Analyser le résultat de différentes méthodes pour identifier le plan de Wadati-Benioff. - Montrer l'existence d'hétérogénéités thermiques dans le manteau par des données de tomographies sismiques, tout en attirant l'attention sur l'amplitude des variations par rapport au modèle PREM. - Étudier par expérimentation assistée par ordinateur et/ou par modélisation analogique les paramètres à l’origine des modifications de la vitesse des ondes (nature du matériau, de sa rigidité/plasticité, effet de la température). - Analyser des courbes d’augmentation de la température en fonction de la profondeur (mines, forages) ; croiser des données thermiques, des données de composition chimique, avec les données sismiques pour comprendre le modèle de la structure thermique de la Terre. - Calculer la température au centre de la Terre en utilisant le gradient géothermique de surface et apprécier sa validité au regard de l’état physique des matériaux. - Réaliser des modèles analogiques pour appréhender la conduction et la convection. - Expliquer la structure thermique de la Terre à l'aide des mécanismes de transferts thermiques étudiés.

CONNAISSANCESCHAPITRE 1La structure interne du globe Problématique(s) Comment les données des géosciences permettent-elles de construire un modèle scientifique de la structure interne de la Terre ? I Un contraste géologique entre océans et continents ACTIVITÉ 1 : Un contraste géologique entre océans et continents A La distribution des altitudes à la surface du globe, témoin d'un contraste océans-continents L’analyse statistique met en évidence une distribution des altitudes de la surface terrestre organisée autour de deux valeurs dominantes :- Un ensemble associé à une altitude moyenne de l’ordre de + 300 m, en milieu continental.- Un ensemble associé à une altitude moyenne de l’ordre de – 4 800 m, en milieu océanique. Cette distribution bimodale des altitudes témoigne donc d’un contraste géologique entre la croûte océanique et la croûte continentale, que les géologues distinguent donc dans les modèles actuels. La distribution BIMODALE des altitudes observée entre continents et le fond des océans reflète un contraste géologique. Ces moyennes ne doivent pas faire oublier l’existence de nombreux reliefs à la surface de la Terre :- Au niveau de la croûte océanique, l’altitude atteint jusqu’à - 11 km au niveau des fosses océaniques (fosses des Mariannes), et peut remonter à - 2,5 km au niveau des dorsales océaniques (voire devenir positive dans le cas des îles océaniques comme la Réunion ou l’Islande). On peut donc trouver de la croûte océanique émergée !- Au niveau de la croûte continentale, l’altitude varie également jusqu’à 9 km au niveau des chaînes de montagnes (Everest), diminue au niveau des bassins sédimentaires et devient négative au niveau des marges continentales passives qui sont immergées (golfe de Gascogne en Atlantique, golfe du Lyon en Méditerranée). On peut donc trouver de la croûte continentale sous les océans ! B Un contraste océans-continents en lien avec la nature et la densité des roches LES ROCHES DE LA CROÛTE OCÉANIQUE (CO) Des observations directes de la croûte océanique ont montré qu’elle est constituée, de la surface vers la profondeur, de roches sédimentaires, de basaltes en coussins, de basaltes en filons, puis de gabbros. Les basaltes et les gabbros sont des roches magmatiques, c’est-à-dire des roches issues du refroidissement et de la solidification d’un magma. Leur composition minéralogique est identique : elles sont principalement composées de pyroxènes et de feldspaths plagioclases (et éventuellement d’olivines). En revanche, leur texture est différente :- Les gabbros sont des roches entièrement cristallisées et leurs minéraux sont visibles à l’oeil nu. On parle de texture grenue (l’étymologie le dit bien, on voit des « grains » brillants, qui correspondent aux cristaux).- Dans les basaltes, on observe au microscope des minéraux non visibles à l’oeil nu (microlites) et du verre, qui correspond à une pâte non cristallisée (voir Ens. Scientif.). On parle de texture microlitique. LES ROCHES DE LA CROÛTE CONTINENTALE (CC) L’étude de cartes géologiques, établies à partir de relevés de terrain, permet de connaître la répartition des principaux types de roches à la surface des continents. On constate une très grande hétérogénéité des roches en surface avec :- Des roches sédimentaires, formées d’une accumulation et d’une compaction de sédiments (souvent dans l’eau) et/ou par précipitation chimique à partir de solution.- Des roches magmatiques (voir ci-dessus), comme les granites.- Des roches métamorphiques, résultant d’une transformation à l’état solide des roches, en raison de variations de pression et/ou de température du milieu dans lequel elles évoluent. Alors que les roches sédimentaires sont abondantes au niveau des bassins sédimentaires (ex. bassin de Paris), les roches magmatiques et métamorphiques sont retrouvées dans les domaines cristallins des chaînes de montagnes actuelles (pensez au granite du Mont Blanc !) ou passées (Côte de granite rose dans le Massif Armoricain). En revanche, une étude en profondeur révèle qu’elle est surtout constituée de roches magmatiques et métamorphiques, dont la composition globale est proche de celle du granite. Le granite est donc la roche la plus représentative de la croûte continentale. Les granites sont des roches à texture grenue et composées de quartz, de feldspaths (plagioclases et alcalins) et de divers minéraux sombres (micas, amphiboles…). COMPARAISON DE LA DENSITÉ DES ROCHES DE LA CC ET DE LA CO Croûte continentale et croûte océanique ne sont donc pas composées des mêmes roches. Or la densité du basalte et du gabbro de la croûte océanique est supérieure à celle du granite de la croûte continentale (2,9 contre 2,8). Ces différences dans la nature et la densité des roches expliquent donc le contraste géologique entre continents et océans. La croûte océanique est principalement constituée de basaltes et de gabbros. La composition de la croûte continentale présente une certaine hétérogénéité visible en surface (roches magmatiques, sédimentaires, métamorphiques). Toutefois, une étude en profondeur révèle que les granites en sont les roches les plus représentatives. Le contraste océans-continents se retrouve donc dans la nature des roches, ainsi que dans leur densité. II ACTIVITÉ 1 : Un contraste géologique entre océans et continents A L’analyse statistiqu La structure interne du globe Lexique

EXERCICESCHAPITRE 1La structure interne du globe EXERCICE 1 A venir X Consignes A venir Ressources disponibles Document 1 : X

1UN CONTRASTE GÉOLOGIQUE CONTINENTS - OCÉANS L'étude des roches (ou pétrologie) constituant les continents et les fonds océaniques a permis de confirmer l'idée d'un contraste géologique entre une croûte océanique et une croûte continentale. L'objectif On cherche à comparer les caractéristiques des roches constituant la croûte océanique et continentale. Votre réponse prendra la forme d'un tableau comparant les principales caractéristiques (nature, composition, densité) des roches constituant la croûte océanique ou la croûte continentale. Vous devrez intégrer la photographie correctement annotée d'une lame mince de chaque roche. Les ressources à exploiter Document 1 - Identifier les roches affleurant à la surface terrestre. A l'aide des ressources ci-dessous, expliquer comment les géologues ont pu connaître et échantillonner les roches qui constituent la croûte étudiée. Décrire l'organisation spatiale des différentes roches au sein de cette croûte. Sur la croûte continentale : Diaporama "Des observations directes des roches de la croûte continentale" Carte géologique de la France au millionième (Données affichées > Cartes géologiques) Sur la croûte océanique : Diaporama "Des observations directes des roches de la croûte océanique" Document 2 - Estimer la densité des roches. On rappelle que la densité d'un matériau x se calcule ainsi : dx = ρx / ρeau avec ρx = mx / Vx et ρeau = 1 g/mL A l’aide de la formule ci-dessus et du matériel disponible (balance, éprouvette graduée), proposer un protocole permettant d’estimer la densité de l'une des roches constituant la croûte étudiée. Appeler l’enseignant pour faire vérifier votre protocole puis le mettre en œuvre. Document 3 - Observer les roches. Gabbros, basaltes et granites sont des roches dites magmatiques, c’est-à-dire issues du refroidissement et de la solidification d’un magma. Les pétrographes étudient ce type de roches en décrivant d’une part leur texture, d’autre part leur composition minéralogique (les minéraux qui les composent).Concernant la texture, les pétrographes en décrivent une dizaine parmi lesquelles deux doivent être connues :- Lorsque la roche est entièrement cristallisée et que tous ses minéraux sont visibles à l’œil nu, la texture est dite grenue.- Lorsque la roche contient des minéraux invisibles à l’œil nu (appelés microlites) et du verre (magma refroidi et non cristallisé formant un solide amorphe), la texture est dite microlitique (ou microlithique).Les pétrographes utilisent souvent un microscope polarisant, qui permet de distinguer le verre et les microlites, et d’utiliser d’autres critères de reconnaissance des minéraux (en plus de ceux utilisables à l’œil nu). Une planche de détermination vous sera toujours fournie pour vous rappeler ces critères. A l’aide de la planche de détermination des minéraux, réaliser une observation comparative des principales roches de la croûte étudiée. Vous commencerez par l'échelle macroscopique, puis vous compléterez l'étude à l'échelle microscopique. Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Mettre en relation des cartes et/ou des logiciels de visualisation des reliefs avec la courbe de distribution bimodale des altitudes terrestres. - Utiliser la carte de France au millionième pour identifier la répartition des principaux types de roches sur le territoire. - Observer des roches des croûtes océanique et continentale pour les comparer. - Proposer et mettre en œuvre un protocole pour mesurer la densité de roches. Pour aller plus loin Un site web pour visualiser des lames minces de roches (F. Labaune). Un site web pour explorer la carte géologique de la France (Info-Terre, BRGM). Distribution bimodale des altitudes et mobilité horizontale (dérive) des continents - Planet-Terre. Logiciel Tectoglob3D

2L'APPORT DES DONNÉES SISMOLOGIQUES Les observations réalisées en surface (données directes) ne permettent que de connaître la surface du globe. Par exemple, le forage russe de Kola, le plus profond, a atteint 12 262 m de profondeur, soit seulement 0,2% du rayon terrestre… Le recours à des données indirectes, comme les données sismologiques, est donc nécessaire pour affiner la compréhension de la structure interne plus profonde du globe. L'objectif On cherche à comprendre comment l’analyse des données sismologiques a permis de proposer un modèle scientifique de la structure interne du globe. Rappels sur les séismes Lorsque les roches sont soumises à des ..........................., elles accumulent lentement de l'énergie. Au-delà d'un certain seuil de contraintes, la rupture des roches intervient en un point appelé .........................., localisé le long d'une ............. Cette rupture de roches entraîne la libération brutale de l'énergie emmagasinée, c'est le .................. L'énergie est dissipée sous forme de chaleur et surtout de vibrations qui se propagent dans toutes les directions à partir du foyer : les ................................ Leur trajet peut être représenté par des ............................... concentriques ou par des ......................................, perpendiculaires aux fronts d'ondes en tout point. PARTIE 1 De l'analyse de données sismologiques à la construction de modèles sismiques Dans le modèle actuel de la structure interne du globe, les scientifiques représentent différentes couches concentriques avec des couleurs différentes, ce qui laisse penser à l’existence de plusieurs enveloppes internes aux propriétés physico-chimiques (nature chimique, densité, état physique, …) contrastées. Comment l'étude des données sismologiques a-t-elle permis d'établir l'existence de ces couches ? LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) A l’aide du logiciel Tectoglob3D et de sa fiche technique, recenser des données nécessaires à la construction d’un hodographe.- Depuis le menu « Fichier », charger le jeu de sismogrammes Pérou/Equateur 2019. La localisation des stations sismiques s’affiche sur le « Globe virtuel », tandis que les sismogrammes s’affichent dans la « Fenêtre de résultats », rangés par distance épicentrale croissante.- Depuis le menu « Sismogrammes », projeter les stations sur une coupe du globe puis expliquer pourquoi la répartition des stations d’enregistrement étudiées parait pertinente pour étudier la structure profonde du globe.- Au brouillon, relever la distance épicentrale (en km) de chaque station sismique (ex. Station ANBW | d = 2772,4 km).- Depuis le menu « Sismogrammes », afficher le t0 de l’évènement sismique et pointer le temps d’arrivée théorique des différentes ondes.- Au brouillon, relever le temps d’arrivée des ondes P (+PKIKP) et des ondes S à chaque station (en s). Pour cela, faites coïncider le curseur de la souris avec le pointage des différentes ondes (ex. Station ANBW | tP = 310,7 s | tS = 567 s).2) A l’aide du logiciel LibreOffice Calc et de sa fiche technique, construire l’hodographe de votre séisme, c’est-à-dire le graphique représentant le temps d’arrivée des ondes P et des ondes S (en secondes) en fonction de la distance épicentrale (en km).3) Comparer l’hodographe observé obtenu avec l’hodographe théorique calculé à partir des différents modèles, puis conclure sur la validité de chaque modèle. Les ressources à exploiter Document 1 : Différents types d'ondes sismiques. Plusieurs réseaux de stations sismologiques existent à la surface de la Terre, comme le réseau français GEOSCOPE. Ils permettent d’enregistrer grâce à des sismographes les ondes qui leur parviennent depuis n’importe quel foyer sismique. Les sismogrammes obtenus peuvent présenter trois grands types d’ondes, toujours dans le même ordre d’arrivée :

En premier : Les ondes P (push) entraînent des compressions et dilatations qui déplacent les particules de matière parallèlement à leur direction de propagation. Elles se propagent dans les milieux solides et liquides.
En second : Les ondes S (slice) sont des ondes de cisaillement qui déplacent les particules perpendiculairement à leur direction de propagation. Dans les milieux de faible cohésion comme les liquides, elles ne peuvent se propager.
Enfin : Les ondes de surface (LR, ondes de Love et ondes de Rayleigh) sont les plus destructrices pour les populations et les constructions. Comme leur nom l’indique, elles ne se propagent qu’en surface.

A la différence des ondes de surface, les ondes P et S sont des ondes de volume. Elles sont ainsi capables de se propager en profondeur et de traverser l’intérieur du globe, avant d’émerger à a sa surface à des distances plus ou moins lointaines de lieu du séisme. Leur propagation (vitesse, trajet) dépend donc des propriétés physico-chimiques des milieux traversés (densité, nature chimique, état physique, …). Animation présentant les propriétés des différents types d'ondes sismiques (Géosciences 3D). Animation présentant la propagation des ondes sismiques dans un modèle homogène de la Terre (Géosciences 3D). Document 2 : Les hodrochrones, des outils pour modéliser la structure interne du globe. Lorsqu’on connaît l’épicentre d’un séisme et le moment où il se produit (t0), il est possible de reporter sur un graphique le temps d’arrivée d’une onde donnée en fonction de la distance épicentrale (Δ, distance séparant la station de l’épicentre, exprimée en degrés). On peut le faire pour différents sismogrammes enregistrés lors d’un même séisme par différentes stations, ce qui permet d’obtenir une courbe théorique appelée hodochrone. Quand les sismologues souhaitent tester un modèle de la structure interne du globe, ils peuvent calculer un profil de variation de vitesse des ondes en fonction de la profondeur, et ainsi construire un hodochrone calculé attendu pour chaque modèle. En confrontant l’hodochrone calculé et l’hodochrone observé (établi à partir des temps de propagation mesurés sur des sismogrammes), ils peuvent alors évaluer la validité d’un profil hypothétique de vitesse des ondes. PARTIE 2 Des modèles sismiques à un modèle global de la structure interne de la Terre LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION Expliquer comment l'analyse des modèles de trajet et de vitesse de propagation des ondes sismiques a permis de construire un modèle de la structure interne de la Terre. Les ressources à exploiter Document 1 : Quelques propriétés de la propagation des ondes sismiques utiles pour étudier la structure d'une planète. (1) Trajet des ondes sismiques et nature du milieu. Propriétés des ondes sismiquesIntérêts pour l'étude de l'intérieur de la TerreLes ondes P se propagent dans les liquides et les solides, alors que les ondes S ne se propagent que dans les solides (pas dans les liquides).Permet d’obtenir des renseignements sur l’état physique des milieux traversés.Au niveau d’une discontinuité (surface séparant 2 milieux aux propriétés physico-chimiques différentes), les ondes sont en partie réfléchies, celles qui parviennent à passer dans le deuxième milieu sont déviées, on dit qu’elles sont réfractées.Permet de mettre en évidence des discontinuités.L’angle des rais sismiques par rapport à la normale permet de comparer la vitesse des ondes dans les deux milieux. (2) Vitesse des ondes sismiques et nature du milieu. Propriétés des ondes sismiquesIntérêts pour l'étude de l'intérieur de la TerreLe changement de la vitesse de propagation des ondes sismiques peut être brusque, ce qui correspond à un changement brusque de masse volumique, et donc à la traversée d’une discontinuité.Cette différence importante de masse volumique peut s’expliquer soit :- Par une composition chimique différente ;- Par des états physiques différents (un même matériau a une masse volumique plus forte à l’état solide qu’à l’état liquide).- Par des compositions chimiques et des états physiques différents.Permet de mettre en évidence des discontinuités.La diminution de la vitesse de propagation des ondes sismiques peut être progressive, ce qui correspond à une diminution progressive de la masse volumique au sein d’un matériau de même composition et de même état physique, ce qui se traduit dans les solides par une diminution de la rigidité (et inversement dans le cas d’une augmentation).Permet de mettre en évidence une modification de la rigidité au sein d’un milieu, on parle de zone à faible vitesse (LVZ, Low Velocity Zone). Document 2 : Identification historique de trois discontinuités profondes du globe. Une discontinuité est une interface entre deux enveloppes d'une planète ayant des propriétés distinctes (composition, densité, état physique, ...). (1) – La discontinuité de Mohorovicic, limite entre la croûte et le manteau.En 1909, en étudiant un séisme dans la région de Zagreb, Andrija Mohorovicic observe sur un sismogramme l’arrivée de deux trains d’ondes P successifs décalés dans le temps. Il interprète cela en introduisant dans le modèle une discontinuité, sur laquelle les ondes P ont été réfléchies, à l’origine du second train d’ondes (ondes réfléchies PmP). Cette discontinuité, appelée discontinuité de Mohorovicic ou Moho, représente la limite entre la croûte et le manteau. (2) – La discontinuité de Gutenberg, limite entre le manteau et le noyau.Dès 1912, Beno Gutenberg a mis en évidence une zone d’ombre sismique : entre 105° et 143° de distance angulaire à l’épicentre, aucune onde P n’est enregistrée. Il l’a expliqué en introduisant dans le modèle une seconde discontinuité majeure à 2 900 km de profondeur, séparant deux milieux aux vitesses de propagation très différentes. Cette discontinuité, appelée discontinuité de Gutenberg, représente la limite entre le manteau et le noyau. (3) – La discontinuité de Lehmann, limite entre le noyau externe et le noyau interne.En 1936, Inge Lehmann, UNE sismologue danoise, découvre que la zone d’ombre sismique n’est pas entièrement « muette » : on y observe en fait, bien plus tard après le déclenchement du séisme, l’arrivée d’ondes P très faibles. Lehmann l’a expliqué en introduisant dans le modèle une troisième discontinuité au sein du noyau, qui réfléchit en partie les ondes P. Nommée discontinuité de Lehmann, elle représente la limite entre le noyau externe et le noyau interne (graine). Elle est située à 5 100 km de profondeur. Document 3 : Le modèle PREM (Preliminary Reference Earth Model). En 1981, Dziewonski et Anderson publient un modèle sismique de la Terre appelé PREM (Preliminary Reference Earth Model). Ce modèle propose un profil d’évolution de la vitesse de propagation des ondes sismiques et de la densité en fonction de la profondeur. C’est un modèle à une dimension qui considère qu’à une profondeur donnée, les paramètres sont identiques en tout point de la Terre (symétrie sphérique). Il intègre les résultats de multiples travaux de recherches : de nombreux sismogrammes, des données de physique expérimentale, des calculs…Il a permis de proposer un schéma de la structure interne de la Terre (à compléter). Document 4 : Extrait du modèle PREM pour la vitesse des ondes S. Sous les continentsSous les océans Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Traiter des données sismologiques à l'aide de logiciels. - Mettre en œuvre un modèle analogique/numérique pour étudier la propagation des ondes en profondeur et comprendre l'origine des zones d'ombre. - Utiliser des profils de vitesse et de densité du modèle PREM pour établir la structure interne de la Terre. Pour aller plus loin 15 photos comparant avant et après montrent le ravage d'un séisme en Italie (2016). Animation présentant les différents types d'ondes sismiques et la notion de zone d'ombre sismique (via-svt).

1UN CONTRASTE GÉOLOGIQUE CONTINENTS - OCÉANS Dans le modèle actuel de la structure interne de la Terre, la croûte terrestre, enveloppe superficielle de la Terre interne, est représentée différemment au niveau des océans et des continents. Dès 1910, des scientifiques comme A. Wegener (le père de la théorie de la dérive des continents) distinguent une croûte océanique et une croûte continentale. L'OBJECTIF On cherche à mettre en évidence un contraste géologique entre la croûte située sous les océans et la croûte située au niveau des continents. A La distribution des altitudes à la surface du globe, témoin d'un contraste océans-continents L’analyse statistique met en évidence une distribution des altitudes de la surface terrestre organisée autour de deux valeurs dominantes :- Un ensemble associé à une altitude moyenne de l’ordre de + 300 m, en milieu continental.- Un ensemble associé à une altitude moyenne de l’ordre de – 4 800 m, en milieu océanique. Cette distribution bimodale des altitudes témoigne donc d’un contraste géologique entre la croûte océanique et la croûte continentale, que les géologues distinguent donc dans les modèles actuels. La distribution BIMODALE des altitudes observée entre continents et le fond des océans reflète un contraste géologique. Ces moyennes ne doivent pas faire oublier l’existence de nombreux reliefs à la surface de la Terre :- Au niveau de la croûte océanique, l’altitude atteint jusqu’à - 11 km au niveau des fosses océaniques (fosses des Mariannes), et peut remonter à - 2,5 km au niveau des dorsales océaniques (voire devenir positive dans le cas des îles océaniques comme la Réunion ou l’Islande). On peut donc trouver de la croûte océanique émergée !- Au niveau de la croûte continentale, l’altitude varie également jusqu’à 9 km au niveau des chaînes de montagnes (Everest), diminue au niveau des bassins sédimentaires et devient négative au niveau des marges continentales passives qui sont immergées (golfe de Gascogne en Atlantique, golfe du Lyon en Méditerranée). On peut donc trouver de la croûte continentale sous les océans ! B Un contraste océans-continents en lien avec la nature et la densité des roches 1) LES ROCHES DE LA CROÛTE OCÉANIQUE (CO) Des observations directes de la croûte océanique ont montré qu’elle est constituée, de la surface vers la profondeur, de roches sédimentaires, de basaltes en coussins, de basaltes en filons, puis de gabbros. Coupe de la croûte océanique à travers la zone de fracture Vema, établie par l'équipage du Nautile dans les années 1980. Les basaltes et les gabbros sont des roches magmatiques, c’est-à-dire des roches issues du refroidissement et de la solidification d’un magma. Leur composition minéralogique est identique : elles sont principalement composées de pyroxènes et de feldspaths plagioclases (et éventuellement d’olivines). En revanche, leur texture est différente :- Les gabbros sont des roches entièrement cristallisées et leurs minéraux sont visibles à l’oeil nu. On parle de texture grenue (l’étymologie le dit bien, on voit des « grains » brillants, qui correspondent aux cristaux).- Dans les basaltes, on observe au microscope des minéraux non visibles à l’oeil nu (microlites) et du verre, qui correspond à une pâte non cristallisée (voir Ens. Scientif.). On parle de texture microlitique. Quelques illustrations issues du travail de Camille et Eva C. 2) LES ROCHES DE LA CROÛTE CONTINENTALE (CC) L’étude de cartes géologiques, établies à partir de relevés de terrain, permet de connaître la répartition des principaux types de roches à la surface des continents. On constate une très grande hétérogénéité des roches en surface avec :- Des roches sédimentaires, formées d’une accumulation et d’une compaction de sédiments (souvent dans l’eau) et/ou par précipitation chimique à partir de solution.- Des roches magmatiques (voir ci-dessus), comme les granites.- Des roches métamorphiques, résultant d’une transformation à l’état solide des roches, en raison de variations de pression et/ou de température du milieu dans lequel elles évoluent. Alors que les roches sédimentaires sont abondantes au niveau des bassins sédimentaires (ex. bassin de Paris), les roches magmatiques et métamorphiques sont retrouvées dans les domaines cristallins des chaînes de montagnes actuelles (pensez au granite du Mont Blanc !) ou passées (Côte de granite rose dans le Massif Armoricain). En revanche, une étude en profondeur révèle qu’elle est surtout constituée de roches magmatiques et métamorphiques, dont la composition globale est proche de celle du granite. Le granite est donc la roche la plus représentative de la croûte continentale. Les granites sont des roches à texture grenue et composées de quartz, de feldspaths (plagioclases et alcalins) et de divers minéraux sombres (micas, amphiboles…). Une illustration issue du travail de Célia et Eva M. 3) COMPARAISON DE LA DENSITÉ DES ROCHES DE LA CC ET DE LA CO Croûte continentale et croûte océanique ne sont donc pas composées des mêmes roches. Or la densité du basalte et du gabbro de la croûte océanique est supérieure à celle du granite de la croûte continentale (2,9 contre 2,8). Ces différences dans la nature et la densité des roches expliquent donc le contraste géologique entre continents et océans. La croûte océanique est principalement constituée de basaltes et de gabbros. La composition de la croûte continentale présente une certaine hétérogénéité visible en surface (roches magmatiques, sédimentaires, métamorphiques). Toutefois, une étude en profondeur révèle que les granites en sont les roches les plus représentatives. Le contraste océans-continents se retrouve donc dans la nature des roches, ainsi que dans leur densité.UN BILAN POUR MIEUX RETENIR EN ROUTE VERS LE BAC > Mots-clés à savoir définir : Distribution bimodale – Croûte océanique – Croûte continentale – Roche magmatique – Roche métamorphique – Roche sédimentaire – Texture grenue – Texture microlit(h)ique – Densité (formule). > Roches à connaître (texture et composition minéralogique) : Basalte, gabbro, granite. > Je dois être capable de : - Argumenter et expliquer l'existence d'un contraste géologique entre la croûte continentale et la croûte océanique. > Exercices d’entraînement : - Associer chacune des roches à connaître (basalte, gabbro, granite) à une texture, à une densité et à un type de croûte. - Construire un tableau comparant la croûte océanique et la croûte continentale.

3LA DISTINCTION ENTRE LITHOSPHÈRE ET ASTHÉNOSPHÈRE Une observation inattendue En 1964, trois sismologues américains, J. Oliver, B. Isacks et L. Sykes, examinent l'activité sismique au niveau de la fosse des îles Tonga, dans le Pacifique. Ils enregistrent les ondes sismiques produites par un séisme profond dont l'épicentre se trouve à égale distance des stations sismiques Fidji et Tonga. Ils observent que les ondes P parviennent à la station Tonga deux secondes plus tôt qu'à la station Fidji. Les chercheurs ont proposé que les ondes P les plus rapides aient traversé un matériau différent, la lithosphère, qui plonge dans l'asthénosphère au voisinage des fosses océaniques. Dans leur modèle de la structure interne de la Terre, les scientifiques proposent ainsi de distinguer : - La lithosphère, comprenant la croûte (continentale et océanique) et la partie supérieure du manteau supérieur ; - L'asthénosphère, comprenant la partie inférieure du manteau inférieur. L'objectif On cherche à comprendre comment les données sismologiques permettent de distinguer la lithosphère et l'asthénosphère. Pour cela, on se propose d'exploiter les données sismologiques récoltées au voisinage des fosses océaniques, comme la fosse des Tonga (20°S ; 175°W). PARTIE 1 Une différence de comportement mécanique... LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) A l’aide du logiciel Tectoglob3D et de sa fiche technique, réaliser une coupe perpendiculaire à la fosse des Tonga présentant la répartition des foyers sismiques en profondeur. 2) Insérer le document obtenu dans un fichier compte-rendu et l’annoter pour lui donner du sens. 3) A l'aide du document 1, décrire et exploiter la coupe obtenue pour montrer que la lithosphère est caractérisée par un comportement rigide, contrairement à l'asthénosphère qui est ductile. Repérer sur votre coupe la lithosphère plongeante, l'asthénosphère et la lithosphère chevauchante. 4) A l’aide du document 2, formuler une hypothèse expliquant la différence de comportement mécanique entre lithosphère et asthénosphère. DOCUMENT 1 Le comportement mécanique des roches Lorsqu'un matériau est soumis à des contraintes mécaniques, il peut se déformer plus ou moins rapidement, ou bien casser. On distingue ainsi le comportement de deux types de matériaux : - les matériaux rigides : soumis à des contraintes, ils sont résistants à la déformation et accumulent lentement de l'énergie jusqu'à casser. Leur rupture est à l'origine de séismes et libère des ondes sismiques ; - les matériaux ductiles : soumis à des contraintes, ils se déforment rapidement sans jamais rompre. Ils ne peuvent donc pas générer de séismes. DOCUMENT 2 Quelques valeurs de viscosité pour certains matériaux et enveloppes internes de la Terre La viscosité d'un matériau correspond au rapport de la contrainte qu'il subit sur la vitesse de déformation. Ainsi, plus un matériau est visqueux, plus il résiste et se déforme donc très lentement. Une augmentation de la température d'un matériau provoque une diminution de sa viscosité. En effet, quand la température augmente, un matériau perd de sa cohésion et sa déformation devient plus rapide. MatériauViscosité en Pa.sEau à 20°C10^-2Glace à 0°C (glacier alpin)10^11Lithosphère10^21 à 10^22Asthénosphère10^18 à 10^19 PARTIE 2 ...qui s'explique par des différences de températures LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) A l’aide des documents 3 et 4, proposer une stratégie de résolution reposant sur l'exploitation des données sismologiques au voisinage de la fosse des Tonga et permettant de montrer que la lithosphère est un matériau plus froid que l'asthénosphère. 2) A l’aide du logiciel Tectoglob3D et de sa fiche technique, réaliser une coupe tomographique perpendiculaire à la fosse des Tonga. Vous veillerez à choisir le modèle tomographique le plus adapté (GAP-P4 ou S362-ANI) et à choisir une profondeur maximale de 2900 km. 3) Insérer la coupe obtenue dans le compte-rendu et l’annoter avec les informations manquantes pour lui donner du sens (à l'aide de la légende et du doc. 2). 4) A l’aide du document 3, exploiter la coupe tomographique complétée pour montrer que la lithosphère est un matériau plus froid que l'asthénosphère. 5) A l'aide des résultats obtenus lors des activités 2 et 3, construire un tableau comparant les caractéristiques de la lithosphère et de l'asthénosphère. DOCUMENT 3 Le principe de la tomographie sismique La tomographie sismique compare les vitesses des différentes ondes sismiques reçues aux vitesses théoriques attendues pour chaque profondeur, calculées à partir d’un modèle de référence (PREM). On peut ainsi mettre en évidence des zones où la vitesse des ondes est : - soit plus élevée que celle prévue à cet endroit (anomalie de vitesse positive), interprétées par les scientifiques comme des régions plus froides du manteau (cas du secteur 1 dans le schéma ci-contre) ; - soit plus faible que celle prévue à cet endroit (anomalie de vitesse négative), interprétées par les scientifiques comme des régions plus chaudes du manteau (cas du secteur 2 dans les schéma ci-contre). DOCUMENT 4 Modélisation analogique de l'influence de la température sur la vitesse de propagation des ondes sismiques A l’aide d’un poids percutant une barre de pâte à modelé, on simule un séisme dont les ondes sont enregistrées à l’aide de deux capteurs. On réitère l'expérience pour des pâtes à modelé de températures variées. Les résultats sont présentés dans le graphique de droite. Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Traiter des données sismologiques à l'aide de logiciels. - Analyser le résultat de différentes méthodes pour identifier le plan de Wadati-Benioff. - Montrer l'existence d'hétérogénéités thermiques dans le manteau par des données de tomographies sismiques, tout en attirant l'attention sur l'amplitude des variations par rapport au modèle PREM. - Étudier par expérimentation assistée par ordinateur et/ou par modélisation analogique les paramètres à l’origine des modifications de la vitesse des ondes (nature du matériau, de sa rigidité/plasticité, effet de la température).

4L'APPORT DES DONNÉES THERMIQUES Les données thermiques ont également permis aux scientifiques de mieux comprendre la structure interne du globe, et notamment la présence d’hétérogénéités thermiques au sein du manteau. On va ici chercher à construire un géotherme, un modèle représentant l’évolution de la température interne de la Terre en fonction de la profondeur (à une dimension). L'objectif On cherche à expliquer comment le croisement de différentes données a permis de construire un modèle de la structure thermique du globe, le géotherme. PARTIE 1 Les données thermiques issues du forage de Kola (Russie) Le forage réalisé dans la péninsule de Kola (Russie) est le plus profond du monde (plus de 12 km de profondeur). Il a permis de réaliser la mesure de différents paramètres comme la température. On cherche à comprendre comment varie la température à l'intérieur de la Terre. LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION Le gradient thermique G entre deux points correspond à la différence de température entre le point le plus chaud et le point le plus froid du système, divisée par la distance qui sépare ces deux points (G = ΔT/d). Il s’exprime en °C.km-1. 1) A partir des données thermiques fournies dans le document ci-dessous, calculer le gradient géothermique de surface (pente à l’origine) du géotherme. 2) Sachant que la Terre a un rayon d’environ 6 370 km, calculer la température attendue au centre de la Terre en utilisant le gradient géothermique de surface. Évaluer sa validité au regard de l’état physique des matériaux terrestres. DOCUMENT Données thermiques issues du forage continental profond (SG3) sur la péninsule de Kola Les forages continentaux sont très rares et peu profonds à l’échelle de l’épaisseur de la croûte. Celui de Kola, débuté en 1970, s’est arrêté en 1995 et a atteint une profondeur de 12 226 m. Profondeur dans le puits (m)Température (°C)89017,6299038,1347044,5396051,8454061,4485068,0601589,2635095,2695099,57800106,68230123,010425131,010909172,811240183,011340193,8 PARTIE 2 Les données indirectes fournissant des "points d'ancrage" Il est également possible d'estimer indirectement la température qu'il fait à des profondeurs particulières, constituant des "points d'ancrage" du géotherme. LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) A partir d’une exploitation des documents fournis, expliquer comment le croisement de différentes données indirectes a permis de fournir un point d’ancrage (estimation de la température à une profondeur donnée) pour la construction du géotherme. 2) Décrire le modèle obtenu en précisant le gradient thermique de chaque enveloppe interne (croûte, manteau, lithosphère, asthénosphère, noyau, …). Animation "Presse à enclumes de diamant virtuelle" (P. Cosentino). Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Analyser des courbes d’augmentation de la température en fonction de la profondeur (mines, forages) ; croiser des données thermiques, des données de composition chimique, avec les données sismiques pour comprendre le modèle de la structure thermique de la Terre. - Calculer la température au centre de la Terre en utilisant le gradient géothermique de surface et apprécier sa validité au regard de l’état physique des matériaux.

5LES MODES DE TRANSFERT DE CHALEUR AU SEIN DU GLOBE La Terre produit en permanence de la chaleur, principalement par la désintégration d’isotopes radioactifs contenus dans le manteau. Cette chaleur peut est transférée en surface par différents mécanismes : la convection et la conduction. Ces deux modes de transferts thermiques n’ont pas la même efficacité, ce qui pourrait expliquer la forme non linéaire du géotherme. L'objectif On cherche à comparer l'efficacité des deux modes de transfert de chaleur qui ont lieu au sein des enveloppes internes du globe, la conduction et la convection. DOCUMENT DE REFERENCE Deux modes de transfert thermique au sein du globe Dans un système, l’énergie thermique (chaleur) peut être transférée selon 2 modes : - La conduction (à gauche) est un mode de transfert thermique sans mouvement macroscopique de matière. La chaleur est transférée par vibration des atomes, de proche en proche. C’est ce qui réchauffe le fond métallique d’une casserole quand on la pose sur une plaque chauffante.- La convection (à droite) est un mode de transfert thermique avec mouvement macroscopique de matière. La matière chaude, moins dense que la matière froide, s’élève dans le système puis finit par refroidir à son tour. Devenant alors plus dense que la matière chaude, elle retombe par gravité. C’est ce qui arrive à l’eau contenue dans une casserole chaude. PARTIE 1 Un transfert de chaleur révélé par la tomographie sismique LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) A l’aide de vos connaissances, expliquer comment la tomographie sismique permet de mettre en évidence des hétérogénéités thermiques à très grande profondeur au sein du manteau. 2) A l’aide du logiciel Tectoglob3D et de sa fiche technique, réaliser une coupe tomographique au niveau de la ride d’Hawaii (au Nord de l’Océan Pacifique). Utiliser le modèle S362-ANI. 3) Insérer la coupe obtenue dans un fichier et l’annoter avec les informations manquantes pour lui donner du sens. 4) A l’aide de vos connaissances, décrire et interpréter la coupe tomographique complétée. A l’aide du modèle analogique proposé, formuler une hypothèse pour expliquer les résultats constatés. PARTIE 2 Modéliser les modes de transferts thermiques LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) A l’aide du document 1, expliquer quel mode de transfert thermique peut être modélisé grâce au montage n°1 présenté dans le document 2. Représenter le profil de température de l’eau dans le bécher en utilisant les mêmes figurés que ceux du document 1. 2) A partir de la réponse à la question précédente, schématiser le montage n°2 qu’il faut réaliser pour modéliser l’autre mode de transfert thermique (directement sur le document 2). Représenter le profil de température de l’eau dans le bécher en reprenant les figurés du document 1. 3) Réaliser successivement les deux montages proposés. Faire fonctionner chaque montage pendant 10 minutes tout en mesurant la température en bas et en haut du système toutes les 30 secondes grâce aux thermosondes. Attention, les thermoplongeurs doivent impérativement être immergés ! 4) A l’aide du logiciel LibreOffice Calc, construire un graphique présentant l’évolution de la température en haut et en bas du bécher en fonction du temps pour chacun des deux modèles. Calculer le gradient thermique au début et à la fin de chaque modélisation. 5) A partir des résultats obtenus, expliquer quel mode de transfert thermique est le plus efficace puis proposer une explication au profil d’évolution de la température au sein de la Terre et aux différentes hétérogénéités thermiques mises en évidence au sein du manteau dans l’atelier 1. DOCUMENT 1 Montages permettant de modéliser les modes de transfert thermique du globe Montage n°1 : ....................................................Montage n°2 : .................................................... Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Réaliser des modèles analogiques pour appréhender la conduction et la convection. - Expliquer la structure thermique de la Terre à l'aide des mécanismes de transferts thermiques étudiés.

1UN CONTRASTE GÉOLOGIQUE CONTINENTS - OCÉANS Dans le modèle actuel de la structure interne de la Terre, la croûte terrestre, enveloppe superficielle de la Terre interne, est représentée différemment au niveau des océans et des continents. Dès 1910, des scientifiques comme A. Wegener (le père de la théorie de la dérive des continents) distinguent une croûte océanique et une croûte continentale. On cherche à mettre en évidence un contraste géologique entre la croûte située sous les océans et la croûte située au niveau des continents. PARTIE 1 Les apports de l'étude du relief terrestre L'étude du relief (ou topographie) des continents et des fonds océaniques a permis d'établir l'idée d'un contraste entre une croûte océanique et une croûte continentale. L'objectif On cherche à montrer qu'il existe un contraste topographique entre les continents et les fonds océaniques. Vous rédigerez un texte argumenté basé sur l'exploitation rigoureuse des documents. Vous légenderez les documents 1 et 2 avec les mots-clés ci-dessous. Mots-clés : plaine abyssale, plaine continentale, dorsale océanique, fosse océanique, chaîne de montagnes. Les ressources à exploiter Document 1 : Distribution des altitudes à la surface de la Terre. La distribution d’un paramètre au sein un échantillon permet de déterminer si cet échantillon est un ensemble homogène, ou s'il est constitué de deux sous-ensembles qui doivent être étudiés séparément : - Si la distribution est organisée autour d’une seule valeur dominante (appelée mode), elle est dite unimodale. Dans ce cas, l'échantillon est relativement uniforme et peut être étudié comme un seul et même ensemble. - Si la distribution est organisée autour de 2 valeurs dominantes, elle est dite bimodale. Dans ce cas, l'échantillon est en fait constitué de deux sous-ensembles qui doivent être étudiés séparément. Pour se faire une idée de l'homogénéité de la croûte terrestre, il est possible de réaliser un histogramme représentant la distribution des altitudes à la surface de la Terre. Document 2 : Carte topographique du monde et profil crustal associé. Sur le logiciel Tectoglob3D, il est possible de visualiser le relief de la surface terrestre (carte topographique) et de réaliser des profils topographiques sur lesquels l'altitude (ou la profondeur) est reportée tout au long d'une coupe : - Dans « Options », sélectionner « Globe en relief » et choisir comme fond de carte mondial « Carte topographique ». - Dans « Actions », tracer une coupe topographique judicieusement choisie. - Dans « Actions », cliquer sur « Distribution des altitudes » pour construire un histogramme présentant la distribution des altitudes de surface d’un profil judicieusement choisi. PARTIE 2 Les apports de l'étude des roches L'étude des roches (ou pétrologie) constituant les continents et les fonds océaniques a permis de confirmer l'idée d'un contraste géologique entre une croûte océanique et une croûte continentale. L'objectif A partir d'une exploitation rigoureuse des documents fournis, comparer les caractéristiques des roches constituant la croûte océanique et continentale. Votre réponse prendra la forme d'un diaporama présentant les principales caractéristiques (nature, composition, densité) des roches constituant la croûte océanique ou la croûte continentale. Vous devrez intégrer la photographie d'une lame mince d'une roche caractéristique de la croûte étudiée. Les ressources à exploiter Document 1 - Identifier les roches affleurant à la surface terrestre. A l'aide des ressources ci-dessous, expliquer comment les géologues ont pu connaître et échantillonner les roches qui constituent la croûte étudiée. Décrire l'organisation spatiale des différentes roches au sein de cette croûte. Sur la croûte océanique : Diaporama "Des observations directes des roches de la croûte océanique" Sur la croûte continentale : Diaporama "Des observations directes des roches de la croûte continentale" Carte géologique de la France au millionième (Données affichées > Cartes géologiques) Document 2 - Estimer la densité des roches. On rappelle que la densité d'un matériau x se calcule ainsi : dx = ρx / ρeau avec ρx = mx / Vx et ρeau = 1 g/mL A l’aide de la formule ci-dessus et du matériel disponible (balance, éprouvette graduée), proposer un protocole permettant d’estimer la densité de l'une des roches constituant la croûte étudiée. Appeler l’enseignant pour faire vérifier votre protocole puis le mettre en œuvre. Document 3 - Observer les roches. Gabbros, basaltes et granites sont des roches dites magmatiques, c’est-à-dire issues du refroidissement et de la solidification d’un magma. Les pétrographes étudient ce type de roches en décrivant d’une part leur texture, d’autre part leur composition minéralogique (les minéraux qui les composent).Concernant la texture, les pétrographes en décrivent une dizaine parmi lesquelles deux doivent être connues :- Lorsque la roche est entièrement cristallisée et que tous ses minéraux sont visibles à l’œil nu, la texture est dite grenue.- Lorsque la roche contient des minéraux invisibles à l’œil nu (appelés microlites) et du verre (magma refroidi et non cristallisé formant un solide amorphe), la texture est dite microlitique (ou microlithique).Les pétrographes utilisent souvent un microscope polarisant, qui permet de distinguer le verre et les microlites, et d’utiliser d’autres critères de reconnaissance des minéraux (en plus de ceux utilisables à l’œil nu). Une planche de détermination vous sera toujours fournie pour vous rappeler ces critères. A l’aide de la planche de détermination des minéraux, réaliser une observation comparative des principales roches de la croûte étudiée. Vous commencerez par l'échelle macroscopique, puis vous compléterez l'étude à l'échelle microscopique. Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Mettre en relation des cartes et/ou des logiciels de visualisation des reliefs avec la courbe de distribution bimodale des altitudes terrestres. - Utiliser la carte de France au millionième pour identifier la répartition des principaux types de roches sur le territoire. - Observer des roches des croûtes océanique et continentale pour les comparer. - Proposer et mettre en œuvre un protocole pour mesurer la densité de roches. Pour aller plus loin Un site web pour visualiser des lames minces de roches (F. Labaune). Un site web pour explorer la carte géologique de la France (Info-Terre, BRGM). Distribution bimodale des altitudes et mobilité horizontale (dérive) des continents - Planet-Terre. Logiciel Tectoglob3D

La caractérisation de la mobilité horizontale

Structure et dynamique interne de la Terre

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

ACTIVITÉS

Caractériser le déplacement absolu d'une plaque lithosphérique

Caractériser le déplacement relatif de deux plaques lithosphériques

Caractériser les limites des plaques lithosphériques

CONNAISSANCES

EXERCICES

PLAN DE TRAVAIL

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

Travaux pratiques

Travaux dirigés

PLAN DE TRAVAILCHAPITRE 2La caractérisation de la mobilité horizontale Un modèle à interroger Problématique(s) Comment les données des géosciences permettent-elles de caractériser les mouvements des plaques lithosphériques, ainsi que les contextes des limites des plaques ? Activités 1 - Caractériser le déplacement absolu d'une plaque lithosphérique 2 - Caractériser le déplacement relatif de deux plaques lithosphériques 3 - Caractériser les limites de plaques lithosphériques Compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Identifier, en utilisant des données sismiques, les plaques lithosphériques et leurs limites. - Exploiter des données issues des mesures GPS et de l'étude des alignements volcaniques liés aux points chauds pour caractériser le déplacement absolu actuel d'une plaque lithosphérique. - Exploiter des données sédimentaires ou magnétiques pour argumenter la divergence de part et d'autre d'une dorsale océanique. - Analyser et mettre en relation le flux géothermique surfacique et le contexte géodynamique à partir de cartes des flux géothermiques surfaciques. - Etudier des données sur les dorsales (bathymétrie, forages, etc.).

CONNAISSANCESCHAPITRE 2La caractérisation de la mobilité horizontale Problématique(s) Comment les données des géosciences permettent-elles de caractériser les mouvements des plaques lithosphériques, ainsi que les contextes des limites des plaques ? I Un découpage de la lithosphère en plaques lithosphériques Rappels du chapitre 1 La lithosphère est l'enveloppe superficielle du globe, qui comprend la croûte (océanique ou continentale) et la partie rigide du manteau supérieur. Elle se distingue de l'asthénosphère par : - Une vitesse de propagation des ondes sismiques plus importante (elle est limitée à sa base par la LVZ) ; - Une température globalement inférieure à 1 300°C ; - Un comportement mécanique cassant (à la différence de l'asthénosphère, ductile) ; L’analyse de la répartition des foyers sismiques et des volcans à la surface de la Terre montre que la lithosphère est découpée en plaques, dont les limites (ou frontières) concentrent la majeure partie de l’activité sismique et magmatique, et donc les contraintes (forces qui s’appliquent à la surface des roches). II La mesure du mouvement horizontal des plaques lithosphériques Les scientifiques utilisent différentes méthodes issues des différentes disciplines des géosciences pour mettre en évidence et quantifier le mouvement actuel et passé des plaques. La description d’un mouvement doit préciser : - sa direction (ex. Est-Ouest) - son sens (ex. d’Est en Ouest) - sa vitesse (v = d/t). A Quantifier le mouvement actuel des plaques grâce aux mesures géodésiques satellitaires Le mouvement actuel des plaques est mesuré par géodésie spatiale, et notamment grâce au GPS (Global Positioning System) depuis les années 1980. Grâce à des satellites, la position (latitude, longitude, altitude), au millimètre près, de stations GPS réparties au sol sur l’ensemble de la planète est connue. Le suivi de la position d’une station sur plusieurs années permet de déterminer la direction, le sens et la vitesse du déplacement de la plaque sur laquelle elle se trouve. Ces mesures indiquent un déplacement absolu et actuel des plaques de l’ordre de quelques cm/an. B Quantifier le mouvement passé des plaques grâce aux roches de la lithosphère océanique L'ÉTUDE DES ANOMALIES MAGNÉTIQUES DES BASALTES Les basaltes de la croûte océanique contiennent des minéraux qui ont enregistré les caractéristiques du champ magnétique de l’époque durant laquelle ils se sont formés. Grâce à un teslamètre tracté par un bateau, il est possible de mesurer l’anomalie de la valeur du champ magnétique des basaltes de la croûte océanique par rapport à la valeur du champ magnétique actuel. Ces mesures ont révélé l’existence d’anomalies magnétiques disposées en bandes parallèles et symétriques par rapport à l’axe de la dorsale. Les scientifiques ont interprété ces mesures par une expansion de la lithosphère océanique au niveau de la dorsale. Confrontées à l’échelle des inversions du champ magnétique terrestre, elles permettent de déterminer l’âge de la croûte océanique et de calculer des vitesses d’expansion océanique. L'ÉTUDE DE L'ÂGE DES ROCHES PAR RAPPORT A LA DORSALE Les roches sédimentaires de la croûte océanique prélevées lors des forages ont conservé des microfossiles vivant à l’époque durant laquelle ces roches se sont formées. L’étude de l’âge des roches sédimentaires en contact direct avec les basaltes, et donc l’âge de formation de la croûte océanique, révèle un âge croissant de manière symétrique de part et d’autre de la dorsale. Ces roches témoignent ainsi d’une expansion de la lithosphère océanique au niveau de la dorsale, dont on peut calculer la vitesse. L'ÉTUDE DES ALIGNEMENTS VOLCANIQUES LIES AUX POINTS CHAUDS Certains alignements de volcans comme la ride d’Hawaii résultent du déplacement d’une plaque au-dessus d’un point chaud, considéré fixe. La datation des volcans éteints et leur position par rapport au volcan actuellement actif permet de quantifier le déplacement de la plaque sur laquelle ces volcans se situent. III La caractérisation des limites des plaques lithosphériques La description du mouvement des plaques a permis de différencier plusieurs types de limites de plaques : - des zones de divergence, où deux plaques s’éloignent et où la lithosphère est produite par accrétion ; - des zones de convergence, où deux plaques se rapprochent et où la lithosphère disparaît dans l’asthénosphère par subduction. Chacun de ces contextes géodynamiques peut être identifié à l’aide de différents indices (marqueurs) géologiques et des mesures du déplacement de chacune des deux plaques impliquées. A Les caractéristiques des zones de divergence (exemple de la dorsale Est-Pacifique) MARQUEURS TOPOGRAPHIQUES Relief positif : dorsale océanique. MARQUEURS SISMOLOGIQUES - Foyers sismiques uniquement superficiels (< 35 km) et de faible magnitude (libérant peu d'énergie). - Anomalie négative de la vitesse des ondes sismiques sous l'axe de la dorsale, visible jusqu'à 400 km de profondeur. MARQUEURS THERMIQUES Flux géothermique très élevé à l'axe de la dorsale lié au magmatisme, diminuant progressivement et symétriquement de part et d'autre de la dorsale. MARQUEURS PÉTROLOGIQUES Basaltes en coussins en surface, gabbros en profondeur (voir Chapitre 1). DYNAMISME ÉRUPTIF Dominance des éruptions effusives (coulées). B Les caractéristiques des zones de convergence (exemple de la fosse des Caraïbes) MARQUEURS TOPOGRAPHIQUES Relief négatif (fosse océanique) suivi d'un relief positif (arc volcanique). MARQUEURS SISMOLOGIQUES - Foyers sismiques alignés le long d'un plan correspondant à la plaque plongeante, allant jusqu'à 700 km de profondeur (et de magnitude parfois très élevée). - Anomalie positive de la vitesse des ondes sismiques sous la fosse et jusqu'à 2900 km de profondeur, puis négative en-dessous de l'arc volcanique. MARQUEURS THERMIQUES Flux géothermique contrasté : - Faible au niveau de la fosse (plongement d'une plaque lithosphérique froide) ; - Soudainement élevé au niveau de l'arc volcanique (dû au magmatisme). MARQUEURS PÉTROLOGIQUES Andésites en surface (roches volcaniques à texture microlitique ayant la même composition minéralogique que les granites), granites en profondeur (voir chapitre 1). DYNAMISME ÉRUPTIF Dominance des éruptions explosives. La caractérisation de la mobilité horizontale Lexique Lithosphère – Plaque lithosphérique – Mouvement – GPS – Anomalie magnétique – Point chaud – Zone de divergence – Zone de convergence – Flux géothermique.

EXERCICESCHAPITRE 2La caractérisation de la mobilité horizontale EXERCICE 1 Les données des stations GPS du Pacifique Les données GPS permettent de caractériser le déplacement absolu des plaques lithosphériques. Consignes 1) Déterminer les vitesses et le sens de déplacement des stations EISL et SANT. 2) Représenter les vecteurs vitesse associés sur la carte fournie à imprimer (doc. 1). 3) Déterminer le mouvement relatif entre la plaque Nazca (où se situe EISL) et la plaque Sud-Américaine (où se situe SANT). Ressources disponibles Document 1 : Carte localisant quelques stations GPS. Par souci de simplicité pour tracer les vecteurs vitesse, nous allons choisir arbitrairement une échelle qui sera différente de la réalité (représenter quelques centimètres à l'échelle de 40 212 km de circonférence de la Terre relève de l'exploit si on veut garder une échelle réelle, ...). L'échelle fixée sur cette carte est de 1/3 : 1 cm sur la carte correspond à 3 cm en réalité. Document 2 : Base de données GPS de la NASA. La base de données GPS Time Series de la NASA contient les données du suivi des positions géographiques des stations EISL et SANT. EXERCICE 2 Comparaison de la vitesse d'expansion océanique de 2 dorsales On s'intéresse à la vitesse d'expansion océanique au niveau de deux dorsale : - d'une part, la dorsale Est-Pacifique, séparant les plaques Pacifique et Nazca ; - d'autre part, la dorsale médio-Atlantique, séparant les plaques Eurasie (Eu) et Nord-Américaine (AmN). Consignes A partir d'une exploitation des documents, comparer la vitesse d'expansion océanique de la dorsale Est-Pacifique et de la dorsale Atlantique, puis formuler une hypothèse pour expliquer les différences constatées. Ressources disponibles Document 1 : Anomalies magnétiques des basaltes en fonction de la distance à l'axe des deux dorsales. Source : Banque de schémas ac-dijon. Document 2 : Relation entre la vitesse absolue des plaques et leur pourcentage de frontière en subduction. La subduction est le plongement d'une plaque lithosphérique dans l'asthénosphère. Source : Banque de schémas ac-dijon. EXERCICE 3 Le contexte géodynamique de l'Islande L'Islande est une île située dans l'Atlantique Nord, qui présente une activité géologique très marquée. Consignes A partir d'une exploitation rigoureuse des documents, discuter le contexte géodynamique (zone de divergence, zone de convergence ou point chaud) de l'Islande. Ressources disponibles Document 1 : Carte géologique de l'Islande. Source : Banque de schémas ac-dijon. Document 2 : Répartition des anomalies de la vitesse des ondes S sous l'Islande. Source : Banque de schémas ac-dijon. Document 3 : Répartition du flux géothermique de surface au niveau de l'Islande. Le flux géothermique quantifie la libération d'énergie thermique par unité de surface et par unité de temps. Source : Tectoglob3D. Document 4 : Echantillon prélevé au niveau d'un volcan islandais et lame mince associée observée en LPA (G x 40). Source : F. Labaune, macromicrophoto.fr

1LE DEPLACEMENT ABSOLU DES PLAQUES LITHOSPHÉRIQUES Rappels : Identifier les plaques lithosphériques LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) A l'aide du logiciel Tectoglob3D, montrer que la lithosphère est découpée en plaques dont les limites concentrent la majeure partie de l'activité sismique et magmatique. 2) En utilisant Tectoglob3D, déterminer sur quelle plaque lithosphérique l'île d'Hawaii est située Données affichées > Autres claques de données > Plaques tectoniques majeures L'objectif Les scientifiques utilisent différentes méthodes issues des différentes disciplines des géosciences pour décrire le mouvement des plaques, actuel ou passé. Caractériser le mouvement absolu d’une plaque, c’est préciser sa direction, son sens et sa vitesse par rapport à un repère (référentiel) considéré comme fixe. On cherche à caractériser le déplacement horizontal absolu d'une plaque lithosphérique. On prendra comme exemple la plaque Pacifique. PARTIE 1 L'étude des mesures géodésiques satellitaires Depuis la fin du XXe siècle, un repérage très précis de tout point situé au sol est possible grâce à des signaux provenant de réseaux de satellites : c'est la géodésie spatiale. L'une des principales techniques de géodésie spatiale, le GPS (Global Positioning System), utilise trente satellites situés à 20 000 km d'altitude. Les signaux qu'ils émettent sont captés au sol par des récepteurs fixes ou mobiles, ce qui permet de calculer en temps réel les coordonnées géographiques (latitude, longitude et altitude) de ces récepteurs. Les stations GPS utilisées par les géologues ont une précision inférieure au millimètre. Leurs changements de position au cours du temps servent notamment à mesurer les déplacements des plaques lithosphériques. LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) A partir de la base de données GPS de la NASA, ouvrir les données concernant la station GPS "HILO" basée à Hawaii. 2) A partir des graphiques affichés, indiquer le sens de déplacement de la station HILO et donc de la plaque Pacifique au niveau de la station. Attention : - Les positions en longitude sont données par rapport au méridien de Greenwich, positives vers l'Est, négatives vers l'Ouest. - Les positions en latitude sont données par rapport à l'équateur, positives vers le Nord, négatives vers le Sud. 3) Calculer la vitesse de déplacement en cm/an en longitude et en latitude de la station GPS "HILO". 4) A l'aide du document 2, calculer la vitesse globale de déplacement de la station HILO en cm/an. 5) Sur le logiciel Tectoglob3D, tracer le vecteur vitesse obtenu sur logiciel Tectoglob3D (Actions > Ajouter/Gérer objets > Vecteurs vitesse). Attention, les vitesses de déplacement sont à saisir dans l'onglet "Réglages/paramètres" en mm/an. 6) Comparer les informations obtenues avec : - les autres vecteurs GPS tracés sur la même plaque lithosphérique dans le logiciel Tectoglob3D (Données affichées > Vecteurs GPS et Plaques tectoniques majeures) ; - avec les informations obtenues avec l'étude des alignements volcaniques de l'archipel d'Hawaii (partie 1). Document 1 : Suivre le déplacement des plaques lithosphériques. Afin de suivre en continu les mouvements de la surface terrestre, des milliers de stations GPS permanentes ont été installées partout à la surface du globe. Ces stations sont constituées d'une broche métallique fixée à la roche et d'une antenne GPS placée exactement à la verticale du centre du repère, à une hauteur déterminée. La mesure GPS de la position de l'antenne fournit alors la position du repère. Il suffit de mesurer à nouveau cette position quelque temps après pour détecter un déplacement absolu et en déduire une vitesse. Aujourd'hui, le GPS offre une précision de mesure des vitesses de déplacement horizontal de l'ordre du mm/an. Station GPS (Isère, France). Document 2 : Calculer la vitesse de déplacement d'un point. Calculer la vitesse globale de déplacement d'un point revient à calculer la norme d'un vecteur vitesse dont l'une des coordonnées est la latitude et l'autre la longitude. PARTIE 2 L'étude des alignements volcaniques liés aux points chauds Située dans l'océan Pacifique, la ride d'Hawaii-Empereur est composée d'un alignement d'édifices volcaniques sous-marins inactifs et de l'archipel des îles d'Hawaii. Ce dernier comprend des volcans actifs, comme le Kilauea. Ce volcanisme, localisé non pas aux limites mais à l'intérieur d'une plaque, est qualifié de type "point chaud". LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) A l'aide des documents 1 et 2, expliquer comment les alignements volcaniques liés aux points chauds peuvent être utilisés pour caractériser le déplacement de la plaque Pacifique. 2) A partir du fichier "Volcans_Hawaii.kmz" à télécharger et à ouvrir sur Tectoglob3D, construire un graphique représentant la distance au volcan actif le plus récent (Loihi) en fonction de l'âge des volcans de la plaque Pacifique. Vous utiliserez le logiciel adéquat de votre choix pour construire ce graphique. 3) Exploiter le graphique obtenu et la disposition des volcans pour caractériser le déplacement actuel de la plaque Pacifique, et en calculer la vitesse moyenne depuis 30 Ma en cm/an. Document 1 : Schéma d'interprétation de l'alignement volcanique Hawaii-Empereur. En 1971, J. Morgan propose une interprétation des alignements volcaniques à l'intérieur de la plaque Pacifique. Il les explique par le déplacement de cette plaque au-dessus d'une source intermittente de magma, considérée comme fixe et positionnée actuellement sous le volcan actif. Document 2 : Âge des volcans de l'archipel d'Hawaii. Les géologues ont déterminé l'âge des plus anciennes roches mises en place pour chaque volcan. La localisation ainsi que l'âge des volcans sont disponibles dans le fichier ci-dessous, à télécharger et à importer depuis Tectolob3D (Fichier > Importer > Importer un dossier compressé GoogleEarth) : Localisation et âge des volcans de l'archipel d'Hawaii. Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Identifier, en utilisant des données sismiques, les plaques lithosphériques et leurs limites. - Analyser des bases de données de vitesse de déplacement (mesures GPS). - Exploiter des données issues des mesures GPS pour caractériser le déplacement absolu actuel d'une plaque lithosphérique. - Exploiter des données sur les alignements volcaniques liés aux points chauds pour caractériser le déplacement absolu d'une plaque lithosphérique.

2LE DEPLACEMENT RELATIF DE DEUX PLAQUES LITHOSPHERIQUES Une hypothèse à tester : l'expansion océanique En 1962, le géologue Harry Hess propose que le plancher océanique se forme au niveau de la dorsale, s'en écarte de part et d'autre à la manière d'un double tapis roulant, puis finit par plonger dans le manteau au niveau des grandes fosses océaniques. Selon lui, les mouvements de convection seraient le moteur de ce processus. On sait aujourd'hui que cette expansion océanique résulte de la divergence des plaques lithosphériques au niveau des dorsales. De part et d’autre des dorsales océaniques, le modèle de la tectonique des plaques prévoit une divergence de plaques, c'est-à-dire une déplacement en sens opposé. Cette affirmation repose sur des méthodes permettant de décrire le mouvement relatif des plaques, c’est-à-dire des unes par rapport aux autres. On s’intéresse la dorsale Est-Pacifique, frontière entre la plaque Pacifique à l’Ouest et la plaque Nazca à l’Est, au niveau du 30ème parallèle Sud. L'objectif On cherche à expliquer comment certaines données géologiques permettent de mettre en évidence une divergence des plaques de part et d'autre de la dorsale Est-Pacifique, puis à calculer la vitesse moyenne d'expansion océanique passée pour la comparer avec la vitesse actuelle. PARTIE 1 L'étude de l'âge des roches par rapport à la dorsale LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) A l'aide d'un schéma et d'un texte, indiquer en quoi l'étude de l'âge des roches du plancher océanique situées de part et d'autre de la dorsale fournit des indices en faveur d'une expansion océanique.2) Construire un graphique représentant la distance à la dorsale en fonction de l'âge des sédiments.3) Calculer la vitesse d'expansion océanique au niveau de la dorsale Est-Pacifique. Document 1 : Comment dater un basalte océanique grâce aux sédiments ? Lors de campagnes à bord de navires océanographiques équipés d'une tour de forage, des scientifiques prélèvent des carottes de forage qui contiennent l'ensemble des dépôts successifs de sédiments du fond des océans jusqu'au basalte. Ces carottes de forage ainsi obtenues sont ensuite rapportées et analysées en laboratoires. Les paléontologues, grâce à l'identification des microfossiles que ces sédiments contiennent, sont capables de déterminer l'âge des sédiments les plus anciens au contact du basalte. En considérant que les sédiments les plus anciens se sont déposés peu après que ce basalte se soit formé au niveau de l'axe de la dorsale, on peut ainsi préciser l'âge où ce basalte se trouvait à la frontière de deux plaques en divergence et établir une carte de l'âge des fonds océaniques. Document 2 : Extrait de la carte de l'âge des sédiments au contact direct du basalte dans le Pacifique. En exploitant les données de centaines de forages, il est possible de construire la carte de l'âge des plus anciens sédiments en contact avec le basalte des fonds océaniques. Cet âge correspond aussi à celui de la croûte océanique, il est exprimé en millions d'années (Ma). Visite guidée à bord d'un navire océanographique équipé d'une tour de forage, le JOIDES Resolution. Tectoglob3D (carte géologique mondiale, âge du planche océanique, profil de l'âge du plancher). OneGeology Portal (affichage du calque "World CGMW 1:50M Geological Units Offshore). PARTIE 2 L'étude des anomalies magnétiques LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION Document 1 : Le champ magnétique terrestre. La Terre possède un champ magnétique semblable à celui qui serait créé par un barreau aimanté placé au centre de la Terre. Ce champ est caractérisé par ses deux pôles magnétiques (Nord et Sud), sa direction (donnée par les lignes de force) et son intensité (en millitesla). L'aiguille d'une boussole s'aligne sur le lignes de force du champ magnétique ambiant. Document 2 : La mémoire magnétique des roches. Les roches magmatiques possèdent leur propre aimantation. Elles contiennent en effet des minéraux (comme la magnétite) qui acquièrent une aimantation en-dessous d'une certaine température, dite de Curie (585°C pour la magnétite). Prenons l'exemple d'un magma basaltique, émis à une température de 900-1000°C. Au cours de son refroidissement, vers 585°C, les cristaux de magnétite acquièrent leur propre aimantation, à l'origine d'un champ magnétique, qui s'oriente selon la direction du champ magnétique terrestre ambiant. Or à cette température, le basalte est déjà solidifié. Les minéraux aimantés ne peuvent donc plus bouger les uns par rapport aux autres. Le basalte a ainsi acquis une "mémoire magnétique" : il a enregistré la direction et le sens du champ magnétique terrestre du lieu et de l'époque de son refroidissement. Expérience mettant en évidence les propriétés magnétiques d'un basalte. Expérience mettant en évidence le point de Curie du fer. Document 3 : Les inversions du champ magnétique terrestre. En 1906, le géologue Bernard Brunhes découvre que le sens du champ magnétique "mémorisé" par certaines laves basaltiques âgées de moins de 5 millions d'années est l'inverse du champ actuel. Il en conclut que le pôle Nord magnétique contemporain de l'émission de ces laves était proche du pôle Sud géographique actuel et, donc, que le sens du champ magnétique terrestre peut s'inverser. Dans le même temps, le géologue Motonori Matuyama montre, en étudiant des laves d'âge variable, que de multiples inversions du sens du champ magnétique terrestre se sont produites dans l'histoire de la Terre. On parle de polarité normale quand le sens du champ est identique à celui du champ magnétique actuel et de polarité inverse quand le sens du champ est l'inverse de celui du champ actuel. En regroupant les données obtenues sur de nombreux échantillons de laves, les géologues ont pu dresser une chronologie précise des inversions du champ magnétique terrestre depuis 4,5 Ma. Document 4 : La découverte d'anomalies magnétiques en milieu océanique. Les campagnes océanographiques des années 1950 ont permis de mesurer l'intensité du champ magnétique en milieu océanique, grâce à des magnétomètres embarqués à bord. On a alors découvert l'existence d'anomalies magnétiques : l'intensité mesurée était soit supérieure (anomalie positive, en noir), soit inférieure (anomalie négative, en blanc) à l'intensité moyenne du champ magnétique actuel. Ces anomalies ont été repérées sur des cartes, comme au Sud-Ouest de l'Islande (voir ci-contre). Pour tous les océans sans exception, les données océanographiques, aériennes et spatiales ont permis d'obtenir des profils "en peau de zèbre" qui sont restés incompris jusqu'en 1963. Tectoglob3D (Données affichées > Autres calques de données > Anomalies magnétiques). Document 5 : L'interprétation des anomalies magnétiques. En 1963, F. Vine, D. Matthews et L. Morley proposent une explication aux mystérieux profils magnétiques océaniques en peau de zèbre. Pour eux, chaque bande d'anomalie magnétique est due à l'aimantation acquise par les basaltes océaniques au moment de leur mise en place au niveau de la dorsale. Sous l'effet de différentes forces, les basaltes s'écartent ensuite de la dorsale tout en conservant leur aimantation. Lorsqu'ils ont été mis en place en période magnétique normale, leur aimantation s'ajoute à celle du champ magnétique actuel, à l'origine d'une anomalie positive. Quand ils ont été mis en place en période inverse, leur aimantation est à l'opposée du champ magnétique actuel, à l'origine d'une anomalie négative. Document 6 : Profil magnétique mesuré et représentation des anomalies magnétiques correspondantes en fonction de la distance à la dorsale Est-Pacifique. Le profil des anomalies magnétiques de chaque côté de la dorsale correspond à la chronologie des inversions du champ magnétique au cours du temps. On peut ainsi dater la mise en place des basaltes. En bleu foncé : anomalies positives ; en bleu clair : anomalies négatives. Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Exploiter des données sédimentaires ou magnétiques permettant d'établir la divergence de part et d'autre d'une dorsale océanique.

3CARACTÉRISER LES LIMITES DES PLAQUES LITHOSPHÉRIQUES Les mesures du déplacement des plaques lithosphériques ont permis de mettre en évidence : - Des limites entre plaques convergentes, où deux plaques se rapprochent l’une par rapport à l’autre. En milieu océanique, il s’agit des zones de subduction océanique, où la lithosphère océanique disparaît en plongeant dans l’asthénosphère. Elles se trouvent au niveau des fosses océaniques. - Des limites entre plaques divergentes, où deux plaques s’écartent l’une par rapport à l’autre. En milieu océanique, il s’agit des zones d’accrétion océanique, où une nouvelle lithosphère océanique est produite à partir de l’asthénosphère. Elles se trouvent au niveau des dorsales océaniques. Chacun de ces contextes peut être caractérisé à l’aide de différents marqueurs géologiques, qu’il nous faudra ensuite expliquer dans le cadre du modèle de la dynamique interne de la Terre. L'objectif On cherche à comparer les caractéristiques géologiques des zones de divergence et des zones de convergence en milieu océanique. Pour cela, vous compléterez le tableau distribué en exploitant les ressources proposées. Vous réaliserez également une micrographie d'une roche que vous n'aviez pas encore observé jusqu'ici. Les ressources disponibles Document 1 : Caractériser le mouvement des plaques lithosphériques. A l'aide du logiciel Tectoglob3D, il est possible d'afficher les vecteurs GPS afin de déterminer si les plaques de part et d'autre de la limite convergent ou divergent. Pensez à préciser la direction, le sens et la vitesse du déplacement des plaques adjacentes. Données affichées > Vecteurs GPS Document 2 : Caractériser le relief. A l'aide du logiciel Tectoglob3D, il est possible d'afficher la carte topographique mondiale et de tracer des profils topographiques pour visualiser les reliefs (négatifs, positifs) caractéristiques de ses zones. Vocabulaire à utiliser : dorsales océaniques, fosses océaniques, arc volcanique. Options > Fond de carte mondial > Carte topographique Actions > Tracer une coupe Document 3 : Caractériser la sismicité. A l'aide du logiciel Tectoglob3D, il est possible d'afficher la répartition des foyers sismiques sur une carte ou sur une coupe perpendiculaire à la limite de plaques. Indiquer la répartition dans l'espace des foyers sismiques : - Présence de séismes superficiels ? (profondeur des foyers entre 0 et 60 km) - Présence de séismes intermédiaires ? (profondeur des foyers entre 60 à 300 km) - Présence de séismes profonds ? (profondeur des foyers entre 300 à 700 km) Données affichées > Foyers sismiques Actions > Tracer une coupe Document 4 : Caractériser les failles. Un séisme est associé à un déplacement de deux compartiments de roche le long du plan de faille qui les sépare. Il existe deux principaux types de failles : les failles normales et les failles inverses. L'étude des sismogrammes permet de définir le mécanisme au foyer, c'est-à-dire de caractériser le plan de rupture associé au séisme étudié. On en déduit alors le mouvement relatif des compartiments rocheux et le type de faille. Au niveau d'une dorsale océanique(focalisez-vous sur l'axe de la dorsale) Au niveau d'une zone de subduction(focalisez-vous sur la plaque nord-américaine) Indiquer et schématiser le type de faille (inverse, normale) majoritaire au niveau de chaque frontière de plaques. Document 5 : Caractériser les anomalies de vitesse des ondes sismiques. A l'aide du logiciel Tectoglob3D, il est possible d'afficher la répartition des anomalies de la vitesse de propagation des ondes sismiques sur une coupe perpendiculaire à la limite de plaques. Indiquer l'éventuelle présence d'anomalies positives/négatives de la vitesse des ondes sismiques, préciser leur profondeur et l'interprétation (revoir les activités 3 et 5 du chapitre 1 si besoin). Données affichées > Tomographie sismique (choisir modèle GAP pour la fosse et ANI pour la dorsale) Actions > Tracer une coupe Document 6 : Caractériser le flux géothermique. Le flux géothermique de surface est la quantité d'énergie thermique qui sort de la Terre, par unité de surface et par unité de temps. Il est exprimé en W/m2 (soit J/s/m2). (A) Carte mondiale du flux géothermique de surface (B) Profil de variation du flux géothermique de part et d'autre d'une dorsale (C) Profil de variation du flux géothermique au niveau d'une zone de subduction Indiquer l'évolution du flux géothermique le long d'un profil perpendiculaire à la limite de plaques, en citant des valeurs chiffrées. Document 7 : Caractériser le dynamisme éruptif. Volcanisme au niveau d'une dorsaleVolcanisme au niveau d'une zone de subduction Indiquer si les éruptions volcaniques sont plutôt : - effusives ("paisibles" coulées de laves) ? - explosives (nuées ardentes, panaches de cendres) ? Document 8 : Caractériser les roches magmatiques mises en place. Déterminer le nom, la texture et la composition minéralogique des principales roches magmatiques mises en place au niveau des zones de subduction et des dorsales. MATÉRIEL A EXPLOITER - Échantillons et lames minces de roches prélevées au niveau des dorsales et des fosses océaniques. - Microscope optique polarisant et planche de détermination des minéraux. Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Analyser et mettre en relation le flux géothermique surfacique et le contexte géodynamique à partir de cartes des flux géothermiques surfaciques. - Etudier des données sur les dorsales (bathymétrie, forages, etc.).

La dynamique des zones de convergence

Structure et dynamique interne de la Terre

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

ACTIVITÉS

CONNAISSANCES

L'origine du magmatismedes zones de subduction

Déshydratation et subductionde la lithosphère océanique

Un épaississement de la croûteau niveau des zones de collision

EXERCICES

PLAN DE TRAVAIL

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

Rappel : Les zones de convergence sont définies par le rapprochement relatif de deux plaques lithosphériques. Ce rapprochement peut être accommodé par un plongement en profondeur de la lithosphère océanique dans l’asthénosphère (ce sont les zones de subduction océanique). Une fois la lithosphère océanique disparue, la lithosphère continentale restante plonge à son tour et affronte une autre lithosphère continentale de même densité au niveau de certaines chaînes de montagnes (ce sont les zones de collision continentale). LE PROBLÈME : Comment les données des géosciences permettent-elles de comprendre la dynamique des zones de convergence ? I – La disparition de la lithosphère océanique au niveau des zones de subduction Les zones de subduction sont des limites de plaques convergentes, où, au niveau d’une fosse océanique, la lithosphère (rigide et froide) plonge en profondeur dans l’asthénosphère (plus chaude et ductile). Modèle d'une zone de subduction océan-continent N.B. Pour réviser les marqueurs géologiques des zones de subduction, consulter le bilan du chapitre 2. A | Caractéristiques et origine du magmatisme au niveau des zones de subduction Les zones de subduction sont caractérisées par une activité magmatique importante. Le magmatisme y est concentré au niveau d’un arc magmatique, toujours situé sur la plaque chevauchante. - En surface, les éruptions volcaniques sont souvent explosives. Elles sont marquées par des nuées ardentes qui font régulièrement de nombreux victimes (comme en 1902, lors de l’éruption de la Montagne Pelée à la Martinique). - En profondeur, le magmatisme conduit à la mise en place de nombreux massifs plutoniques, dégagés par l’érosion (exemple de la Sierra Nevada aux USA). Toutefois, le géotherme des zones de subduction ne croise jamais les solidus des différents matériaux de la lithosphère. Les conditions de pression et de température ne semblent donc pas permettre une fusion partielle de ces matériaux. Diagramme de phases des péridotites et géotherme de zone de subduction Problème : Comment le plongement d’une plaque lithosphérique, pourtant froide, dans l’asthénosphère entraîne-t-il la production d’un magma sur la plaque chevauchante ? Comment expliquer le magmatisme des zones de subduction ? 1) Les conditions permettant la fusion partielle du manteau de la plaque chevauchante a/ Les données de terrain : étude des roches magmatiques des zones de subduction Les roches prélevées au niveau des arcs magmatiques des zones de subduction montrent une diversité : - En surface, le volcanisme produit des roches volcaniques comme les andésites et les rhyolites. - Les massifs plutoniques, formés en profondeur, sont constitués de roches plutoniques comme les granites. Toutefois, toutes ces roches contiennent des minéraux comportant de l’eau structurale dans leur réseau cristallin, sous forme de groupements hydroxyles (-OH). Ces minéraux sont dits hydratés (c’est le cas de la hornblende, ou la biotite). Or ces roches sont issues du refroidissement et de la solidification d’un magma, dont elles ont enregistré les caractéristiques. On en déduit que le magma produit au niveau des zones de subduction est riche en eau, produit par fusion d’un matériau hydraté. Remarque : Cette richesse en eau explique aussi le dynamisme explosif des volcans des arcs magmatiques : dans les magmas visqueux, les gaz comme la vapeur d’eau peinent à s’échapper et s’accumulent, jusqu’à provoquer une explosion de l’édifice. b/ Les données expérimentales : étude des conditions de fusion des péridotites au laboratoire Au laboratoire, il est possible de comparer la température nécessaire à la fusion des péridotites anhydres (sans eau structurale) avec la température de fusion des péridotites hydratées. On constate que la présence d’eau structurale (sous forme d’ions hydroxyle OH-) abaisse la température de fusion des péridotites. Ainsi, le géotherme de la lithosphère plongeante croise le solidus des péridotites hydratées vers 100 km de profondeur, permettant leur fusion partielle. Modélisation des isothermes au niveau d'une zone de subduction. Cliquez ici pour accéder à une animation. Diagramme de phases de la péridotite anhydre (sans eau) et hydratée. c/ Le modèle explicatif : une fusion partielle permise par l’hydratation de la plaque chevauchante Au niveau des zones de subduction, la zone de fusion partielle à l'origine du magma est toujours située vers 100 km de profondeur, au niveau du manteau lithosphérique de la plaque chevauchante (aussi appelé coin de manteau). La fusion partielle est permise par l’hydratation des péridotites du manteau lithosphérique de la plaque chevauchante. Mais comment expliquer cette hydratation ? D’où vient l’eau ? 2) L'origine de l'eau hydratant le coin de manteau a/ Les données de terrain : étude des roches de la lithosphère océanique plongeante Des fragments de roches de la lithosphère océanique plongeante sont parfois remontés à proximité de la fosse océanique. Lors de leur remontée, ces roches conservent les caractéristiques qu’elles ont acquises en profondeur. Parmi ces roches, on trouve : - Des roches composées d’un minéral hydraté, le glaucophane et de minéraux résiduels du gabbro (plagioclase et pyroxène déstabilisés). Ces roches sont issues des transformations des minéraux du gabbros, et sont nommés métagabbros à glaucophane (ou schistes bleu). - Des roches composés uniquement de minéraux anhydres, comme le grenat et la jadéite. Plus aucun minéral du gabbro n’est identifiable, mais la roche présente la même composition chimique que le gabbro. Ces roches sont donc aussi issues de la transformation des minéraux du gabbro, et sont nommés métagabbros à grenat et jadéite (ou éclogites). b/ Les données expérimentales : étude des transformations minéralogiques des roches au laboratoire Au laboratoire, il est possible de reconstituer les conditions pour lesquelles ces associations de minéraux sont stables. Grâce à ces expériences, on montre que le glaucophane apparaît lorsqu’un gabbro est placé dans des conditions de haute pression. Ces conditions correspondent bien à l’enfouissement en profondeur de la lithosphère océanique (plus une roche est enfouie en profondeur, plus la pression qu’elle subit est importante). D’autre part, si la pression augmente encore plus, le glaucophane (minéral hydraté) se transforme en association grenat + jadéite (minéraux anhydres). Cette transformation libère donc de l’eau. Diagramme de stabilité des associations minéralogiques obtenues à partir du gabbro en fonction de la pression et de la température. c/ Le modèle explicatif : des transformations minéralogiques qui déshydratent la plaque plongeante Rappel du chapitre 3 : Au niveau des dorsales, l’eau de mer favorise le refroidissement et l’hydratation des minéraux des roches de la lithosphère océanique. Ces deux phénomènes entraînent des modifications à l’état solide de la composition minéralogique des roches de la LO (c’est le métamorphisme hydrothermal). Les roches de la lithosphère océanique parvenant au niveau des zones de subduction contiennent des minéraux hydratés (transformations 1 et 2 sur le diagramme ci-dessous). Au fur et à mesure qu’elle plonge dans l’asthénosphère, la lithosphère océanique plongeante est soumise à une augmentation de pression (et de température). Dans ces nouvelles conditions, les minéraux hydratés qui constituent les roches de la lithosphère océanique se déstabilisent et se transforment à l’état solide. Ces transformations minéralogiques libèrent de l’eau. On parle de métamorphisme de subduction. Exemples : - Au cours de leur enfouissement, la hornblende des métagabbros réagit et se transforme en glaucophane (minéral contenant moins d’eau). Suite à cette première transformation, de l’eau est libérée et la roche devient un métagabbro à glaucophane (3). - A des pressions encore plus élevées, le glaucophane se transforme en grenat et en jadéite (deux minéraux anhydres, qui ne contiennent plus de groupements HO-). Suite à cette transformation, de l’eau est à nouveau libérée et la roche devient un métagabbro à grenat et à jadéite (4). Trajet P-T suivi par un gabbro de la lithosphère océanique. Cliquez ici pour accéder à une animation. L’eau libérée par la lithosphère plongeante migre dans le manteau lithosphérique de la plaque chevauchante et l’hydrate à son tour. Cette hydratation rend possible la fusion partielle des péridotites. 2) Devenir du magma produit au niveau des zones de subduction : production des roches de la croûte continentale Les magmas produits peuvent ensuite remonter plus ou moins haut dans la lithosphère : - Ils peuvent refroidir en profondeur donc lentement, ce qui permet une cristallisation complète (85% des magmas). Ils forment alors des massifs plutoniques constitués de roches plutoniques comme les granites, caractérisées par une texture grenue. - Ils peuvent refroidir en surface donc rapidement, ce qui empêche leur cristallisation complète (15% des magmas). Ils forment alors des roches volcaniques comme les andésites ou les rhyolites, caractérisées par une texture microlithique (avec du verre). Les magmas peuvent subir des modifications lors de leur ascension (par exemple causées par des échanges d’éléments chimiques avec la croûte continentale traversée). L’ensemble de ces processus explique la diversité de la composition minéralogique des roches produites. Fragment de croûte continentale pris au piège dans le magma, témoignant d'une contamination crustale. Le magma produit au niveau des zones de subduction permet donc la production de roches typiques de la croûte continentale (notamment des granites). UN BILAN POUR MIEUX RETENIR Schéma expliquant l'origine du magmatisme dans les zones de subduction EN ROUTE VERS LE BAC > Des mots-clés à savoir définir : Zone de subduction - Plaque plongeante - Plaque chevauchante - Fusion partielle - Coin de manteau - Minéral hydraté - Métamorphisme - Roche volcanique - Roche plutonique. > Des roches à connaître pour illustrer avec des exemples : - Andésites : Roches magmatiques à texture microlithique, composée de cristaux de plagioclases et de hornblende (hydratés). - Rhyolites : Roches magmatiques à texture microlithique, composée de cristaux de quartz, de feldspaths et de micas (hydratés). - Granites : Roches magmatiques à texture grenue, composée de cristaux de quartz, de feldspaths et de micas (hydratés). - Métagabbros à glaucophane (ou schistes bleu) : Roches métamorphiques composées de cristaux de glaucophane, provenant de la transformation d'un gabbro. - Métagabbros à grenat et jadéite (ou éclogites) : Roches métamorphiques composées de grenat et de jadéite (minéraux anhydres), provenant de la transformation d'un gabbro. > Je dois être capable de : - Expliquer l'origine du magmatisme des zones de subduction. ~~~ Télécharger cette fiche au format .pdf ~~~

A venir

RAPPELSCARTE D'IDENTITELes zones de subduction Les zones de subduction (subduction signifie littéralement "conduire sous") sont des limites de plaques convergentes, où, au niveau d’une fosse océanique, la lithosphère (rigide et froide) plonge en profondeur dans l’asthénosphère (plus chaude et ductile). Modèle d'une zone de subduction océan-continent Les zones de subduction sont identifiables grâce à différents marqueurs géologiques : Marqueurs topographiques. Relief négatif (fosse océanique) suivi d’un relief positif (arc magmatique). Marqueurs sismologiques. - Foyers sismiques alignés le long du plan de Wadati-Benioff, correspondant à la plaque plongeante, allant jusqu’à 700 km de profondeur (et de magnitude parfois très élevée). - Anomalie positive de la vitesse des ondes sismiques sous la fosse et jusqu’à 2900 km de profondeur (trace de la lithosphère plongeante), puis négative en-dessous de l’arc volcanique (témoignant d'une remontée locale de magma chaud). Marqueurs thermiques. Flux géothermique contrasté : - Faible au niveau de la fosse (plongement d’une plaque lithosphérique froide) - Soudainement élevé au niveau de l’arc magmatique (dû au magmatisme). Marqueurs pétrologiques. - Andésites en surface (roches à texture microlitique composées de feldspaths plagioclase et de hornblende). - Granites en profondeur (voir chapitre 1). Dynamisme éruptif. Dominance des éruptions explosives. Coupe réalisée au niveau d'une zone de subduction sur le logiciel Tectoglob3D.

III – L'affrontement de deux lithosphères continentales au niveau des zones de collision Les zones de collision sont des limites de plaques convergentes, où deux plaques de lithosphère continentale (de même densité) s'affrontent. A | Mise en évidence d'un épaississement de la croûte continentale au niveau des zones de collision Les profils établis par la technique de sismique réflexion montrent que le Moho est plus profond au niveau des chaînes de collision : jusqu’à 50 km sous les Alpes, et 75 km sous l’Himalaya, contre 30 km en moyenne). La croûte continentale est donc épaissie en profondeur sous les zones de collision. B | Les indices fournis par les structures tectoniques visibles dans les zones de collision Dans les chaînes de montagnes associées à une collision continentale, les couches de roches sédimentaires présentent fréquemment des déformations (ou structures tectoniques) :

Des plis (déformations ductiles) et des failles inverses (déformations cassantes) qui sont des déformations s'accompagnant d'un raccourcissement et d'un épaississement de la croûte continentale par empilement de matériaux ;

Au niveau de grands chevauchements, de vastes lambeaux de croûtes continentales, appelés nappes de charriage, se sont décollés et déplacés lentement parfois sur plusieurs dizaines de km. Ces dernières chevauchent (recouvrent) d'autres terrains initialement éloignés et cet empilement de terrains entraîne un épaississement.

Quelques déformations (structures tectoniques) visibles au niveau des chaînes de montagnes. On retrouve la trace de ces déformations à différentes échelles, sur des échantillons, dans les paysages et même sur le profil ECORS. L’épaississement crustal est donc lié à des déformations de la croûte continentale. C | Un modèle explicatif de l'épaississement crustal au niveau des zones de collision Une modélisation analogique montre que des contraintes compressives exercées sur une pile de matériaux peuvent expliquer un raccourcissement et un épaississement du modèle par empilement de matériaux. Dans les zones de collision, ces contraintes compressives résultent de l’affrontement (collision) de deux lithosphères continentales de même densité. UN BILAN POUR MIEUX RETENIR Schéma expliquant l'épaississement crustal des zones de collision EN ROUTE VERS LE BAC > Des mots-clés à savoir définir : Zone de collision - Epaississement crustal - Structures tectoniques (déformation). > Des structures tectoniques (déformations) à connaître pour illustrer avec des exemples : - Plis - Failles inverses - Chevauchements - Nappes de charriage > Je dois être capable de : - Expliquer l'épaississement de la croûte continentale au niveau des zones de collision. ~~~ Télécharger cette fiche au format .pdf ~~~

PLAN DE TRAVAILCHAPITRE 3La dynamique des zones de divergence Des modèles à interroger Dans le modèle de la dynamique interne de la Terre, les zones de subduction (subduction signifie littéralement "conduire sous") sont des limites de plaques convergentes, où, au niveau d’une fosse océanique, la lithosphère (rigide et froide) plonge en profondeur dans l’asthénosphère (plus chaude et ductile). De même, les chaînes de montagnes comme les Alpes sont des zones de collision. Au niveau de ces limites entre plaques convergentes, plusieurs lithosphères continentales de même densité s’affrontent : c’est la collision continentale. Problématique(s) Comment les données des géosciences permettent-elles de comprendre la dynamique des zones de convergence ? Activités 1 - Origine du magmatisme des zones de subduction 2 - Déshydratation et plongement de la lithosphère océanique 3 - Un épaississement de la croûte au niveau des zones de collision Compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et organiser des informations. - Argumenter, construire un raisonnement scientifique. - Relier la minéralogie des roches magmatiques mises en place (andésite, rhyolite, granites) et l'état d'hydratation du magma. - Utiliser le diagramme de phases des péridotites pour montrer les effets de l'hydratation. - Comparer la minéralogie d'échantillons illustrant la déshydratation de la lithosphère (schiste bleu, écologiste). - Discuter les relations entre vitesse d'accrétion et pourcentage de subduction aux frontières de plaques. - En considérant la densité moyenne de la lithosphère et celle de l'asthénosphère, déterminer l'épaisseur et l'âge de la lithosphère qui induiraient un déséquilibre gravitaire. Confronter les valeurs aux situations réellement observées. - Observer les profils ECORS (Etude de la Croûte Continentale et Océanique par Réflexion Sismique). - Repérer des indices simples, à différentes échelles, de modifications tectoniques du raccourcissement et de l'empilement (exemple avec des données sur la chaîne alpine).

CONNAISSANCESCHAPITRE 4La dynamique des zones de convergence INTRODUCTION Bla bla PROBLÉMATIQUE(S) Comment les données des géosciences permettent-elles de comprendre la dynamique des zones de convergence ? I La dynamique des zones de subduction ACTIVITÉ 1 : Un contraste géologique entre océans et continents A La distribution des altitudes à la surface du globe, témoin d'un contraste océans-continents L’analyse statistique met en évidence une distribution des altitudes de la surface terrestre organisée autour de deux pics (valeurs moyennes) :- Un pic associé à une altitude moyenne de l’ordre de + 300 m, en milieu continental.- Un pic associé à une altitude moyenne de l’ordre de – 4 800 m, en milieu océanique. Cette distribution bimodale des altitudes témoigne donc d’un contraste géologique entre la croûte océanique et la croûte continentale, que les géologues distinguent donc dans les modèles actuels. La distribution BIMODALE des altitudes observée entre continents et le fond des océans reflète un contraste géologique. Ces moyennes ne doivent pas faire oublier l’existence de nombreux reliefs à la surface de la Terre :- Au niveau de la croûte océanique, l’altitude atteint jusqu’à - 11 km au niveau des fosses océaniques (fosses des Mariannes), et peut remonter à - 2,5 km au niveau des dorsales océaniques (voire devenir positive dans le cas des îles océaniques comme la Réunion ou l’Islande). On peut donc trouver de la croûte océanique émergée !- Au niveau de la croûte continentale, l’altitude varie également jusqu’à 9 km au niveau des chaînes de montagnes (Everest), diminue au niveau des bassins sédimentaires et devient négative au niveau des marges continentales passives qui sont immergées (golfe de Gascogne en Atlantique, golfe du Lyon en Méditerranée). On peut donc trouver de la croûte continentale sous les océans ! B Un contraste océans-continents en lien avec la nature et la densité des roches LES ROCHES DE LA CROÛTE OCÉANIQUE (CO) Des observations directes de la croûte océanique ont montré qu’elle est constituée, de la surface vers la profondeur, de roches sédimentaires, de basaltes en coussins, de basaltes en filons, puis de gabbros. Les basaltes et les gabbros sont des roches magmatiques, c’est-à-dire des roches issues du refroidissement et de la solidification d’un magma. Leur composition minéralogique est identique : elles sont principalement composées de pyroxènes et de feldspaths plagioclases (et éventuellement d’olivines). En revanche, leur texture est différente :- Les gabbros sont des roches entièrement cristallisées et leurs minéraux sont visibles à l’oeil nu. On parle de texture grenue (l’étymologie le dit bien, on voit des « grains » brillants, qui correspondent aux cristaux).- Dans les basaltes, on observe au microscope des minéraux non visibles à l’oeil nu (microlites) et du verre, qui correspond à une pâte non cristallisée (voir Ens. Scientif.). On parle de texture microlitique. LES ROCHES DE LA CROÛTE CONTINENTALE (CC) L’étude de cartes géologiques, établies à partir de relevés de terrain, permet de connaître la répartition des principaux types de roches à la surface des continents. On constate une très grande hétérogénéité des roches en surface avec :- Des roches sédimentaires, formées d’une accumulation et d’une compaction de sédiments (souvent dans l’eau) et/ou par précipitation chimique à partir de solution.- Des roches magmatiques (voir ci-dessus), comme les granites.- Des roches métamorphiques, résultant d’une transformation à l’état solide des roches, en raison de variations de pression et/ou de température du milieu dans lequel elles évoluent. Alors que les roches sédimentaires sont abondantes au niveau des bassins sédimentaires (ex. bassin de Paris), les roches magmatiques et métamorphiques sont retrouvées dans les domaines cristallins des chaînes de montagnes actuelles (pensez au granite du Mont Blanc !) ou passées (Côte de granite rose dans le Massif Armoricain). En revanche, une étude en profondeur révèle qu’elle est surtout constituée de roches magmatiques et métamorphiques, dont la composition globale est proche de celle du granite. Le granite est donc la roche la plus représentative de la croûte continentale. Les granites sont des roches à texture grenue et composées de quartz, de feldspaths (plagioclases et alcalins) et de divers minéraux sombres (micas, amphiboles…). COMPARAISON DE LA DENSITÉ DES ROCHES DE LA CC ET DE LA CO Croûte continentale et croûte océanique ne sont donc pas composées des mêmes roches. Or la densité du basalte et du gabbro de la croûte océanique est supérieure à celle du granite de la croûte continentale (2,9 contre 2,8). Ces différences dans la nature et la densité des roches expliquent donc le contraste géologique entre continents et océans. La croûte océanique est principalement constituée de basaltes et de gabbros. La composition de la croûte continentale présente une certaine hétérogénéité visible en surface (roches magmatiques, sédimentaires, métamorphiques). Toutefois, une étude en profondeur révèle que les granites en sont les roches les plus représentatives. Le contraste océans-continents se retrouve donc dans la nature des roches, ainsi que dans leur densité. II La dynamique des zones de collision ACTIVITÉ 4 : L'épaississement crustal au niveau des zones de collision La dynamique des zones de convergence Lexique

EXERCICESCHAPITRE 4La dynamique des zones de convergence EXERCICE 1 A venir X Consignes A venir Ressources disponibles Document 1 : X

Travaux pratiques

Travaux dirigés

1L'ORIGINE DU MAGMATISME DES ZONES DE SUBDUCTION Les zones de subduction sont des limites de plaques convergentes, où, au niveau d’une fosse océanique, la lithosphère (rigide et froide) plonge dans l’asthénosphère (plus chaude et ductile). Elles sont marquées par un arc magmatique sur la plaque chevauchante, siège d'éruptions fréquemment explosives, et par la mise en place de nombreux massifs plutoniques. Montagne Pelée (Martinique, 1902)Massifs de la Sierra Nevada (USA) L'objectif On cherche à expliquer comment le plongement de la lithosphère, pourtant froide, dans l'asthénosphère génère une activité magmatique sur la plaque chevauchante. Pour cela, vous compléterez le tableau distribué en exploitant les ressources proposées. Vous présenterez, dans un compte-rendu à déposer dans mon casier sur l'ENT au format .pdf : - l'observation d'une roche magmatique de votre choix ; - une image issue du logiciel Minusc ; Vous construirez ensuite un schéma-bilan répondant à l'objectif. Les ressources à exploiter Document 1 : Répartition des isothermes en profondeur au niveau d'une zone de subduction. En vert foncé : la lithosphère ; en vert clair : l'asthénosphère. Document 2 : Diagramme de phases de la péridotite (hydratée ou anhydre) et géotherme des zones de subduction. Pour rappel, ce diagramme représente les conditions de pression et de température pour lesquelles les différentes phases (solide, solide+liquide, liquide) de la péridotite sont stables. Animation "Origine du magma des zones de subduction" (via-svt). Document 3 : Echantillons et lames minces associées de roches magmatiques produites au niveau d'une zone de subduction. Document 4 : Logiciel de visualisation de modèles de mailles cristallines. La présence d'eau dans les minéraux se traduit par la présence de groupements hydroxyles (-OH) dans leur maille élémentaire. Le logiciel Minusc permet de visualiser la composition chimique et l'organisation des mailles élémentaires de certains minéraux. Pour cela, sélectionner dans l'onglet "Fichier" le minéral à étudier. Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Relier la minéralogie des roches magmatiques mises en place (andésite, rhyolite, granites) et l'état d'hydratation du magma. - Utiliser le diagramme de phases des péridotites pour montrer les effets de l'hydratation.

2DESHYDRATATION ET SUBDUCTION DE LA LITHOSPHERE OCEANIQUE Les zones de subduction sont des limites de plaques convergentes, où, au niveau d’une fosse océanique, la lithosphère (rigide et froide) plonge dans l’asthénosphère (plus chaude et ductile). L'objectif On cherche à montrer que l'eau à l'origine du magmatisme des zones de subduction provient de la déshydratation de la lithosphère plongeante, puis que cette déshydratation contribue au plongement de la lithosphère. Pour cela, vous compléterez le tableau distribué en exploitant les ressources proposées. Vous présenterez, dans un compte-rendu à déposer dans mon casier sur l'ENT au format .pdf : - l'observation d'une roche magmatique de votre choix ; - une image issue du logiciel Minusc ; Vous construirez ensuite un schéma-bilan répondant à l'objectif. Les ressources à exploiter Document 1 : Diagramme présentant les conditions de stabilité de quelques associations de minéraux en fonction de la pression et de la température. Au laboratoire, il est possible de soumettre un gabbro à des conditions de température et de pression comparables à celles régnant à l'intérieur du globe. On relève ainsi : - les conditions de pression et de température pour lesquelles les minéraux du gabbro (plagioclase + pyroxène) sont stables ; - les nouveaux minéraux formés lorsque les conditions varient. Ce diagramme représente ainsi les conditions de pression et de température pour lesquelles différentes associations de minéraux sont stables. Les minéraux indiqués sont ceux qui peuvent être formés avec la composition chimique d'un gabbro ou d'un basalte (à l'eau près). On a également indiqué l'évolution de la température en fonction de la profondeur (gradient géothermique) d'une lithosphère océanique stable et d'une lithosphère océanique plongeante. Animation "Subduction et métamorphisme de la croûte océanique" (via-svt). Document 2 : Echantillons et lames minces associées de roches provenant d'une lithosphère océanique plongeante. Ces roches ont été observées dans des zones où elles ont été remontées à la surface par les mouvements des plaques lithosphériques. Il s'agit de gabbros ayant subi des transformations de leurs minéraux suite à des variations de pression ou de température, mais en restant à l'état solide. Document 3 : Logiciel de visualisation de modèles de mailles cristallines. La présence d'eau dans les minéraux se traduit par la présence de groupements hydroxyles (-OH) dans leur maille élémentaire. Le logiciel Minusc permet de visualiser la composition chimique et l'organisation des mailles élémentaires de certains minéraux. Pour cela, sélectionner dans l'onglet "Fichier" le minéral à étudier. Document 4 : Masse et volume de différents échantillons de roches de la lithosphère océanique. EchantillonGabbroGabbro à hornblendeMétagabbro à glaucophaneEclogiteMasse (en g)71,566,1154,0182,6Volume (en cm3)23,521,945,252,2 Source : Manuel Belin SVT (2019). Document 5 : L'équilibre entre lithosphère et asthénosphère. Une colonne de lithosphère océanique est en équilibre sur une colonne d'asthénosphère sous-jacente de même hauteur qu'elle tant qu'elle a une masse inférieure. L'équilibre est donc rompu lorsque la masse de la colonne de lithosphère dépasse la masse de la colonne d'asthénosphère. Toutefois, le début d'enfoncement de la lithosphère dans l'asthénosphère est ralenti par plusieurs phénomènes (flexion et fracturation de la lithosphère, résistance de l'asthénosphère à l'enfoncement). Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Comparer la minéralogie d'échantillons illustrant la déshydratation de la lithosphère (schiste bleu, écologiste). - Discuter les relations entre vitesse d'accrétion et pourcentage de subduction aux frontières de plaques. - En considérant la densité moyenne de la lithosphère et celle de l'asthénosphère, déterminer l'épaisseur et l'âge de la lithosphère qui induiraient un déséquilibre gravitaire. Confronter les valeurs aux situations réellement observées.

3EPAISSISSEMENT DE LA CROUTE AU NIVEAU DES ZONES DE COLLISION Dans le modèle de la dynamique interne de la Terre, les chaînes de montagnes comme les Alpes sont des zones de collision. Au niveau de ces limites entre plaques convergentes, plusieurs lithosphères continentales de même densité s’affrontent : c’est la collision continentale. L'objectif On cherche à montrer que la croûte continentale est épaissie au niveau des zones de collision, et que cet épaississement crustal résulte d’un raccourcissement et d’un empilement de matériaux. Pour répondre, vous devrez : - Mettre en évidence un épaississement de la CC au niveau des zones de collision. - Identifier les déformations représentées dans le doc. 3 - Formuler des hypothèses pour expliquer ces déformations. - Concevoir un modèle simple pour tester vos hypothèses. - Mettre en oeuvre le protocole indiqué dans le doc. 5 et communiquer les résultats obtenus. - Répondre à l'objectif en quelques phrases. Les ressources à exploiter Document 1 : Estimer l'épaisseur de la croûte continentale au niveau d'une chaîne de collision. (A) Une méthode pour estimer l'épaisseur de la croûte continentale De nombreuses stations sismiques sont installées dans les Alpes ou sur leur pourtour. Elles enregistrent chaque année de nombreux séismes de faible magnitude qui surviennent dans cette région. Sur certains enregistrements, on observe la présence de deux trains d'ondes P : des ondes directes, notées Pg, et un deuxième train d'ondes, notées PmP, qui ont été réfléchies sur le Moho et atteignent la station avec un retard dt. Connaissant la localisation du foyer F du séisme et le retard des ondes PmP par rapport aux ondes Pg, on peut calculer la profondeur H du Moho au niveau du point de réflexion B. Le logiciel Tectoglob3D contient des sismogrammes enregistrés dans les Alpes et sur leur pourtour (Fichier > Charger un jeu de sismogrammes intégré > Alpes). Le fichier calcul_moho.xls contient un calculateur pour estimer la profondeur du Moho. Document 2 : Déformations des roches (structures tectoniques) observées lors d'une compression. Document 3 : Quelques affleurements visibles dans les Alpes. Le Chapeau-de-Gendarme (Jura)Le Pas-Guiguet (Isère)St-Rambert-en-Bugey (Ain)Glaris (Ain) Remarque : Le Permien date de 250 millions d’années, et le Crétacé supérieur-Cénozoïque de 66 millions d’années. D’après le principe de superposition, les roches les plus anciennes sont normalement situées sous les roches les plus jeunes. Document 4 : Modélisation analogique d'une compression sur une série sédimentaire. Des couches de farine et de cacao sont disposées en alternance dans un dispositif de modélisation. Cette pile de couches est ensuite soumise à des contraintes compressives, appliquées en poussant une plaque amovible sur le côté. (A) Préparation des couches 1. Déposer dans le dispositif de modélisation, en les alternant, les "poudres" en 4 couches horizontales d'environ 0,5 cm d'épaisseur. 2. Tasser la poudre entre chaque couche, à l'aide de la "boîte à lame". 3. Mesurer l'épaisseur initiale de la pile de couche. (B) Réalisation de la compression 1. Maintenir fermement le dispositif de compression des 2 côtés. 2. Avec la lame, compresser lentement en poussant de façon homogène et continue. 3. Mesurer l'épaisseur des couches après l'application de la contrainte compressive. (C) Rangement Vider le contenu dans la poubelle, en essuyant soigneusement les parois avec du papier. Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Observer les profils ECORS (Etude de la Croûte Continentale et Océanique par Réflexion Sismique). - Repérer des indices simples, à différentes échelles, de modifications tectoniques du raccourcissement et de l'empilement (exemple avec des données sur la chaîne alpine).

La dynamique des zones de divergence

Structure et dynamique interne de la Terre

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

Mise en place de la lithosphère océanique au niveau des dorsales

CONNAISSANCES

Devenir de la lithosphère océaniqueau cours de son veillissement

ACTIVITÉS

EXERCICES

PLAN DE TRAVAIL

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

LE PROBLÈME : Comment les données des géosciences permettent-elles d'expliquer la mise en place et les modifications de la lithosphère océanique au niveau des dorsales océaniques ? I – La mise en place d'une nouvelle lithosphère océanique : l'accrétion océanique Rappel : Les zones de divergence sont définies par l’éloignement relatif de deux plaques lithosphériques de part et d’autre d’une dorsale océanique, ce qui génère des contraintes extensives. Cette extension est compensée par la mise en place d’une nouvelle lithosphère océanique (accrétion océanique). L’extension et l’accrétion océanique conduisent à une expansion océanique (ouverture des océans). En terminale, vous verrez que cette accrétion océanique prend le relais de la fracturation d’une lithosphère continentale (appelée rifting). N.B. Pour réviser les marqueurs géologiques des zones d’accrétion, consulter le bilan du chapitre 2. Problème : Comment la divergence des plaques permet-elle la mise en place d’une nouvelle LO ? A | Un modèle d'accrétion océanique au niveau des dorsales rapides 1) La divergence rapide des plaques entraîne une remontée rapide du manteau asthénosphérique Au niveau de l’axe des dorsales rapides (comme la dorsale Est-Pacifique, où la vitesse d'expansion dépasse 10 cm/an), la divergence des plaques génère des contraintes extensives, provoquant la formation de failles normales qui amincissent la lithosphère océanique (et sont à l’origine des séismes). Cet amincissement rapide entraîne une remontée rapide des péridotites de l’asthénosphère, ce qui fait diminuer la pression à laquelle celles-ci sont soumises. Comme les roches sont de mauvais conducteurs de chaleur, leur décompression s’effectue beaucoup plus rapidement que leur refroidissement, donc à température constante. On parle de décompression adiabatique. 2) La décompression adiabatique du manteau asthénosphérique provoque sa fusion partielle Le diagramme présentant les domaines de stabilité des phases de la péridotite en fonction de la pression et de la température permet de déterminer dans quelles conditions une péridotite peut entrer en fusion partielle. Sur ce diagramme, le domaine de stabilité de la péridotite solide est séparé du domaine de stabilité du magma (liquide + cristaux) par une courbe appelée solidus. Au niveau des dorsales, le géotherme de la lithosphère océanique croise le solidus des péridotites vers 80 km de profondeur, ce qui indique une fusion partielle (taux de 15%) par décompression adiabatique des péridotites du manteau asthénosphérique. 3) Le refroidissement du magma forme les deux types de roches de la croûte océanique Le magma produit remonte ensuite plus ou moins haut, guidé par les failles normales affectant la lithosphère : - Soit il refroidit en profondeur donc lentement, ce qui permet une cristallisation complète et la formation de gabbros (à texture grenue). - Soit il refroidit en surface donc rapidement, ce qui empêche la cristallisation complète du magma et forme des basaltes (à texture microlitique, présence de verre). Le contact brutal de la lave avec l’eau des fonds océaniques (dont la température avoisine 0°C) entraîne la formation de basaltes en coussins ou pillow-lavas. Le refroidissement du magma issu de la fusion partielle des péridotites du manteau asthénosphérique conduit donc à la mise en place des roches de la croûte océanique. B | L'apport des données issues de l'étude des dorsales lentes Au niveau des dorsales lentes (comme la dorsale Atlantique), la divergence des plaques entraîne la formation de grandes failles normales, le long desquelles le manteau est directement mis à l’affleurement (mis à nu). Le manteau y est principalement constitué de roches appelées péridotites, contenant comme minéraux des olivines et des pyroxènes. Quelques rares épanchements de basaltes en coussins et « lentilles » de gabbros témoignent d’une activité magmatique beaucoup plus réduite qu’au niveau des dorsales rapides. Remarque : Contrairement aux dorsales rapides, les processus tectoniques (failles) prédominent sur les processus magmatiques de mise en place de la lithosphère au niveau des dorsales lentes. Le modèle explicatif construit dans le cas des dorsales rapides ne peut donc pas être généralisé : la vitesse de divergence conditionne le type d’accrétion et la morphologie de la dorsale. Les données issues de l’étude des dorsales lentes ont donc permis d’affiner/préciser le modèle établi pour les dorsales rapides. UN BILAN POUR MIEUX RETENIR EN ROUTE VERS LE BAC > Des mots-clés à savoir définir : Accrétion océanique - Lithosphère océanique - Divergence - Extension - Faille normale - Amincissement - Décompression adiabatique - Fusion partielle - Dorsale rapide/dorsale lente. > Des roches à connaître pour illustrer avec des exemples : - Basaltes : Roches magmatiques volcaniques, à texture microlithique (avec du verre), composées de plagioclases et de pyroxènes. - Gabbros : Roches magmatiques plutoniques, à texture grenue (entièrement cristallisées), composées de plagioclases et de pyroxènes. - Péridotites : Roches du manteau, composée d'olivines et de pyroxènes. > Je dois être capable de : - Expliquer comment la divergence des plaques au niveau des dorsales permet l'accrétion océanique. - Comparer les caractéristiques des dorsales rapides (ex. dorsale Est-Pacifique) et des dorsales lentes (ex. dorsale Atlantique). - Exploiter un diagramme de phases pour estimer la température et la pression à laquelle une roche peut fondre. > Exercices d’entraînement : ~~~ Télécharger cette fiche au format .pdf ~~~

II – Les modifications de la lithosphère océanique liées à son refroidissement Problème : Comment le refroidissement modifie-t-il la jeune lithosphère océanique au cours de son éloignement de l’axe de la dorsale ? A | Un épaississement et une augmentation progressive de la densité de la lithosphère océanique En s’éloignant de l’axe de la dorsale, la lithosphère océanique est refroidie au contact de l’eau froide des fonds océaniques. Ce refroidissement entraîne une augmentation de la profondeur de l’isotherme 1300°C (limite thermique entre l’asthénosphère et la lithosphère). Dit autrement, la lithosphère océanique s’épaissit au fur et à mesure qu’elle s’éloigne de l’axe de la dorsale. Bien que la densité des roches de la croûte océanique reste constante (d=2,9), la densité globale de la lithosphère augmente progressivement avec son âge, par ajout de manteau lithosphérique plus dense (d=3,3). La lithosphère s’enfonce alors progressivement dans l’asthénosphère de densité plus faible (d=3,25), elle est donc de plus en plus profonde. B | Une circulation d'eau provoquant une hydratation des minéraux de la lithosphère océanique 1) Les données disponibles Au niveau des dorsales lentes, la majorité des péridotites des niveaux superficiels du manteau contiennent aussi un autre minéral, la serpentine. Ce minéral est dit hydraté (ou hydroxylé), car il contient dans sa maille cristalline de l’eau sous forme de groupements hydroxyles (HO-). Comment l’expliquer ? 3) Le modèle explicatif Grâce aux failles normales, l’eau de mer (froide) peut s’infiltrer et circuler dans la lithosphère océanique (chaude). L’eau favorise ainsi le refroidissement et l’hydratation des minéraux des roches de la lithosphère océanique. Ces deux phénomènes entraînent des modifications à l’état solide de la composition minéralogique des roches de la lithosphère océanique, à l’origine de la formation de minéraux secondaires (absents de la roche initiale). On parle de métamorphisme hydrothermal. Ainsi, en refroidissant, l’olivine des péridotites en contact avec l’eau de mer se déstabilise. Elle réagit avec l’eau pour former un minéral hydraté secondaire, la serpentine. La roche ne peut plus être appelée péridotite, on parle alors de métapéridotite à serpentine (ou serpentinite). De même, le pyroxène des gabbros (et des basaltes) réagit avec le feldspath plagioclase et l’eau pour former un minéral hydraté secondaire, la hornblende. Le gabbro doit alors être appelé métagabbro à hornblende (plagioclase + pyroxène + auréole d’hornblende). Par la suite, la hornblende réagit avec l’eau pour former d’autres minéraux hydratés secondaires, la chlorite et l’actinote. La roche est alors nommée métagabbro à chlorite et actinote. UN BILAN POUR MIEUX RETENIR A venir. EN ROUTE VERS LE BAC > Des mots-clés à savoir définir : Circulation hydrothermale - Métamorphisme hydrothermal. > Des roches à connaître pour illustrer avec des exemples : - Gabbros (voir bilan précédent) et leur équivalent hydraté, les métagabbros à hornblende (roches métamorphiques composées de plagioclase et de pyroxène résiduel, auréolé de hornblende). - Péridotites (voir bilan précédent) et leur équivalent hydraté, les serpentinites (roches métamorphiques composées de serpentines et de pyroxène). > Je dois être capable de : - Présenter et expliquer les modifications physico-chimique de la lithosphère océanique au cours de son éloignement de la dorsale. - Estimer l'évolution de l'épaisseur et de la densité de la lithosphère océanique en fonction de sa distance à la dorsale ou de son âge. - Comparer la composition d'une roche de la lithosphère océanique (ex. gabbro) et de son équivalent hydraté (ex. métagabbro à Hb). > Exercices d’entraînement : A venir. ~~~ Télécharger cette fiche au format .pdf ~~~

RAPPELSCARTE D'IDENTITELes dorsales océaniques Les zones de divergence sont définies par l’éloignement relatif de deux plaques lithosphériques de part et d’autre d’une dorsale océanique, ce qui génère des contraintes extensives. Cette extension est compensée par la mise en place d’une nouvelle lithosphère océanique (accrétion océanique). L’extension et l’accrétion océanique conduisent à une expansion océanique (ouverture des océans). En terminale, vous verrez que cette accrétion océanique fait suite à la fracturation d’une lithosphère continentale (appelée rifting). Modèle d'une dorsale océanique Les dorsales océaniques sont identifiables grâce à différents marqueurs géologiques : Marqueurs topographiques: Relief positif (dorsale océanique). Marqueurs sismologiques: - Foyers sismiques superficiels uniquement (< 35 km) et de faible magnitude (c’est-à-dire libérant peu d’énergie). - Anomalie négative de la vitesse des ondes sismiques sous l’axe de la dorsale, visible jusqu’à 400 km de profondeur. Marqueurs thermiques: - Flux géothermique très élevé à l’axe de la dorsale (> 500 mW/m²) lié à une remontée locale de l'asthénosphère. - Flux géothermique diminuant progressivement et symétriquement de part et d’autre de la dorsale. Marqueurs pétrologiques: Basaltes en coussins en surface, gabbros en profondeur (voir chapitre 1). Dynamisme éruptif: Dominance des éruptions effusives. Coupe réalisée au niveau d'une dorsale océanique sur le logiciel Tectoglob3D.

PLAN DE TRAVAILCHAPITRE 3La dynamique des zones de divergence Un modèle à interroger Les zones de divergence sont définies par l’éloignement relatif de deux plaques lithosphériques de part et d’autre d’une dorsale océanique, ce qui génère des contraintes extensives. Cette extension est compensée par la mise en place d’une nouvelle lithosphère océanique (accrétion océanique). L’extension et l’accrétion océanique conduisent à une expansion océanique (ouverture des océans). Problématique(s) Comment les données des géosciences permettent-elles de comprendre la dynamique des zones de divergence ? Activités 1 - Mise en place de la lithosphère océanique au niveau des dorsales 2 - Devenir de la lithosphère océanique au cours de son vieillissement Compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et organiser des informations. - Argumenter, construire un raisonnement scientifique. - Calculer la densité moyenne de l'ensemble croûte-manteau lithosphérique en fonction de son épaisseur, puis de son âge en utilisant une loi empirique reliant épaisseur et âge. - Comparer la composition minéralogique et chimique des basaltes, gabbros et péritonites et leurs équivalents hydratés (serpentinite, gabbros à hornblende, etc.).

CONNAISSANCESCHAPITRE 3La dynamique des zones de divergence INTRODUCTION Bla bla PROBLÉMATIQUE(S) Comment les données des géosciences permettent-elles de comprendre la dynamique des zones de divergence ? I Un contraste géologique entre océans et continents ACTIVITÉ 1 : Un contraste géologique entre océans et continents A La distribution des altitudes à la surface du globe, témoin d'un contraste océans-continents L’analyse statistique met en évidence une distribution des altitudes de la surface terrestre organisée autour de deux pics (valeurs moyennes) :- Un pic associé à une altitude moyenne de l’ordre de + 300 m, en milieu continental.- Un pic associé à une altitude moyenne de l’ordre de – 4 800 m, en milieu océanique. Cette distribution bimodale des altitudes témoigne donc d’un contraste géologique entre la croûte océanique et la croûte continentale, que les géologues distinguent donc dans les modèles actuels. La distribution BIMODALE des altitudes observée entre continents et le fond des océans reflète un contraste géologique. Ces moyennes ne doivent pas faire oublier l’existence de nombreux reliefs à la surface de la Terre :- Au niveau de la croûte océanique, l’altitude atteint jusqu’à - 11 km au niveau des fosses océaniques (fosses des Mariannes), et peut remonter à - 2,5 km au niveau des dorsales océaniques (voire devenir positive dans le cas des îles océaniques comme la Réunion ou l’Islande). On peut donc trouver de la croûte océanique émergée !- Au niveau de la croûte continentale, l’altitude varie également jusqu’à 9 km au niveau des chaînes de montagnes (Everest), diminue au niveau des bassins sédimentaires et devient négative au niveau des marges continentales passives qui sont immergées (golfe de Gascogne en Atlantique, golfe du Lyon en Méditerranée). On peut donc trouver de la croûte continentale sous les océans ! B Un contraste océans-continents en lien avec la nature et la densité des roches LES ROCHES DE LA CROÛTE OCÉANIQUE (CO) Des observations directes de la croûte océanique ont montré qu’elle est constituée, de la surface vers la profondeur, de roches sédimentaires, de basaltes en coussins, de basaltes en filons, puis de gabbros. Les basaltes et les gabbros sont des roches magmatiques, c’est-à-dire des roches issues du refroidissement et de la solidification d’un magma. Leur composition minéralogique est identique : elles sont principalement composées de pyroxènes et de feldspaths plagioclases (et éventuellement d’olivines). En revanche, leur texture est différente :- Les gabbros sont des roches entièrement cristallisées et leurs minéraux sont visibles à l’oeil nu. On parle de texture grenue (l’étymologie le dit bien, on voit des « grains » brillants, qui correspondent aux cristaux).- Dans les basaltes, on observe au microscope des minéraux non visibles à l’oeil nu (microlites) et du verre, qui correspond à une pâte non cristallisée (voir Ens. Scientif.). On parle de texture microlitique. LES ROCHES DE LA CROÛTE CONTINENTALE (CC) L’étude de cartes géologiques, établies à partir de relevés de terrain, permet de connaître la répartition des principaux types de roches à la surface des continents. On constate une très grande hétérogénéité des roches en surface avec :- Des roches sédimentaires, formées d’une accumulation et d’une compaction de sédiments (souvent dans l’eau) et/ou par précipitation chimique à partir de solution.- Des roches magmatiques (voir ci-dessus), comme les granites.- Des roches métamorphiques, résultant d’une transformation à l’état solide des roches, en raison de variations de pression et/ou de température du milieu dans lequel elles évoluent. Alors que les roches sédimentaires sont abondantes au niveau des bassins sédimentaires (ex. bassin de Paris), les roches magmatiques et métamorphiques sont retrouvées dans les domaines cristallins des chaînes de montagnes actuelles (pensez au granite du Mont Blanc !) ou passées (Côte de granite rose dans le Massif Armoricain). En revanche, une étude en profondeur révèle qu’elle est surtout constituée de roches magmatiques et métamorphiques, dont la composition globale est proche de celle du granite. Le granite est donc la roche la plus représentative de la croûte continentale. Les granites sont des roches à texture grenue et composées de quartz, de feldspaths (plagioclases et alcalins) et de divers minéraux sombres (micas, amphiboles…). COMPARAISON DE LA DENSITÉ DES ROCHES DE LA CC ET DE LA CO Croûte continentale et croûte océanique ne sont donc pas composées des mêmes roches. Or la densité du basalte et du gabbro de la croûte océanique est supérieure à celle du granite de la croûte continentale (2,9 contre 2,8). Ces différences dans la nature et la densité des roches expliquent donc le contraste géologique entre continents et océans. La croûte océanique est principalement constituée de basaltes et de gabbros. La composition de la croûte continentale présente une certaine hétérogénéité visible en surface (roches magmatiques, sédimentaires, métamorphiques). Toutefois, une étude en profondeur révèle que les granites en sont les roches les plus représentatives. Le contraste océans-continents se retrouve donc dans la nature des roches, ainsi que dans leur densité. La structure interne du globe Lexique

EXERCICESCHAPITRE 3La dynamique des zones de divergence EXERCICE 1 A venir X Consignes A venir Ressources disponibles Document 1 : X

1MISE EN PLACE DE LA LITHOSPHERE OCEANIQUE AU NIVEAU DES DORSALES Dans les modèles de la dynamique interne de la Terre, les dorsales océaniques sont des limites entre plaques divergentes, où les plaques se déplacent en sens opposé. Cette extension océanique est compensée par la mise en place d'une nouvelle lithosphère océanique à partir de l'asthénosphère. C'est l'accrétion océanique. Extension et accrétion sont les deux mécanismes responsables de l'expansion océanique. L'objectif On cherche à expliquer comment la divergence de plaques de part et d'autre des dorsales océaniques permet la mise en place d'une nouvelle lithosphère océanique. Pour cela, vous compléterez le tableau distribué en exploitant les ressources proposées. Vous construirez ensuite un schéma-bilan répondant à l'objectif. Les ressources à exploiter Document de référence : Coupe de la lithosphère océanique au niveau de la faille Vema. Sources : Banque de schémas ac-dijon, F. Labaune. Document 1 : Analyse de la composition chimique d'un liquide obtenu par fusion de péridotite au laboratoire. Au laboratoire, des échantillons de péritonite (roche du manteau terrestre) sont portées à des températures croissantes afin d'obtenir une fusion partielle de 5 à 20% ; la composition chimique du liquide obtenu est analysée. On peut ainsi déterminer la nature du matériau source à l'origine des basaltes, et le taux de fusion nécessaire. Source : Manuel SVT Nathan. Document 2 : Diagramme présentant les domaines de stabilité des phases de la péridotite en fonction de la pression et de la température. Au laboratoire, il est possible de soumettre la péridotite à des conditions de température et de pression comparables à celles régnant à l'intérieur du globe. Sur le diagramme, on peut ainsi délimiter le domaine de stabilité de la péridotite solide, séparé du domaine de stabilité du magma par une courbe appelée solidus. Dans le domaine de pressions et températures situé entre le solidus et le liquides, la roche a partiellement fondu : elle forme un mélange liquide + solide, le magma. Sur le diagramme, on a également indiqué l'évolution de la température en fonction de la profondeur (et donc de la pression) au niveau d'une dorsale (géotherme de dorsale), en moyenne au niveau des océans (géotherme de plaine abyssale) et au niveau d'une zone de subduction (géotherme de zone de subduction). On peut ainsi déterminer les conditions (température, profondeur) pour lesquelles les péridotites peuvent entrer en fusion partielle dans les différents contextes. Source : Banque de schémas ac-dijon. Animation "Origine du magma de la dorsale océanique" (via-svt). Document 3 : Profils de sismique réflexion au niveau de l'axe de la dorsale Atlantique, à l'aplomb du volcan L.S. situé à l'axe de la dorsale (37° N ; - 32° S) au sud des Açores. Deux profils sont présentés puis interprétés selon des sections transversales à l'axe de la dorsale. Source : Banque de schémas ac-dijon. Vidéo "Modélisation analogique de la divergence (Biopathe). Document 4 : Profondeur des isothermes sous la croûte océanique. Une isotherme est une courbe où la température est la même en tout point. Ainsi, l'isotherme 1 300°C correspond à la limite thermique entre la lithosphère et l'asthénosphère. Source : Manuel SVT Belin (2012). Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et organiser des informations. - Argumenter, construire un raisonnement scientifique.

2DEVENIR DE LA LITHOSPHERE OCEANIQUE AU COURS DE SON VEILLISSEMENT Une fois mise en place par accrétion océanique, la nouvelle lithosphère océanique s'éloigne de l'axe de la dorsale sous l'effet des mouvements de divergence. Lors de son trajet et de son vieillissement, elle va subir différentes modifications physiques et chimiques. L'objectif On cherche à mettre en évidence et à expliquer les modifications de la lithosphère océanique lors de son éloignement de l'axe de la dorsale océanique. PARTIE 1 Evolution des propriétés physiques de la lithosphère océanique Pour reconstituer l'évolution des propriétés physiques (température, profondeur, épaisseur, densité) de la lithosphère océanique au cours de son éloignement de la dorsale, nous allons construire un modèle numérique basé sur l'exploitation de différentes données (thermiques, sismiques, ...). Les étapes de résolution Pour construire un modèle numérique représentant l'évolution des propriétés physiques de la lithosphère océanique au cours de son vieillissement : 1) Télécharger et ouvrir avec LibreOffice Calc le modèle ci-dessous : Modèle d'évolution de la lithosphère océanique à construire (.xlsx) 2) A l'aide de la carte géologique du monde disponible dans Tectoglob3D, compléter la colonne "Distance à l'axe de la dorsale" en prenant les valeurs mesurées pour la dorsale Est-Pacifique à la latitude 0°. Les données Les mesures effectuées lors des expéditions montrent qu'au cours de son éloignement de l'axe de la dorsale, la lithosphère se refroidit et devient de plus en plus profonde. Comme la limite entre la lithosphère et l'asthénosphère est une limite thermique (isotherme 1300°C), cette limite sera d'autant plus profonde que la lithosphère sera froide. Ainsi, plus la lithosphère océanique est éloignée de la dorsale, plus elle est froide, donc plus elle est épaisse. Une loi empirique (rendant compte de mesures effectuées) permet de mettre en relation l'âge t (en Ma) d'une lithosphère océanique avec son épaisseur e (en km) : e = 9,2 x RACINE(t) 3) Retour au modèle. A l'aide des données ci-dessus et de la colonne "Âge de la lithosphère océanique", compléter la colonne "Épaisseur de la lithosphère". Les données On rappelle que la lithosphère océanique est l'ensemble formé par la croûte océanique et la partie rigide du manteau supérieur. Au cours de son éloignement de l'axe de la dorsale, les données sismiques montrent que la croûte océanique conserve une épaisseur constante de 7 km. 4) Retour au modèle. A l'aide de ces nouvelles données et de la colonne "Épaisseur de la lithosphère", compléter les colonnes "Épaisseur de la croûte océanique" et "Épaisseur du manteau lithosphérique". Les donnéesAu cours leur éloignement de l'axe de la dorsale, la croûte océanique conserve une densité de 2,9 et le manteau lithosphérique conserve une densité de 3,25. 5) Retour au modèle. A l'aide de ces nouvelles données et des colonnes "Épaisseur de la croûte océanique" et "Épaisseur du manteau lithosphérique", compléter la colonne "Densité de la lithosphère océanique". 6) Insérer les graphiques obtenus dans un compte-rendu numérique, puis décrire en quelques phrases l'évolution de la température, de la profondeur, de l'épaisseur, de la densité de la lithosphère océanique au cours de son éloignement de l'axe de la dorsale. PARTIE 2 Evolution de la composition chimique de la lithosphère océanique Pour reconstituer l'évolution de la composition chimique des roches de la lithosphère océanique au cours de son éloignement de la dorsale, nous allons comparer la composition minéralogique des roches prélevées au niveau d'une lithosphère océanique jeune (à l'axe de la dorsale) et d'une lithosphère plus ancienne. Connaissant les minéraux composant les roches, on peut, grâce à des données sur les éléments chimiques composant les différents minéraux (fournies par le logiciel Minusc), en déduire la composition chimique des roches. Les étapes de résolution Pour mettre en évidence une évolution de la composition chimique de la lithosphère océanique au cours de son vieillissement : - A l’aide du matériel disponible, comparer la composition minéralogique et chimique de la nouvelle lithosphère océanique située à l’axe de la dorsale et de la lithosphère plus âgée située à distance de l’axe. - Vous réaliserez aussi une observation comparée d'une lame mince de gabbro et de métagabbro à hornblende, que vous insérerez dans votre fichier compte-rendu à déposer dans mon casier au format .pdf. Les ressources à exploiter - Document 1 : Echantillons de roches prélevées au niveau de la lithosphère océanique à différents stades de son vieillissement. - Document 2 : Lames minces associées et microscope polarisant, planche de détermination des minéraux. - Document 3 : MINUSC, logiciel de visualisation de modèles de réseaux cristallins des minéraux. La présence du groupement hydroxyle OH dans les réseaux cristallins des minéraux est le signe d’une hydratation, c’est-à-dire de la présence d’eau. PARTIE 3 Origine des modifications de la lithosphère océanique A partir d’une exploitation rigoureuse des documents ci-dessous, expliquer les modifications observées de la lithosphère océanique au cours de son éloignement de l’axe de la dorsale. Réaliser un schéma bilan répondant à l’objectif. Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Calculer la densité moyenne de l'ensemble croûte-manteau lithosphérique en fonction de son épaisseur, puis de son âge en utilisant une loi empirique reliant épaisseur et âge. - Comparer la composition minéralogique et chimique des basaltes, gabbros et péritonites et leurs équivalents hydratés (serpentinite, gabbros à hornblende, etc.).

Travaux pratiques

Travaux dirigés

Vers un modèle fonctionnel de la Terre interne

Structure et dynamique interne de la Terre

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

ACTIVITÉS

Répartition des foyers sismiqueset mobilité de la lithosphère

Les apports des données sismologiques

CONNAISSANCES

EXERCICES

Zones de convergence et subduction océanique

PLAN DE TRAVAIL

Les apports des données thermiques

Zones de divergence etexpansion océanique

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

Travaux pratiques

Travaux dirigés

EXERCICESCHAPITRE 1La structure interne du globe EXERCICE 1 A venir X Consignes A venir Ressources disponibles Document 1 : X

2L'APPORT DES DONNÉES SISMOLOGIQUES Les observations réalisées en surface (données directes) ne permettent que de connaître la surface du globe. Par exemple, le forage russe de Kola, le plus profond, a atteint 12 262 m de profondeur, soit seulement 0,2% du rayon terrestre… Le recours à des données indirectes, comme les données sismologiques, est donc nécessaire pour affiner la compréhension de la structure interne plus profonde du globe. L'objectif On cherche à comprendre comment l’analyse des données sismologiques a permis de proposer un modèle scientifique de la structure interne du globe. Rappels sur les séismes PARTIE 1 De l'analyse de données sismologiques à la construction de modèles sismiques Dans le modèle actuel de la structure interne du globe, les scientifiques représentent différentes couches concentriques avec des couleurs différentes, ce qui laisse penser à l’existence de plusieurs enveloppes internes aux propriétés physico-chimiques (nature chimique, densité, état physique, …) contrastées. Comment l'étude des données sismologiques a-t-elle permis d'établir l'existence de ces couches ? LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) A l’aide du logiciel Tectoglob3D et de sa fiche technique, recenser des données nécessaires à la construction d’un hodographe.- Depuis le menu « Fichier », charger le jeu de sismogrammes Pérou/Equateur 2019. La localisation des stations sismiques s’affiche sur le « Globe virtuel », tandis que les sismogrammes s’affichent dans la « Fenêtre de résultats », rangés par distance épicentrale croissante.- Depuis le menu « Sismogrammes », projeter les stations sur une coupe du globe puis expliquer pourquoi la répartition des stations d’enregistrement étudiées parait pertinente pour étudier la structure profonde du globe.- Au brouillon, relever la distance épicentrale (en km) de chaque station sismique (ex. Station ANBW | d = 2772,4 km).- Depuis le menu « Sismogrammes », afficher le t0 de l’évènement sismique et pointer le temps d’arrivée théorique des différentes ondes.- Au brouillon, relever le temps d’arrivée des ondes P (+PKIKP) et des ondes S à chaque station (en s). Pour cela, faites coïncider le curseur de la souris avec le pointage des différentes ondes (ex. Station ANBW | tP = 310,7 s | tS = 567 s).2) A l’aide du logiciel LibreOffice Calc et de sa fiche technique, construire l’hodographe de votre séisme, c’est-à-dire le graphique représentant le temps d’arrivée des ondes P et des ondes S (en secondes) en fonction de la distance épicentrale (en km).3) Comparer l’hodographe observé obtenu avec l’hodographe théorique calculé à partir des différents modèles, puis conclure sur la validité de chaque modèle. Les ressources à exploiter Document 1 : Différents types d'ondes sismiques. Plusieurs réseaux de stations sismologiques existent à la surface de la Terre, comme le réseau français GEOSCOPE. Ils permettent d’enregistrer grâce à des sismographes les ondes qui leur parviennent depuis n’importe quel foyer sismique. Les sismogrammes obtenus peuvent présenter trois grands types d’ondes, toujours dans le même ordre d’arrivée :

En premier : Les ondes P (push) entraînent des compressions et dilatations qui déplacent les particules de matière parallèlement à leur direction de propagation. Elles se propagent dans les milieux solides et liquides.
En second : Les ondes S (slice) sont des ondes de cisaillement qui déplacent les particules perpendiculairement à leur direction de propagation. Dans les milieux de faible cohésion comme les liquides, elles ne peuvent se propager.
Enfin : Les ondes de surface (LR, ondes de Love et ondes de Rayleigh) sont les plus destructrices pour les populations et les constructions. Comme leur nom l’indique, elles ne se propagent qu’en surface.

4ZONES DE CONVERGENCE ET SUBDUCTION OCEANIQUE Une observation inattendue En 1964, trois sismologues américains, J. Oliver, B. Isacks et L. Sykes, examinent l'activité sismique au niveau de la fosse des îles Tonga, dans le Pacifique. Ils enregistrent les ondes sismiques produites par un séisme profond dont l'épicentre se trouve à égale distance des stations sismiques Fidji et Tonga. Ils observent que les ondes P parviennent à la station Tonga deux secondes plus tôt qu'à la station Fidji. Les chercheurs ont proposé que les ondes P les plus rapides aient traversé un matériau différent, la lithosphère, qui plonge dans l'asthénosphère au voisinage des fosses océaniques. On parle de subduction. Dans leur modèle de la structure interne de la Terre, les scientifiques proposent ainsi de distinguer : - La lithosphère, comprenant la croûte (continentale et océanique) et la partie supérieure du manteau supérieur ; - L'asthénosphère, comprenant la partie inférieure du manteau inférieur. L'objectif On cherche à comprendre comment les données sismologiques corroborent l'idée que la lithosphère plonge dans l'asthénosphère au niveau des fosses océaniques. Pour cela, on se propose d'exploiter les données sismologiques récoltées au voisinage de la fosse océanique des Tonga (20°S ; 175°W). PARTIE 1 Une différence de comportement mécanique... LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) A l’aide du logiciel Tectoglob3D et de sa fiche technique, réaliser une coupe perpendiculaire à la fosse des Tonga présentant la répartition des foyers sismiques en profondeur. 2) Insérer le document obtenu dans un fichier compte-rendu et l’annoter pour lui donner du sens. Repérer sur votre coupe la fosse des Tonga, la lithosphère plongeante, la lithosphère chevauchante et l'asthénosphère. 3) A l'aide du document 1, décrire et exploiter la coupe obtenue pour montrer que la lithosphère est caractérisée par un comportement rigide, contrairement à l'asthénosphère qui est ductile. 4) A l’aide du document 2, formuler une hypothèse expliquant la différence de comportement mécanique entre lithosphère et asthénosphère. DOCUMENT 1 Le comportement mécanique des roches Lorsqu'un matériau est soumis à des contraintes mécaniques, il peut se déformer plus ou moins rapidement, ou bien casser. On distingue ainsi le comportement de deux types de matériaux : - les matériaux rigides : soumis à des contraintes, ils sont résistants à la déformation et accumulent lentement de l'énergie jusqu'à casser. Leur rupture est à l'origine de séismes et libère des ondes sismiques ; - les matériaux ductiles : soumis à des contraintes, ils se déforment rapidement sans jamais rompre. Ils ne peuvent donc pas générer de séismes. DOCUMENT 2 Quelques valeurs de viscosité pour certains matériaux et enveloppes internes de la Terre La viscosité d'un matériau correspond au rapport de la contrainte qu'il subit sur la vitesse de déformation. Ainsi, plus un matériau est visqueux, plus il résiste et se déforme donc très lentement. Une augmentation de la température d'un matériau provoque une diminution de sa viscosité. En effet, quand la température augmente, un matériau perd de sa cohésion et sa déformation devient plus rapide. MatériauViscosité en Pa.sEau à 20°C10^-2Glace à 0°C (glacier alpin)10^11Lithosphère10^21 à 10^22Asthénosphère10^18 à 10^19 PARTIE 2 ...qui s'explique par des différences de températures LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) A l’aide des documents 3 et 4, proposer une stratégie de résolution reposant sur l'exploitation des données sismologiques au voisinage de la fosse des Tonga et permettant de montrer que la lithosphère est un matériau plus froid que l'asthénosphère. 2) A l’aide du logiciel Tectoglob3D et de sa fiche technique, réaliser une coupe tomographique perpendiculaire à la fosse des Tonga. Vous veillerez à choisir le modèle tomographique le plus adapté (GAP-P4 ou S362-ANI) et à choisir une profondeur maximale de 2900 km. 3) Insérer la coupe obtenue dans le compte-rendu et l’annoter avec les informations manquantes pour lui donner du sens (à l'aide de la légende et du doc. 2). 4) A l’aide du document 3, exploiter la coupe tomographique complétée pour montrer que la lithosphère est un matériau plus froid que l'asthénosphère. 5) A l'aide des résultats obtenus lors des activités 2 et 3, construire un tableau comparant les caractéristiques de la lithosphère et de l'asthénosphère. DOCUMENT 3 Le principe de la tomographie sismique La tomographie sismique compare les vitesses des différentes ondes sismiques reçues aux vitesses théoriques attendues pour chaque profondeur, calculées à partir d’un modèle de référence (PREM). On peut ainsi mettre en évidence des zones où la vitesse des ondes est : - soit plus élevée que celle prévue à cet endroit (anomalie de vitesse positive), interprétées par les scientifiques comme des régions plus froides du manteau (cas du secteur 1 dans le schéma ci-contre) ; - soit plus faible que celle prévue à cet endroit (anomalie de vitesse négative), interprétées par les scientifiques comme des régions plus chaudes du manteau (cas du secteur 2 dans les schéma ci-contre). DOCUMENT 4 Modélisation analogique de l'influence de la température sur la vitesse de propagation des ondes sismiques A l’aide d’un poids percutant une barre de pâte à modelé, on simule un séisme dont les ondes sont enregistrées à l’aide de deux capteurs. On réitère l'expérience pour des pâtes à modelé de températures variées. Les résultats sont présentés dans le graphique de droite. Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Traiter des données sismologiques à l'aide de logiciels. - Analyser le résultat de différentes méthodes pour identifier le plan de Wadati-Benioff. - Montrer l'existence d'hétérogénéités thermiques dans le manteau par des données de tomographies sismiques, tout en attirant l'attention sur l'amplitude des variations par rapport au modèle PREM. - Étudier par expérimentation assistée par ordinateur et/ou par modélisation analogique les paramètres à l’origine des modifications de la vitesse des ondes (nature du matériau, de sa rigidité/plasticité, effet de la température).

1LE DEPLACEMENT ABSOLU DES PLAQUES LITHOSPHÉRIQUES Rappels : Identifier les plaques lithosphériques LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) A l'aide du logiciel Tectoglob3D, montrer que la lithosphère est découpée en plaques dont les limites concentrent la majeure partie de l'activité sismique et magmatique. 2) En utilisant Tectoglob3D, déterminer sur quelle plaque lithosphérique l'île d'Hawaii est située Données affichées > Autres claques de données > Plaques tectoniques majeures L'objectif Les scientifiques utilisent différentes méthodes issues des différentes disciplines des géosciences pour décrire le mouvement des plaques, actuel ou passé. Caractériser le mouvement absolu d’une plaque, c’est préciser sa direction, son sens et sa vitesse par rapport à un repère (référentiel) considéré comme fixe. On cherche à caractériser le déplacement horizontal absolu d'une plaque lithosphérique. On prendra comme exemple la plaque Pacifique. PARTIE 1 L'étude des alignements volcaniques liés aux points chauds Située dans l'océan Pacifique, la ride d'Hawaii-Empereur est composée d'un alignement d'édifices volcaniques sous-marins inactifs et de l'archipel des îles d'Hawaii. Ce dernier comprend des volcans actifs, comme le Kilauea. Ce volcanisme, localisé non pas aux limites mais à l'intérieur d'une plaque, est qualifié de type "point chaud". LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) A l'aide des documents 1 et 2, expliquer comment les alignements volcaniques liés aux points chauds peuvent être utilisés pour caractériser le déplacement de la plaque Pacifique. 2) A partir du fichier "Volcans_Hawaii.kmz" à télécharger et à ouvrir sur Tectoglob3D, construire un graphique représentant la distance au volcan actif le plus récent (Loihi) en fonction de l'âge des volcans de la plaque Pacifique. Vous utiliserez le logiciel adéquat de votre choix pour construire ce graphique. 3) Exploiter le graphique obtenu et la disposition des volcans pour caractériser le déplacement actuel de la plaque Pacifique, et en calculer la vitesse moyenne depuis 30 Ma en cm/an. Document 1 : Schéma d'interprétation de l'alignement volcanique Hawaii-Empereur. En 1971, J. Morgan propose une interprétation des alignements volcaniques à l'intérieur de la plaque Pacifique. Il les explique par le déplacement de cette plaque au-dessus d'une source intermittente de magma, considérée comme fixe et positionnée actuellement sous le volcan actif. Document 2 : Âge des volcans de l'archipel d'Hawaii. Les géologues ont déterminé l'âge des plus anciennes roches mises en place pour chaque volcan. La localisation ainsi que l'âge des volcans sont disponibles dans le fichier ci-dessous, à télécharger et à importer depuis Tectolob3D (Fichier > Importer > Importer un dossier compressé GoogleEarth) : Localisation et âge des volcans de l'archipel d'Hawaii. PARTIE 2 L'étude des mesures géodésiques satellitaires Depuis la fin du XXe siècle, un repérage très précis de tout point situé au sol est possible grâce à des signaux provenant de réseaux de satellites : c'est la géodésie spatiale. L'une des principales techniques de géodésie spatiale, le GPS (Global Positioning System), utilise trente satellites situés à 20 000 km d'altitude. Les signaux qu'ils émettent sont captés au sol par des récepteurs fixes ou mobiles, ce qui permet de calculer en temps réel les coordonnées géographiques (latitude, longitude et altitude) de ces récepteurs. Les stations GPS utilisées par les géologues ont une précision inférieure au millimètre. Leurs changements de position au cours du temps servent notamment à mesurer les déplacements des plaques lithosphériques. LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) A partir de la base de données GPS de la NASA, ouvrir les données concernant la station GPS "HILO" basée à Hawaii. 2) A partir des graphiques affichés, indiquer le sens de déplacement de la station HILO et donc de la plaque Pacifique au niveau de la station. Attention : - Les positions en longitude sont données par rapport au méridien de Greenwich, positives vers l'Est, négatives vers l'Ouest. - Les positions en latitude sont données par rapport à l'équateur, positives vers le Nord, négatives vers le Sud. 3) Calculer la vitesse de déplacement en cm/an en longitude et en latitude de la station GPS "HILO". 4) A l'aide du document 2, calculer la vitesse globale de déplacement de la station HILO en cm/an. 5) Sur le logiciel Tectoglob3D, tracer le vecteur vitesse obtenu sur logiciel Tectoglob3D (Actions > Ajouter/Gérer objets > Vecteurs vitesse). Attention, les vitesses de déplacement sont à saisir dans l'onglet "Réglages/paramètres" en mm/an. 6) Comparer les informations obtenues avec : - les autres vecteurs GPS tracés sur la même plaque lithosphérique dans le logiciel Tectoglob3D (Données affichées > Vecteurs GPS et Plaques tectoniques majeures) ; - avec les informations obtenues avec l'étude des alignements volcaniques de l'archipel d'Hawaii (partie 1). Document 1 : Suivre le déplacement des plaques lithosphériques. Afin de suivre en continu les mouvements de la surface terrestre, des milliers de stations GPS permanentes ont été installées partout à la surface du globe. Ces stations sont constituées d'une broche métallique fixée à la roche et d'une antenne GPS placée exactement à la verticale du centre du repère, à une hauteur déterminée. La mesure GPS de la position de l'antenne fournit alors la position du repère. Il suffit de mesurer à nouveau cette position quelque temps après pour détecter un déplacement absolu et en déduire une vitesse. Aujourd'hui, le GPS offre une précision de mesure des vitesses de déplacement horizontal de l'ordre du mm/an. Station GPS (Isère, France). Document 2 : Calculer la vitesse de déplacement d'un point. Calculer la vitesse globale de déplacement d'un point revient à calculer la norme d'un vecteur vitesse dont l'une des coordonnées est la latitude et l'autre la longitude. Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Identifier, en utilisant des données sismiques, les plaques lithosphériques et leurs limites. - Analyser des bases de données de vitesse de déplacement (mesures GPS). - Exploiter des données issues des mesures GPS pour caractériser le déplacement absolu actuel d'une plaque lithosphérique. - Exploiter des données sur les alignements volcaniques liés aux points chauds pour caractériser le déplacement absolu d'une plaque lithosphérique.

3L'APPORT DES DONNEES THERMIQUES La Terre produit en permanence de la chaleur, principalement par la désintégration d’isotopes radioactifs contenus dans le manteau. Cette chaleur peut est transférée en surface par différents mécanismes : la convection et la conduction. Ces deux modes de transferts thermiques n’ont pas la même efficacité, ce qui pourrait expliquer la forme non linéaire du géotherme. L'objectif On cherche à comparer l'efficacité des deux modes de transfert de chaleur qui ont lieu au sein des enveloppes internes du globe, la conduction et la convection. DOCUMENT DE REFERENCE Deux modes de transfert thermique au sein du globe Dans un système, l’énergie thermique (chaleur) peut être transférée selon 2 modes : - La conduction (à gauche) est un mode de transfert thermique sans mouvement macroscopique de matière. La chaleur est transférée par vibration des atomes, de proche en proche. C’est ce qui réchauffe le fond métallique d’une casserole quand on la pose sur une plaque chauffante.- La convection (à droite) est un mode de transfert thermique avec mouvement macroscopique de matière. La matière chaude, moins dense que la matière froide, s’élève dans le système puis finit par refroidir à son tour. Devenant alors plus dense que la matière chaude, elle retombe par gravité. C’est ce qui arrive à l’eau contenue dans une casserole chaude. PARTIE 1 Un transfert de chaleur révélé par la tomographie sismique DOCUMENT 1 Le principe de la tomographie sismique La tomographie sismique compare les vitesses des différentes ondes sismiques reçues aux vitesses théoriques attendues pour chaque profondeur, calculées à partir d’un modèle de référence (PREM). On peut ainsi mettre en évidence des zones où la vitesse des ondes est : - soit plus élevée que celle prévue à cet endroit (anomalie de vitesse positive), interprétées par les scientifiques comme des régions plus froides du manteau (cas du secteur 1 dans le schéma ci-contre) ; - soit plus faible que celle prévue à cet endroit (anomalie de vitesse négative), interprétées par les scientifiques comme des régions plus chaudes du manteau (cas du secteur 2 dans les schéma ci-contre). LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) A l’aide de vos connaissances, expliquer comment la tomographie sismique permet de mettre en évidence des hétérogénéités thermiques à très grande profondeur au sein du manteau. 2) A l’aide du logiciel Tectoglob3D et de sa fiche technique, réaliser une coupe tomographique au niveau de la ride d’Hawaii (au Nord de l’Océan Pacifique). Utiliser le modèle S362-ANI. 3) Insérer la coupe obtenue dans un fichier et l’annoter avec les informations manquantes pour lui donner du sens. 4) A l’aide de vos connaissances, décrire et interpréter la coupe tomographique complétée. A l’aide du modèle analogique proposé, formuler une hypothèse pour expliquer les résultats constatés. PARTIE 2 Modéliser les modes de transferts thermiques LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) A l’aide du document 1, expliquer quel mode de transfert thermique peut être modélisé grâce au montage n°1 présenté dans le document 2. Représenter le profil de température de l’eau dans le bécher en utilisant les mêmes figurés que ceux du document 1. 2) A partir de la réponse à la question précédente, schématiser le montage n°2 qu’il faut réaliser pour modéliser l’autre mode de transfert thermique (directement sur le document 2). Représenter le profil de température de l’eau dans le bécher en reprenant les figurés du document 1. 3) Réaliser successivement les deux montages proposés. Faire fonctionner chaque montage pendant 10 minutes tout en mesurant la température en bas et en haut du système toutes les 30 secondes grâce aux thermosondes. Attention, les thermoplongeurs doivent impérativement être immergés ! 4) A l’aide du logiciel LibreOffice Calc, construire un graphique présentant l’évolution de la température en haut et en bas du bécher en fonction du temps pour chacun des deux modèles. Calculer le gradient thermique au début et à la fin de chaque modélisation. 5) A partir des résultats obtenus, expliquer quel mode de transfert thermique est le plus efficace puis proposer une explication au profil d’évolution de la température au sein de la Terre et aux différentes hétérogénéités thermiques mises en évidence au sein du manteau dans l’atelier 1. DOCUMENT 2 Montages permettant de modéliser les modes de transfert thermique du globe Montage n°1 : ....................................................Montage n°2 : .................................................... Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Réaliser des modèles analogiques pour appréhender la conduction et la convection. - Expliquer la structure thermique de la Terre à l'aide des mécanismes de transferts thermiques étudiés.

5ZONES DE DIVERGENCE ET EXPANSION OCEANIQUE Une hypothèse à tester : l'expansion océanique En 1962, le géologue Harry Hess propose que le plancher océanique est fabriqué au niveau de la dorsale, s'en écarte de part et d'autre à la manière d'un double tapis roulant, puis finit par plonger dans le manteau au niveau des grandes fosses océaniques. Selon lui, les mouvements de convection seraient le moteur de ce processus. On sait aujourd'hui que cette expansion océanique résulte de la divergence des plaques lithosphériques au niveau des dorsales. De part et d’autre des dorsales océaniques, le modèle de la tectonique des plaques prévoit une divergence de plaques, c'est-à-dire une déplacement en sens opposé. Cette affirmation repose sur des méthodes permettant de décrire le mouvement relatif des plaques, c’est-à-dire des unes par rapport aux autres. L'objectif On cherche à expliquer comment certaines données géologiques permettent de mettre en évidence une divergence des plaques de part et d'autre de la dorsale Est-Pacifique, puis à calculer la vitesse moyenne d'expansion océanique passée pour la comparer avec la vitesse actuelle. On s’intéresse la dorsale Est-Pacifique, frontière entre la plaque Pacifique à l’Ouest et la plaque Nazca à l’Est, au niveau du 30ème parallèle Sud. PARTIE 1 L'étude de l'âge des roches par rapport à la dorsale LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) Schématisez sur une coupe verticale la disposition attendue des différentes couches de sédiments de part et d'autre de la dorsale dans le cadre du modèle de l'expansion océanique.2) A l'aide de Tectoglob3D, construire un graphique représentant la distance à la dorsale Est-Pacifique en fonction de l'âge des sédiments au niveau du 30e parallèle Sud.3) Calculez la vitesse moyenne de déplacement de la lithosphère au niveau de la plaque Pacifique (située à l'Ouest de la dorsale).4) Calculez la vitesse d'expansion océanique au niveau de la dorsale Est-Pacifique. Document 1 : Comment dater un basalte océanique grâce aux sédiments ? Lors de campagnes à bord de navires océanographiques équipés d'une tour de forage, des scientifiques prélèvent des carottes de forage qui contiennent l'ensemble des dépôts successifs de sédiments du fond des océans jusqu'au basalte. Ces carottes de forage ainsi obtenues sont ensuite rapportées et analysées en laboratoires. Les paléontologues, grâce à l'identification des microfossiles que ces sédiments contiennent, sont capables de déterminer l'âge des sédiments les plus anciens au contact du basalte. En considérant que les sédiments les plus anciens se sont déposés peu après que ce basalte se soit formé au niveau de l'axe de la dorsale, on peut ainsi préciser l'âge où ce basalte se trouvait à la frontière de deux plaques en divergence et établir une carte de l'âge des fonds océaniques. Document 2 : Extrait de la carte de l'âge des sédiments au contact direct du basalte dans le Pacifique. En exploitant les données de centaines de forages, il est possible de construire la carte de l'âge des plus anciens sédiments en contact avec le basalte des fonds océaniques. Cet âge correspond aussi à celui de la croûte océanique, il est exprimé en millions d'années (Ma). Visite guidée à bord d'un navire océanographique équipé d'une tour de forage, le JOIDES Resolution. Tectoglob3D (carte géologique mondiale, âge du planche océanique, profil de l'âge du plancher). OneGeology Portal (affichage du calque "World CGMW 1:50M Geological Units Offshore). PARTIE 2 L'étude des anomalies magnétiques LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1) Indiquer l'origine des anomalies magnétiques des roches du plancher océanique.2) Expliquer comment ces anomalies peuvent être utilisées pour dater les roches du plancher océanique.3) Schématiser le profil d'anomalies magnétiques attendu de part et d'autre de la dorsale en imaginant une vitesse d'expansion océanique constante au cours des 2 derniers millions d'années.2) Construire un graphique représentant la distance à la dorsale en fonction de l'âge des anomalies magnétiques.3) Calculez la vitesse moyenne de déplacement de la lithosphère au niveau de la plaque Pacifique (située à l'Ouest de la dorsale) au cours des 2 derniers millions d'années.4) Calculez la vitesse d'expansion océanique au niveau de la dorsale Est-Pacifique au cours des 2 derniers millions d'années. Document 1 : Le champ magnétique terrestre. La Terre possède un champ magnétique semblable à celui qui serait créé par un barreau aimanté placé au centre de la Terre. Ce champ est caractérisé par ses deux pôles magnétiques (Nord et Sud), sa direction (donnée par les lignes de force) et son intensité (en millitesla). L'aiguille d'une boussole s'aligne sur le lignes de force du champ magnétique ambiant. Document 2 : La mémoire magnétique des roches. Les roches magmatiques possèdent leur propre aimantation. Elles contiennent en effet des minéraux (comme la magnétite) qui acquièrent une aimantation en-dessous d'une certaine température, dite de Curie (585°C pour la magnétite). Prenons l'exemple d'un magma basaltique, émis à une température de 900-1000°C. Au cours de son refroidissement, vers 585°C, les cristaux de magnétite acquièrent leur propre aimantation, à l'origine d'un champ magnétique, qui s'oriente selon la direction du champ magnétique terrestre ambiant. Or à cette température, le basalte est déjà solidifié. Les minéraux aimantés ne peuvent donc plus bouger les uns par rapport aux autres. Le basalte a ainsi acquis une "mémoire magnétique" : il a enregistré la direction et le sens du champ magnétique terrestre du lieu et de l'époque de son refroidissement. Expérience mettant en évidence les propriétés magnétiques d'un basalte. Expérience mettant en évidence le point de Curie du fer. Document 3 : Les inversions du champ magnétique terrestre. En 1906, le géologue Bernard Brunhes découvre que le sens du champ magnétique "mémorisé" par certaines laves basaltiques âgées de moins de 5 millions d'années est l'inverse du champ actuel. Il en conclut que le pôle Nord magnétique contemporain de l'émission de ces laves était proche du pôle Sud géographique actuel et, donc, que le sens du champ magnétique terrestre peut s'inverser. Dans le même temps, le géologue Motonori Matuyama montre, en étudiant des laves d'âge variable, que de multiples inversions du sens du champ magnétique terrestre se sont produites dans l'histoire de la Terre. On parle de polarité normale quand le sens du champ est identique à celui du champ magnétique actuel et de polarité inverse quand le sens du champ est l'inverse de celui du champ actuel. En regroupant les données obtenues sur de nombreux échantillons de laves, les géologues ont pu dresser une chronologie précise des inversions du champ magnétique terrestre depuis 4,5 Ma. Document 4 : La découverte d'anomalies magnétiques en milieu océanique. Les campagnes océanographiques des années 1950 ont permis de mesurer l'intensité du champ magnétique en milieu océanique, grâce à des magnétomètres embarqués à bord. On a alors découvert l'existence d'anomalies magnétiques : l'intensité mesurée était soit supérieure (anomalie positive, en noir), soit inférieure (anomalie négative, en blanc) à l'intensité moyenne du champ magnétique actuel. Ces anomalies ont été repérées sur des cartes, comme au Sud-Ouest de l'Islande (voir ci-contre). Pour tous les océans sans exception, les données océanographiques, aériennes et spatiales ont permis d'obtenir des profils "en peau de zèbre" qui sont restés incompris jusqu'en 1963. Tectoglob3D (Données affichées > Autres calques de données > Anomalies magnétiques). Document 5 : L'interprétation des anomalies magnétiques. En 1963, F. Vine, D. Matthews et L. Morley proposent une explication aux mystérieux profils magnétiques océaniques en peau de zèbre. Pour eux, chaque bande d'anomalie magnétique est due à l'aimantation acquise par les basaltes océaniques au moment de leur mise en place au niveau de la dorsale. Sous l'effet de différentes forces, les basaltes s'écartent ensuite de la dorsale tout en conservant leur aimantation. Lorsqu'ils ont été mis en place en période magnétique normale, leur aimantation s'ajoute à celle du champ magnétique actuel, à l'origine d'une anomalie positive. Quand ils ont été mis en place en période inverse, leur aimantation est à l'opposée du champ magnétique actuel, à l'origine d'une anomalie négative. Document 6 : Profil magnétique mesuré et représentation des anomalies magnétiques correspondantes en fonction de la distance à la dorsale Est-Pacifique. Le profil des anomalies magnétiques de chaque côté de la dorsale correspond à la chronologie des inversions du champ magnétique au cours du temps. On peut ainsi dater la mise en place des basaltes. En bleu foncé : anomalies positives ; en bleu clair : anomalies négatives. Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Exploiter des données sédimentaires ou magnétiques permettant d'établir la divergence de part et d'autre d'une dorsale océanique.

Origine du magmatisme et évolution de la lithosphère

Structure et dynamique interne de la Terre

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ACTIVITÉS

CONNAISSANCES

EXERCICES

PLAN DE TRAVAIL

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

Composition et renouvellementde la lithosphère océanique

L'origine de la répartition des volcans et des foyers sismiques à la surface de la Terre

L'origine des chaînes de montagnes

L'origine du magmatismedes zones de subduction

Circulation d'eau dans la lithosphère

Travaux pratiques

Travaux dirigés

EXERCICESCHAPITRE 1La structure interne du globe EXERCICE 1 A venir X Consignes A venir Ressources disponibles Document 1 : X

Une gène, une séquence d'acides aminés

Mutations et santé

Variation génétique et santé

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PLAN DE TRAVAILCHAPITRE 1Mutations et santé INTRODUCTION Une affiche de l'association "Vaincre la mucoviscidose". Certaines maladies, comme la mucoviscidose, ont une origine génétique. Les connaissances acquises dans ce domaine permettent de mieux comprendre leurs causes, d'estimer les risques de transmission et de proposer des traitements adaptés. PROBLÉMATIQUE(S) Comment les connaissances en génétique permettent-elles :- de comprendre les causes et les modes de transmission de la mucoviscidose ?- de calculer les risques de transmission de la mucoviscidose au sein des familles ? - de proposer des traitements adaptés aux effets phénotypiques de cette maladie ? ACTIVITÉS 1 - Causes et mode de transmission de la mucoviscidose2 - Les effets phénotypiques de la mucoviscidose (voir thème 1, chapitre 3)3 - Les traitements possibles de la mucoviscidose OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE / COMPÉTENCES TRAVAILLÉES Recenser, extraire et organiser des informations à partir d'arbres généalogiques :- pour établir l'origine génétique d'une maladie ou d'un syndrome ;- pour prédire les risques génétiques des nouvelles générations en calculant leur probabilité (conseil génétique). Recenser, extraire et organiser des informations à partir de divers documents pour relier un génotype au phénotype d'un individu. Recenser, extraire et organiser des informations relatives aux traitements médicaux envisageables en fonction de la variété des manifestations pathologiques observées (tissus affectés, âge moyen d'apparition des symptômes, sévérité du syndrome, etc.). Sélectionner les informations utiles pour répondre à un problème scientifique.

CONNAISSANCESCHAPITRE 1Mutations et santé INTRODUCTION La mucoviscidose est une maladie fréquente (1 nouveau-né sur 4 600) qui est caractérisée par une grave insuffisance respiratoire. Chez les individus malades, une protéine indispensable à la fluidification du mucus sécrété par certaines cellules des bronches est absente. Trop visqueux pour être évacué, le mucus et les bactéries qu'il a piégées s'accumulent, à l'origine d'infections bactériennes qui détruisent les poumons. PROBLÉMATIQUE(S) Comment les connaissances en génétique permettent-elles :- de comprendre les causes et les modes de transmission de la mucoviscidose ?- de calculer les risques de transmission de la mucoviscidose au sein des familles ? - de proposer des traitements adaptés aux effets phénotypiques de cette maladie ? I Origine et mode de transmission d'une maladie génétique, la mucoviscidose ACTIVITÉ 1 : Origine et mode de transmission de la mucoviscidose La maladie a une origine génétique : elle est provoquée par la mutation d'un seul gène, situé sur le chromosome 7. Comme nous possédons deux chromosomes 7 (chacun hérité d'un parent), nous avons deux exemplaires de ce gène dans toutes nos cellules. L'allèle muté, responsable de la mucoviscidose, est présent chez 1 personne sur 40. L'étude d'un arbre généalogique permet de prévoir le risque de transmission de la maladie. On constate que seuls les individus homozygotes (portant deux allèles identiques du gène, ici deux allèles mutés) sont malades. Comme il faut deux exemplaires de l'allèle muté pour être malade, on le qualifie de récessif. L'allèle sain est lui qualifié de dominant. La succession méiose-fécondation - et donc phase haploïde/diploïde - au cours du cycle biologique permet d'assurer la stabilité d'un caryotype d'une génération à l'autre. La mitose permet la reproduction conforme des cellules d'un organisme. II Les effets phénotypiques d'une maladie génétique, la mucoviscidose A Les modifications des chromosomes au cours des cycles cellulaires ACTIVITÉ 3 : Modifications des chromosomes au cours du cycle cellulaire CYCLE CELLULAIRE Le cycle cellulaire représente la succession d'évènements ayant lieu depuis l'apparition d'une cellule par mitose (ou suite à une fécondation) jusqu'à l'apparition, par division de cette cellule mère, de cellules filles. Sa durée varie d'un organisme à l'autre : 2h chez la levure, 24h pour certaines cellules humaines. Un cycle cellulaire est découpé en deux phases : l'interphase et la division cellulaire (mitose ou méiose). Au cours d'un cycle, l'état de condensation des chromosomes varie : - Lors de l'interphase, les chromosomes sont décondensés, sous forme de chromatine (fibre de 11 nm de diamètre contenue dans le noyau), et ne sont donc plus observables au microscope. - Lors des divisions cellulaires, les chromosomes se condensent pour former des chromosomes condensés (chromosomes mitotiques ou méiotiques). Le nombre de chromatides des chromosomes varie également : - Les chromosomes monochromatidiens sont constitués d'une seule chromatide ; - Les chromosomes bichromatidiens sont formés de deux chromatides, reliées au niveau d'un centromère. L'interphase est elle-même divisée en 3 phases : les phases G1, S et G2. III Les traitements possibles d'une maladie génétique, la mucoviscidose Plusieurs traitements agissant sur des paramètres du milieu (antibiothérapie, kinésithérapie, oxygénothérapie) limitent la progression de la mucoviscidose. La thérapie génique offre un espoir de corriger la maladie grâce à l'introduction d'un allèle non muté du gène responsable dans les cellules pulmonaires atteintes. Elle n'en est encore qu'au stade des essais. Mutations et santé Lexique ADJECTIFS QUALIFIANT UNE CELLULE ...eucaryote : dont l'information génétique est contenue dans un noyau. ...germinale : cellule d'un organisme pluricellulaire qui est à l'origine des gamètes (cellules reproductrices). ...somatique : cellule d'un organisme pluricellulaire qui n'est pas une cellule germinale. ...haploïde : dont chaque chromosome est présent en un exemplaire (noté n). ...diploïde : dont chaque chromosome est présent en deux exemplaires (noté 2n).

EXERCICESCHAPITRE 1Mutations et santé Maîtrise des connaissances EXERCICE 1 La drépanocytose, la myopathie de Duchenne, les B-thalassémies, la polykystose rénale, syndrome d'Alport Le caryotype d'une espèce comporte 3 paires de chromosomes. - Écrire la formule chromosomique de cette espèce. - Ouvrir l'animation proposée ci-dessous et compléter le schéma de son cycle biologique. Une animation pour s'entraîner à comprendre un cycle biologique

1Du génotype au phénotype Lorsqu’on étudie une pathologie, on commence souvent par caractériser son phénotype (étymologiquement « ce qui se voit », c’est-à-dire les caractères portés par les individus atteints). Le phénotype, établi à partir de la comparaison avec un individu non atteint par cette pathologie, peut être décrit à différentes échelles : de la molécule à l'organisme :

A l’échelle macroscopique : Quel(s) tissu(s) ou organe(s) sont atteints chez les malades ? En quoi leur fonctionnement est-il modifié ? Quelles sont les conséquences sur les individus (fertilité, mort, …) ?
A l’échelle cellulaire : Quel(s) type(s) de cellule(s) est impacté dans les organes atteints ? En quoi son fonctionnement est-il modifié ? Quelles sont les conséquences pour la cellule ?
A l’échelle moléculaire : Quelle protéine est modifiée dans les cellules impactées ? Au niveau de quel acide aminé ? Quelle conséquence sur la forme et la fonctionnalité de la protéine ?

Une fois un phénotype caractérisé, on peut s'interroger sur son origine. De nombreuses maladies génétiques s'expliquent par un génotype particulier, c'est-à-dire par les allèles portés par les individus. L'objectif On cherche à caractériser le phénotype d'un individu atteint de mucoviscidose (à ses différentes échelles), puis à comprendre l'origine de ce phénotype. Vous présenterez votre réponse sous la forme d'un tableau comparant le phénotype à différentes échelles (moléculaire, cellulaire, macroscopique) et le génotype d'un individu sain et d'un individu atteint de la mucoviscidose. Les ressources à exploiter Document 1 : La mucoviscidose, une maladie du mucus. La mucoviscidose est la plus fréquente des maladies génétiques graves, puisqu'elle touche un nouveau-né sur 2 500. Affaiblissant considérablement l'organisme, elle se traduit par des troubles respiratoires (toux, expectoration), digestifs (ballonnements, douleurs abdominales), et parfois par des perturbations de la croissance. Le corps de chacun d'entre nous produit du mucus. Cette substance fluide tapisse et humidifie les canaux de certains organes de notre corps (poumons, pancréas, etc). Chez une personne atteinte de mucoviscidose, le mucus est épais et collant. Il reste dans les bronches et les voies respiratoires, favorisant la prolifération d'agents infectieux (virus et surtout bactéries). Il bouche aussi les canaux du pancréas. Or le pancréas sécrète des substances appelées enzymes, nécessaires à la dégradation des aliments en nutriments dans l'intestin. Les personnes atteintes ont donc souvent des troubles digestifs. Les canaux d'évacuation des spermatozoïdes dans les testicules sont également obturés : l'individu est stérile. Document 2 : Observation de coupes de bronches d'un individu sain et d'un individu malade. Document 3 : Echanges d'ions au niveau d'une cellule de la paroi des bronches d'un individu sain et d'un individu atteint de mucoviscidose. La protéine CFTR est malformée chez les personnes atteintes de mucoviscidose. Présente à la surface des cellules de la paroi des bronches, elle forme un canal permettant d'expulser les ions chlorures (Cl-) du cytoplasme de la cellule vers le milieu extracellulaire. Cette sortie d'ions Cl- est indispensable à la sortie d'eau composant le mucus. Cette fonction étant altérée chez les patients atteints de mucoviscidose, la rétention dans la cellule des ions Cl- empêche la sortie d'eau et entraîne donc une déshydratation des sécrétions et du mucus. Celui-ci devient ainsi épais et visqueux. Document 4 : Modèle moléculaire d'un fragment de la protéine CFTR d'un individu sain et d'un individu atteint de la mucoviscidose. Toutes les protéines sont composées d'un enchaînement, ou séquence, d'acides aminés (a.a.). Il existe 20 types d'acides aminés, et chaque protéine peut comporter jusqu'à plusieurs milliers d'acides aminés. Document 5 : Séquences du gène et de la protéine CFTR d'un individu sain et d'un individu atteint de la mucoviscidose. La mucoviscidose est une maladie héréditaire liée à une anomalie du gène CFTR, porté sur le bras long du chromosome 7. L'allèle sain et l'allèle morbide les plus fréquents ont été séquencés, ainsi que les protéines CFTR pour lesquelles ces allèles codent. Pour les protéines, chaque groupe de 3 lettres (Lys, Glu, Asn, ...) désigne un acide aminé (voir doc. 4). Cliquez ici pour accéder aux séquences Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et exploiter des informations utiles pour caractériser un phénotype et un génotype. - Communiquer ses résultats sous forme d'un tableau. - Comparer des séquences génétiques et protéiques avec le logiciel Geniegen 2.

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PLAN DE TRAVAIL

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

PLAN DE TRAVAILCHAPITRE 1Mutations et santé INTRODUCTION Une affiche de l'association "Vaincre la mucoviscidose". Bla bla PROBLÉMATIQUE(S) Comment l'information génétique est-elle transmise au fil des générations ?Comment le caryotype est-il conservé au cours de la reproduction des cellules et des individus ? ACTIVITÉS1 - La stabilité du caryotype au fil des générations (caryotype, mitose, méiose/fécondation, diploïde/haploïde)2 - Mitose et conservation du caryotype (mitose, division cellulaire, chromosome, chromatide, fuseau mitotique)3 - Les modifications du caryotype au cours du cycle cellulaire (cycle cellulaire, interphase (G1, S, G2), chromosome condensé/décondensé, chromosome mono/bichromatidien)4 - Méiose et formation de cellules haploïdes (méiose, anaphase I, fuseau méiotique)5 - La réplication de l'ADN (réplication semi-conservative, ADN polymérase, clone) OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE / COMPÉTENCES TRAVAILLÉES Recenser, extraire et organiser des informations à partir d'un caryotype. Réaliser une observation microscopique. Présenter des observations microscopiques pour les communiquer. Réaliser des schémas, ou identifier sur des schémas les différentes phases des divisions cellulaires. Recenser, extraire et organiser des informations à partir d'un graphique. Sélectionner les connaissances utiles pour répondre à un problème scientifique.

CONNAISSANCESCHAPITRE 1Mutations et santé INTRODUCTION Sauf exceptions, tous les individus classés dans la même espèce ont le même caryotype. Cela signifie que le nombre et la forme des chromosomes sont conservés d’une génération à l’autre. La plupart des êtres humains portent 23 paires de chromosomes dans leurs cellules, dont deux chromosomes sexuels (XX chez les femmes, XY chez les hommes). Certains mécanismes sont donc responsables de la transmission de l’information génétique et de la stabilité du caryotype d'une génération à l'autre. PROBLÉMATIQUE(S) Comment l'information génétique est-elle transmise au fil des générations ?Comment le caryotype est-il conservé au cours de la reproduction des cellules et des individus ? I La stabilité du caryotype au fil des générations ACTIVITÉ 1 : La stabilité du caryotype au fil des générations CYCLE BIOLOGIQUE Le cycle biologique d'une espèce représente la succession d'évènements ayant lieu depuis l’apparition d’un organisme (génération x) jusqu’à l’apparition d’un organisme fils (génération x+1), c'est-à-dire lors du renouvellement des générations d’une espèce. Parmi ces évènements, certains processus sont impliqués dans la conservation du caryotype : La succession méiose-fécondation - et donc phase haploïde/diploïde - au cours du cycle biologique permet d'assurer la stabilité d'un caryotype d'une génération à l'autre. La mitose permet la reproduction conforme des cellules d'un organisme. II La conservation du caryotype au cours de la multiplication cellulaire Les organismes pluricellulaires sont constitués de plusieurs cellules (environ 10^13 chez l'humain). Toutes ces cellules proviennent de la multiplication d'une seule cellule-œuf. Des cycles de divisions cellulaires permettent de conserver un caryotype diploïde au cours de la croissance et du renouvellement des individus. A Les modifications des chromosomes au cours des cycles cellulaires ACTIVITÉ 3 : Modifications des chromosomes au cours du cycle cellulaire CYCLE CELLULAIRE Le cycle cellulaire représente la succession d'évènements ayant lieu depuis l'apparition d'une cellule par mitose (ou suite à une fécondation) jusqu'à l'apparition, par division de cette cellule mère, de cellules filles. Sa durée varie d'un organisme à l'autre : 2h chez la levure, 24h pour certaines cellules humaines. Un cycle cellulaire est découpé en deux phases : l'interphase et la division cellulaire (mitose ou méiose). Au cours d'un cycle, l'état de condensation des chromosomes varie : - Lors de l'interphase, les chromosomes sont décondensés, sous forme de chromatine (fibre de 11 nm de diamètre contenue dans le noyau), et ne sont donc plus observables au microscope. - Lors des divisions cellulaires, les chromosomes se condensent pour former des chromosomes condensés (chromosomes mitotiques ou méiotiques). Le nombre de chromatides des chromosomes varie également : - Les chromosomes monochromatidiens sont constitués d'une seule chromatide ; - Les chromosomes bichromatidiens sont formés de deux chromatides, reliées au niveau d'un centromère. L'interphase est elle-même divisée en 3 phases : les phases G1, S et G2. Mutations et santé Lexique ADJECTIFS QUALIFIANT UNE CELLULE ...eucaryote : dont l'information génétique est contenue dans un noyau. ...germinale : cellule d'un organisme pluricellulaire qui est à l'origine des gamètes (cellules reproductrices). ...somatique : cellule d'un organisme pluricellulaire qui n'est pas une cellule germinale. ...haploïde : dont chaque chromosome est présent en un exemplaire (noté n). ...diploïde : dont chaque chromosome est présent en deux exemplaires (noté 2n).

EXERCICESCHAPITRE 1Mutations et santé Maîtrise des connaissances EXERCICE 1 Le cycle biologique d'une espèce Le caryotype d'une espèce comporte 3 paires de chromosomes. - Écrire la formule chromosomique de cette espèce. - Ouvrir l'animation proposée ci-dessous et compléter le schéma de son cycle biologique. Une animation pour s'entraîner à comprendre un cycle biologique

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

Altérations du génome et cancérisation

Variation génétique et santé

CONNAISSANCES

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

EXERCICES

PLAN DE TRAVAIL

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

Variation génétique bactérienne et résistance aux antibiotiques

Variation génétique et santé

CONNAISSANCES

EXERCICES

PLAN DE TRAVAIL

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

Le fonctionnement du système immunitaire humain

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

CONNAISSANCES

EXERCICES

PLAN DE TRAVAIL

L'immunité innée

Acteurs et mécanismes de l'immunité innée

Le mode d'action d'un médicament anti-inflammatoire

ACTIVITÉS

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

PLAN DE TRAVAILCHAPITRE 1L'immunité innée INTRODUCTION Observation d'une coupe de peau (MO) L'organisme possède des barrières anatomiques (comme la peau ou les muqueuses), chimiques (acidité de l'estomac, molécules de défense dans la sueur) ou biologiques (microbiote) qui le protègent des agents infectieux du milieu extérieur. Si ces barrières ne suffisent pas, le système immunitaire entre en jeu. C'est un ensemble d'organes, de tissus, de cellules (les globules blancs ou leucocytes) ou biologiques (microbiote) qui le protègent des agents infectieux du milieu extérieur. L'immunité désigne l'ensemble des mécanismes visant à protéger l'organisme des agents infectieux (virus, bactéries, champignons, vers parasites, ...), mais aussi des cellules cancéreuses et des dommages tissulaires. Des mécanismes innés et adaptatifs (évoluant au cours de la vie) interviennent. PROBLÉMATIQUE(S) Comment l'immunité innée contribue-t-elle à protéger l'organisme vis-à-vis des agents pathogènes, des cellules cancéreuses et des dommages tissulaires ? ACTIVITÉS 1 - Acteurs et mécanismes de l'immunité innée2 - Le mode d'action des médicaments anti-inflammatoires OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE / COMPÉTENCES TRAVAILLÉES - Recenser, extraire et exploiter des informations sur les cellules et les molécules impliquées dans la réaction inflammatoire aiguë.- Recenser, extraire et exploiter des informations utiles pour expliquer le mode d'action de l'ibuprofène.- Observer et comparer une coupe histologique ou des documents en microscopique avant et lors d'une réaction inflammatoire aigüe. - Observer la phagocytose par des cellules immunitaires (macrophages). - Raisonner, argumenter, conclure en exerçant des démarches scientifiques et un sens critique. - Traiter des modèles moléculaires avec le logiciel Libmol.

EXERCICESCHAPITRE 1L'immunité innée A venir

CONNAISSANCESCHAPITRE 1L'immunité innée INTRODUCTION RAPPELS DU CYCLE 4- L’organisme possède des barrières anatomiques (comme la peau ou les muqueuses), chimiques (acidité de l’estomac, molécules de défense dans la sueur) ou biologiques (microbiote) qui le protègent des agents infectieux du milieu extérieur.- Si ces barrières ne suffisent pas, le système immunitaire intervient. C’est un ensemble d’organes, de tissus, de cellules (globules blancs ou leucocytes) et de molécules circulantes qui coopèrent pour assurer l’immunité de l’organisme et contribuer ainsi à sa santé.- L’immunité désigne l’ensemble des mécanismes visant à protéger l’organisme des agents infectieux (virus, bactéries, champignons, vers parasites, …), mais aussi des cellules cancéreuses et des dommages tissulaires. Des mécanismes innés et adaptatifs (évoluant au fil de la vie) interviennent. L’immunité innée est la 1ère ligne de défense à intervenir. Elle est très rapidement mise en œuvre, car certaines cellules de l’immunité innée (comme les macrophages) résident en permanence dans les tissus. Elle peut survenir en tout point de l’organisme. Comme son nom l’indique, elle ne nécessite pas d’apprentissage préalable : elle est présente dès la naissance car elle est génétiquement déterminée. Elle intervient dans des situations très diverses (lésion, infection, cancérisation, …). Lors de la lésion ou l’infection d’un tissu, on observe toujours gonflement, rougeur, chaleur et douleur au niveau du tissu impacté. Ces 4 symptômes stéréotypés traduisent une réaction inflammatoire aiguë, mécanisme essentiel de l’immunité innée. ACTIVITÉ 1 : La réaction inflammatoire aigüe, un exemple de réponse innée PROBLÉMATIQUE(S) Comment l'immunité innée contribue-t-elle à protéger l'organisme vis-à-vis des agents pathogènes, des cellules cancéreuses et des dommages tissulaires ? I Détecter les intrus DES RÉCEPTEURS DE SURFACE Les cellules de l’immunité innée portent, sur leur membrane plasmique, des récepteurs de surface. Ces récepteurs sont des protéines permettant la reconnaissance spécifique de motifs moléculaires inhabituels. Les motifs reconnus sont des molécules portées par un grand nombre d’agents infectieux, ou des molécules fréquemment libérées lors de la mort de cellules de l’organisme. Par exemple, le récepteur TLR 5/5 situé à la surface des macrophages permet de détecter les flagellines, protéines constituant le flagelle de certaines bactéries. II Réagir face aux intrus, exemple de la réaction inflammatoire Suite à la reconnaissance de motifs moléculaires inhabituels, les cellules de l’immunité innée mettent toujours en place les mêmes mécanismes de réaction, responsables de la réaction inflammatoire. A Communiquer avec les autres cellules de l'organisme DES MÉDIATEURS CHIMIQUES DE L'INFLAMMATION Les cellules de l’immunité innée libèrent des médiateurs chimiques de l’inflammation. Ce sont des molécules permettant de communiquer entre cellules de l’organisme. Certaines sont responsables des symptômes stéréotypés de la réaction inflammatoire aiguë, en induisant :- Une stimulation des fibres nerveuses sensitives, à l’origine de la douleur ;- Une dilatation locale des vaisseaux sanguins, ce qui conduit à une augmentation du flux sanguin à l’origine de la rougeur et de la douleur ;- Une perméabilisation des vaisseaux sanguines, ce qui conduit à une sortie de plasma (fraction liquide du sang) dans les tissus infectés à l’origine d’un gonflement.D’autre part, les interleukines, médiateurs chimiques de l’inflammation sécrétés par les macrophages, stimulent la mise en place de molécules d’adhérence cellulaire à la surface de la paroi interne des vaisseaux sanguins. Ces molécules facilitent ainsi la migration d’autres cellules de l’immunité circulant dans le sang vers les tissus inflammés. Cela explique l’accumulation de cellules immunitaires au niveau de la zone de l’inflammation. DES MÉDICAMENTS ANTI-INFLAMMATOIRES Parfois, la réaction inflammatoire est trop importante ou devient chronique. Les médicaments anti-inflammatoires agissent en empêchant la synthèse de certains médiateurs chimiques de l’inflammation, réduisant ainsi l’inflammation (anti-inflammatoire) et/ou la douleur (antalgique). L'ibuprofène bloque la synthèse d’un médiateur chimique de l’inflammation responsable de la douleur (la prostaglandine). Une fois à l’intérieur des cellules, il agit en occupant le site actif de la cyclo-oxygénase, une enzyme impliquée dans la voie métabolique de synthèse de la prostaglandine à partir de son substrat (l’acide arachidonique). B Éliminer les éventuelles menaces par phagocytose Certaines cellules de l’immunité innée comme les macrophages sont capables d’éliminer les intrus (agents infectieux, cellules cancéreuses ou débris cellulaires) par phagocytose. LE DÉROULEMENT DE LA PHAGOCYTOSE Après reconnaissance d’un motif moléculaire, les particules sont ingérées par la cellule et piégées dans une vésicule au sein du cytoplasme. Elles sont ensuite digérées grâce à des enzymes produites par la cellule. Les débris sont ensuite libérés à l’extérieur de la cellule. Les granulocytes et les cellules dendritiques sont d’autres phagocytes (cellules capables de phagocytose). C Préparer le déclenchement de la réponse adaptative DES CELLULES PRÉSENTATRICES DE L'ANTIGÈNE... Certaines cellules de l’immunité innée comme les macrophages sont capables de présenter à leur surface des fragments issus de la digestion des protéines de l’intrus, les antigènes. Au niveau de la membrane plasmique, les antigènes sont associés à des protéines, les CMH (complexes majeurs d’histocompatibilité). Ces cellules sont qualifiées de cellules présentatrices de l’antigène (CPA). Les cellules dendritiques sont aussi des cellules présentatrices de l’antigène. ...QUI DÉCLENCHENT L'IMMUNITÉ ADAPTATIVE Les CPA migrent ensuite vers les organes lymphoïdes les plus proches (comme les ganglions lymphatiques). Elles présentent leurs complexes CMH/antigène aux lymphocytes (cellules de l’immunité adaptative) ce qui permet de les activer. Les mécanismes de l’immunité innée sont ainsi indispensables à l’activation des cellules de l’immunité adaptative, qui viennent compléter l’action des cellules de l’immunité innée. III L'immunité innée, un mécanisme commun à tous les animaux ? L’immunité innée existe chez tous les animaux, elle serait apparue vers - 800 Ma. Elle repose sur des mécanismes de reconnaissance et d’action très conservés au cours de l’évolution. Ainsi : Chez tous les animaux, les motifs moléculaires des agents infectieux sont reconnus par des récepteurs présents à la surface des cellules, les TLR. Ces protéines ont des séquences d’acides aminés très proches chez tous les animaux. Chez tous les animaux, les cellules de l’immunité libèrent des molécules circulantes comme les interleukines. Ces protéines ont des séquences d’acides aminés très proches chez tous les animaux. Certaines cellules de l’immunité innée comme les cellules dendritiques (reconnaissables avec leurs longs prolongements cytoplasmiques) éliminent les agents infectieux par phagocytose. L'immunité innée : exemple de la réaction inflammatoire <div style="width: 100%;"><div style="position: relative; padding-bottom: 56.25%; padding-top: 0; height: 0;"><iframe frameborder="0" width="1200" height="675" style="position: absolute; top: 0; left: 0; width: 100%; height: 100%;" src="https://view.genial.ly/5ea84103637c610dbf867e63" type="text/html" allowscriptaccess="always" allowfullscreen="true" scrolling="yes" allownetworking="all"></iframe> </div> </div> Lexique

1Acteurs et mécanismes de l'immunité innée L'immunité innée est la première ligne de défense à intervenir. Elle est très rapidement mise en oeuvre, car certaines cellules de l'immunité innée (comme les macrophages) résident en permanence dans les tissus. Elle peut intervenir en tout point de l'organisme. Comme son nom l'indique, elle ne nécessite pas d'apprentissage préalable car elle est génétiquement déterminée. Elle est donc présente dès la naissance. Elle intervient dans des situations très diverses : lésion, infection, cancérisation, ... A Détection et élimination des intrus L'objectif On cherche à expliquer comment les cellules de l'immunité innée parviennent à détecter puis à éliminer les agents infectieux. Vous présenterez votre réponse sous la forme d'un texte argumenté par les informations issues des ressources à exploiter. Les ressources à exploiter Document 1 - Les récepteurs de surface TLR chez les animaux. Découverts et caractérisés chez la drosophile, les récepteurs TLR ont aussi été mis en évidence chez d'autres animaux et notamment chez l'humain. Il existe une dizaine de types de récepteurs TLR, et chacun d'eux est associé à la reconnaissance de différentes molécules caractéristiques pouvant chacune être présentes à la surface ou à l'intérieur de nombreux micro-organismes pathogènes. Document 2 - Effet de la stimulation d'un TLR sur la capacité de phagocytose d'un macrophage. Les macrophages sont des cellules immunitaires qui sont recrutées sur le site infecté lors de la réaction inflammatoire. On a mesuré la capacité de macrophages de souris à phagocyter des globules rouges de mouton après avoir été mis en présence d'une molécule bactérienne qui stimule le récepteur TLR4. Deux types de macrophages ont été étudiés : les uns ont un TLR4 normal, les autres un TLR4 non fonctionnel. Document 3 - Un macrophage en train de phagocyter des hématies (vu au MET, fausses couleurs). Lors de la phagocytose, la membrane plasmique du macrophage se déforme et forme des pseudopodes qui entourent l'hématie. Celle-ci se trouve ensuite englobée dans une vésicule intra-cytoplasmique, le phagosome. Ce dernier fusionne avec des organises appelés lysosomes, dans lesquels l'hématie est digérée par des enzymes. Document 4 - Phagocytose de levures par un macrophage suivie grâce à des anticorps fluorescents (photos au MO). Les levures apparaissent en rouge, la membrane plasmique du macrophage bleu, les lysosomes en vert. Ces derniers sont des organites du macrophage qui contiennent des molécules capables de digérer des agents infectieux. La couleur jaune est due au mélange des fluorescences vertes et rouges. B Origine des symptômes de la réaction inflammatoire En taillant ses rosiers, Gustave s’est coupé le doigt en manipulant une épine. La plaie a peu saigné. Deux jours plus tard, la plaie est chaude, douloureuse, gonflée, rouge et du pus s’est formé. Ces quatre symptômes stéréotypés sont caractéristiques d’une réaction inflammatoire. L'objectif On cherche à expliquer l'apparition des signes cliniques de la réaction inflammatoire, puis à montrer que la réaction inflammatoire permet de recruter d'autres cellules immunitaires au niveau du tissu infecté. Vous présenterez votre réponse sous la forme d'un texte argumenté par les informations issues des ressources à exploiter. Les ressources à exploiter Document 1 - Coupe transversale du derme dans une peau saine et dans une peau infectée (vues au MO). L'accumulation de plasma et de cellules sur le site infecté forment un liquide blanchâtre : le pus. Document 2 - Etude des modifications des vaisseaux sanguins lors de la réaction inflammatoire. On injecte à des lapins une bactérie pathogène. La perméabilité vasculaire et le débit sanguin à proximité d'un site d'infection sont ensuite mesurés. Une augmentation du débit sanguin est liée à une augmentation du diamètre vasculaire. Document 3 - Des mastocytes en culture (au MET, fausses couleurs). Les granules cytoplasmiques des mastocytes, ainsi que ceux des macrophages et des cellules dendritiques, contiennent des molécules appelées médiateurs chimiques de l'inflammation tels que les interleukines, le TNF ou l'histamine. Lorsque les récepteurs TLR de ces cellules sont stimulés, ces médiateurs sont libérés au niveau du site infecté. Document 4 - Effet de l'histamine sur les vaisseaux sanguins de l'oreille d'une souris. Des souris reçoivent une injection de bleu Evans, un colorant qui ne traverse habituellement pas la paroi des vaisseaux sanguins. De l'histamine est ensuite injectée dans l'oreille gauche d'une souris tandis que l'oreille droite reçoit une injection contrôle de solution saline. Les changements de diamètre des vaisseaux sanguins de l'oreille gauche sont observés au microscope optique. Document 5 - Expression de la sélectine par des cellules de la paroi interne de vaisseaux sanguins en réponse à l'injection de TNF. Document 6 - Migration d'une cellule phagocytante du sang vers un tissu infecté : vue au MET (en haut) et schématisation (en bas). La sélectine est une molécule facilitant l'adhésion des cellules phagocytantes et leur migration vers le tissu infecté. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et exploiter des informations sur les cellules et les molécules impliquées dans la réaction inflammatoire aiguë. - Observer et comparer une coupe histologique ou des documents en microscopique avant et lors d'une réaction inflammatoire aigüe. - Observer la phagocytose par des cellules immunitaires (macrophages). - Raisonner, argumenter, conclure en exerçant des démarches scientifiques et un sens critique.

2Le mode d'action d'un médicament anti-inflammatoire Suite à sa blessure, le médecin prescrit à Julien un médicament anti-inflammatoire et antalgique (agissant contre la douleur), l'ibuprofène. L'objectif On cherche à expliquer le mode d'action de ce médicament anti-inflammatoire et antalgique. Vous présenterez votre réponse sous la forme d'un texte argumenté par les informations issues de vos connaissances et des ressources à exploiter. Vous devrez insérer une capture d'écran du logiciel Libmol. Les ressources à exploiter Document 1 - Extrait de la notice du médicament prescrit à Julien. L'ibuprofène est un anti-inflammatoire non stéroïdien (AINS). Il lutte contre la douleur et fait baisser la fièvre. Ses propriétés anti-inflammatoires se manifestent à forte dose. Il est utilisé dans le traitement de courte durée de la fièvre et de la douleur (maux de tête, douleurs dentaires, états grippaux, courbatures, règles douloureuses...). Document 2 - Effet de l'enzyme COX sur la réaction inflammatoire aiguë. Les cyclo-oxygénases, ou COX, sont des enzymes intracellulaires impliquées dans la conversion de l'acide arachidonique (un lipide de la membrane plasmique des cellules) en médiateurs chimiques de l'inflammation. Document 3 - Activité de l'enzyme COX en présence d'ibuprofène. On mesure expérimentalement l'activité de l'enzyme COX, c'est-à-dire sa capacité à transformer son substrat, pour différentes concentrations en ibuprofène. On obtient les résultats ci-dessous. Logiciel Libmol pour traiter les modèles moléculaires suivants :

A gauche : Cyclo-oxygénase ovine (COX) et son substrat, l'acide arachidonique
A droite : Action d'un anti-inflammatoire, l'ibuprofène, sur la cyclo-oxygénase (COX)

et si besoin Fiche technique d'utilisation du logiciel Libmol Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et exploiter des informations utiles pour expliquer le mode d'action de l'ibuprofène. - Raisonner, argumenter, conclure en exerçant des démarches scientifiques et un sens critique. - Traiter des modèles moléculaires avec le logiciel Libmol.

Travaux pratiques

Travaux dirigés

CONNAISSANCES

EXERCICES

PLAN DE TRAVAIL

Le fonctionnement du système immunitaire humain

L'immunité adaptative

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

Une réponse adaptative cellulaire

Les mécanismes à l'originede la diversité des anticorps

ACTIVITÉS

La mise en place d'une réponse adaptative spécifique

La mémoire immunitaire

Une réponse adaptative humorale

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

2Une réponse adaptative cellulaire Document d'appel : Analyse par cytométrie de flux d'une population de lymphocytes T CD8 reconnaissant un marqueur antagonique de virus de grippe. La cytométrie de flux permet de trier des cellules à l'aide d'un laser en déterminant leur taille et leur granulosité (densité de granules présents dans le cytoplasme). En utilisant des marqueurs spécifiques fluorescents, on peut détecter à la surface des cellules triées certaines molécules. On réalise un protocole expérimental sur des souris afin de quantifier par cytométrie de flux une catégorie spécifique de lymphocytes T : les lymphocytes T CD8. Le marqueur CD8 est spécifique de cette catégorie de lymphocytes. Le marqueur NP68 détecte les lymphocytes possédant le récepteur T spécifique du virus de la grippe. Si les anticorps permettent de neutraliser les agents infectieux, ils ne sont pas capables de détruire les cellules anormales du corps, comme les cellules infectées par des virus ou les cellules cancéreuses. L'objectif On cherche à expliquer comment les lymphocytes T cytotoxiques détectent spécifiquement puis détruisent les cellules anormales. Vous présenterez votre réponse sous la forme d'un texte argumenté par les informations issues des ressources à exploiter. Les ressources à exploiter • Document 1 - Le mode d'action des lymphocytes T cytotoxiques. Une cellule infectée par un virus exprime à sa surface des fragments d'antigène viral associé au CMH. Les lymphocytes T CD8 se fixent ainsi aux cellules infectées et se différencient en lymphocytes T cytotoxiques (LTc). Dans les LTc, il y a des granules qui contiennent des protéines (les perforines) pouvant s'insérer dans la membrane plasmique de la cellule infectée et former un pore, ainsi que des enzymes (les granzymes) capables de digérer les protéines. • Document 2 - Observations des interactions entre un lymphocyte T cytologique et une cellule infectée. Le contenu des granules cytoplasmiques des LTc sont marqués par un colorant fluorescent vert dans les images du bas. • Document 3 - Etude des conditions de lyse des cellules infectées. Des cellules de peau de souris sont cultivées in vitro. Certaines sont saines. D'autres ont été infectées soit par un virus A, soit par un virus B. Des lymphocytes T cytotoxiques prélevés sur d'autres souris, soit saines, soit infectées par l'un ou l'autre des virus, sont rajoutés dans le milieu. Le devenir des cellules de peau est observé. Un + signifie que la cellule de peau est détruite, un - qu'elle ne l'est pas. • Document 4 - Etude des conditions de lyse des cellules infectées. Des souris d'une même souche A sont infectées par un virus mortel, le virus de la chorioméningite lymphocytaire (LCMV). Ce virus parasite les cellules nerveuses (cellules cibles). Quelques jours plus tard, on isole, à partir des cellules de la rate (organe lymphoïde) de ces mêmes souris, des lymphocytes T spécifiques de ce virus. Ces lymphocytes T sont ensuite incubés avec des cellules nerveuses de souris de souches différentes A et B soit non infectées, soit infectées par le virus de la grippe (Influenza) par le LCMV. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et exploiter des informations utiles pour expliquer le mode d'action des lymphocytes T cytotoxiques. - Raisonner, argumenter, conclure en exerçant des démarches scientifiques et un sens critique.

1Une réponse adaptative humorale Document d'appel : Electrophorèse des protéines du sérum d'un lapin témoin et d'un lapin ayant reçu une injection d'une molécule étrangère 8 jours auparavant. Lorsque la réponse innée est insuffisante pour éliminer l'agent pathogène, une seconde ligne de défense entre en jeu : la réponse adaptative. Elle fait intervenir de nombreuses molécules dans le sang, notamment les anticorps (aussi appelés immunoglobulines). L'objectif On cherche à expliquer comment les anticorps permettent de neutraliser les agents infectieux. Vous présenterez votre réponse sous la forme d'un texte argumenté par les informations issues de vos connaissances et des ressources à exploiter. Vous devrez insérer la présentation : - des résultats obtenus à votre test d'Ouchterlony sous la forme de votre choix ; - d'un schéma expliquant ces résultats à l'échelle moléculaire (anticorps, antigènes) ; - deux captures d'écran issues du logiciel Libmol. Les ressources à exploiter • Document 1 - Des molécules d'antigène avant et après incubation avec un anticorps (MET). On appelle antigène toute substance capable de déclencher la production d'anticorps. Les antigènes peuvent être de nature variée : molécules portées par des agents pathogènes, substances chimiques issues de l'environnement, molécules produites par des cellules cancéreuses, ... Les anticorps se fixent sur les antigènes et provoquent leur agglutination. La structure formée, constituée d'antigène et d'anticorps, est appelée complexe immun. • Document 2 - Observation au MET et schéma du virus de la grippe. L'épidémie de grippe saisonnière touche environ 2,5 millions de personnes chaque année en France entre décembre et avril. Elle cause habituellement de 4 000 à 6 000 décès par an en France, principalement chez les plus de 65 ans. Elle serait à l'origine de 650 000 décès par an dans le monde. • Matériel et fiche technique pour analyser la spécificité des anticorps grâce au test d'immuno-diffusion sur gel (méthode d'Ouchterlony). On dispose de 3 souches virales de la grippe récoltées lors d'épidémies précédentes : souche Michigan 2015 (M), souche Hong-Kong 2003 (HK03) et souche Hong-Kong 2014 (HK14). On dispose également du sérum d'un patient ayant contracté la grippe dans le Michigan en 2015. A l'aide d'un gabarit, on commence par creuser des puits dans la gélose préalablement coulée dans une boîte de Pétri. Après avoir introduit les différentes solutions, les molécules diffusent dans la gélose dans toutes les directions. La formation d'un complexe immun se traduit par l'apparition d'un précipité blanc en forme d'arc. • Document 3 - Structure des immunoglobulines ou anticorps. Dans les années 1960, l'amélioration des techniques de laboratoire permet au médecin et biologiste américain Gerald M. Edelman (1929-2014) et au biochimiste britannique Rodney R. Porter (1917-1985) de mettre en évidence la structure générale des anticorps (ou immunoglobulines). Les deux scientifiques seront récompensés par le prix Nobel de médecin et de physiologie en 1972 pour cette découverte. D'après leur modèle, un anticorps est une protéine constituée de 4 chaînes : 2 chaînes lourdes (en bleu et vert) et 2 légères (en rouge et jaune), identiques deux à deux et reliées entre elles. Chaque chaîne comprend une partie constante et une partie variable, c'est-à-dire dont la séquence d'acides aminés varie d'un anticorps à l'autre. La partie variable des chaînes comprend les 110 premiers acides aminés de sa séquence. La taille réelle d'un anticorps est d'environ 15 nm. • Logiciel Libmol pour traiter les modèles moléculaires suivants : Un modèle théorique d'un anticorps complet Un modèle de la partie variable d'un anticorps anti-gp120 fixée à un antigène et si besoin Fiche technique d'utilisation du logiciel Libmol N.B. Pour sélectionner une plage d'acides aminés dans Libmol, saisir le numéro du 1er et du dernier acide aminé choisi dans la barre de sélection de l'onglet "Commandes". Par exemple, pour sélectionner les acides aminés 1 à 30, saisir "1-30" dans la barre de recherche. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et exploiter des informations utiles pour expliquer le mode d'action des anticorps. - Concevoir et réaliser une expérience permettant de caractériser la spécificité des molécules intervenant dans l'immunité adaptative. - Raisonner, argumenter, conclure en exerçant des démarches scientifiques et un sens critique. - Traiter des modèles moléculaires avec le logiciel Libmol.

I – Les effecteurs de l'immunité adaptative : des molécules et des cellules à haute spécificité (suite) 2) Les lymphocytes T cytotoxiques et l'élimination des cellules infectées Lors d’une infection virale, une cytométrie de flux révèle l’apparition dans l'organisme de cellules portant à la fois un récepteur T et un marqueur CD8. Il s'agit des lymphocytes T cytotoxiques (LTc). a) Reconnaissance de cellules cibles : les cellules infectées Les LTc sont capables de se lier étroitement aux cellules infectées porteuses d’antigènes viraux, à condition qu'ils soient associés aux molécules de CMH (Complexe Majeur d’Histocompatibilité). La reconnaissance est effectuée par les récepteurs T situés sur la membrane des LTc. Chaque récepteur T est formé de 2 chaînes protéiques comportant une partie constante et une partie variable d’un LTc à l’autre. Chaque récepteur T possède un seul site de reconnaissance des antigènes, situé au niveau de la partie variable. Chaque type de LTc porte un seul type de récepteur T, et chaque récepteur T reconnaît spécifiquement un antigène associé au CMH. 2) Réaction face aux cellules cibles Après reconnaissance d’un antigène viral, les lymphocytes T cytotoxiques libèrent des molécules toxiques qui provoquent la destruction de la cellule cible. Les débris cellulaires sont ensuite éliminés par les macrophages, par phagocytose. Remarque : Les molécules qui déclenchent la mort des cellules infectées le font (1) en perforant la membrane plasmique de la cellule cible, ce qui entraîne une entrée d’eau et la lyse (éclatement) de la cellule et (2) en programmant l’autodestruction de la cellule (ou apoptose). SCHEMA-BILAN EN ROUTE VERS LE BAC > Des mots-clés à savoir définir : Lymphocyte T cytotoxique, récepteur T, CMH. > Je dois être capable de : - Expliquer comment les lymphocytes T cytotoxiques contribuent à lutter contre la propagation d'un virus dans l'organisme. ~~~ Télécharger cette fiche au format .pdf ~~~

PLAN DE TRAVAILCHAPITRE 2L'immunité adaptative INTRODUCTION L'immunité adaptative, prolongement de l'immunité innée Présente uniquement chez les vertébrés, l'immunité adaptative complète l'immunité innée. Elle assure une action spécifique contre des motifs moléculaires portés par des agents infectieux ou des cellules anormales, les antigènes. Elle met en jeu des molécules et des cellules particulières, notamment les anticorps et les cellules qui les produisent. Associée à l'immunité innée, elle réussit le plus souvent à éliminer la cause du déclenchement de la réaction immunitaire. PROBLÉMATIQUE(S) Comment l'immunité adaptative contribue-t-elle à protéger l'organisme vis-à-vis des agents pathogènes, des cellules cancéreuses et des dommages tissulaires ? ACTIVITÉS 1 - Une réponse adaptative humorale2 - Une réponse adaptative cellulaire3 - Les mécanismes à l'origine de la diversité des anticorps4 - La mise en place d'une réponse adaptative spécifique5 - La mémoire immunitaire OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE / COMPÉTENCES TRAVAILLÉES - Recenser, extraire et exploiter des informations, y compris expérimentales, sur les cellules et les molécules intervenant dans l'immunité adaptative.- Concevoir et réaliser une expérience permettant de caractériser la spécificité des molécules intervenant dans l'immunité adaptative.- Traiter des modèles moléculaires avec le logiciel Libmol. - Estimer le nombre et la diversité des cellules et des molécules nécessaires à l'immunité adaptative. - Raisonner, argumenter, conclure en exerçant des démarches scientifiques et un sens critique.

EXERCICESCHAPITRE 2L'immunité adaptative A venir

CONNAISSANCESCHAPITRE 2L'immunité adaptative INTRODUCTION RAPPELS DU CYCLE 4- L’organisme possède des barrières anatomiques (comme la peau ou les muqueuses), chimiques (acidité de l’estomac, molécules de défense dans la sueur) ou biologiques (microbiote) qui le protègent des agents infectieux du milieu extérieur.- Si ces barrières ne suffisent pas, le système immunitaire intervient. C’est un ensemble d’organes, de tissus, de cellules (globules blancs ou leucocytes) et de molécules circulantes qui coopèrent pour assurer l’immunité de l’organisme et contribuer ainsi à sa santé.- L’immunité désigne l’ensemble des mécanismes visant à protéger l’organisme des agents infectieux (virus, bactéries, champignons, vers parasites, …), mais aussi des cellules cancéreuses et des dommages tissulaires. Des mécanismes innés et adaptatifs (évoluant au fil de la vie) interviennent. L’immunité innée est la 1ère ligne de défense à intervenir. Elle est très rapidement mise en œuvre, car certaines cellules de l’immunité innée (comme les macrophages) résident en permanence dans les tissus. Elle peut survenir en tout point de l’organisme. Comme son nom l’indique, elle ne nécessite pas d’apprentissage préalable : elle est présente dès la naissance car elle est génétiquement déterminée. Elle intervient dans des situations très diverses (lésion, infection, cancérisation, …). Lors de la lésion ou l’infection d’un tissu, on observe toujours gonflement, rougeur, chaleur et douleur au niveau du tissu impacté. Ces 4 symptômes stéréotypés traduisent une réaction inflammatoire aiguë, mécanisme essentiel de l’immunité innée. ACTIVITÉ 1 : La réaction inflammatoire aigüe, un exemple de réponse innée PROBLÉMATIQUE(S) Comment l'immunité innée contribue-t-elle à protéger l'organisme vis-à-vis des agents pathogènes, des cellules cancéreuses et des dommages tissulaires ? I Détecter les intrus DES RÉCEPTEURS DE SURFACE Les cellules de l’immunité innée portent, sur leur membrane plasmique, des récepteurs de surface. Ces récepteurs sont des protéines permettant la reconnaissance spécifique de motifs moléculaires inhabituels. Les motifs reconnus sont des molécules portées par un grand nombre d’agents infectieux, ou des molécules fréquemment libérées lors de la mort de cellules de l’organisme. Par exemple, le récepteur TLR 5/5 situé à la surface des macrophages permet de détecter les flagellines, protéines constituant le flagelle de certaines bactéries. II Réagir face aux intrus, exemple de la réaction inflammatoire Suite à la reconnaissance de motifs moléculaires inhabituels, les cellules de l’immunité innée mettent toujours en place les mêmes mécanismes de réaction, responsables de la réaction inflammatoire. A Communiquer avec les autres cellules de l'organisme DES MÉDIATEURS CHIMIQUES DE L'INFLAMMATION Les cellules de l’immunité innée libèrent des médiateurs chimiques de l’inflammation. Ce sont des molécules permettant de communiquer entre cellules de l’organisme. Certaines sont responsables des symptômes stéréotypés de la réaction inflammatoire aiguë, en induisant :- Une stimulation des fibres nerveuses sensitives, à l’origine de la douleur ;- Une dilatation locale des vaisseaux sanguins, ce qui conduit à une augmentation du flux sanguin à l’origine de la rougeur et de la douleur ;- Une perméabilisation des vaisseaux sanguines, ce qui conduit à une sortie de plasma (fraction liquide du sang) dans les tissus infectés à l’origine d’un gonflement.D’autre part, les interleukines, médiateurs chimiques de l’inflammation sécrétés par les macrophages, stimulent la mise en place de molécules d’adhérence cellulaire à la surface de la paroi interne des vaisseaux sanguins. Ces molécules facilitent ainsi la migration d’autres cellules de l’immunité circulant dans le sang vers les tissus inflammés. Cela explique l’accumulation de cellules immunitaires au niveau de la zone de l’inflammation. DES MÉDICAMENTS ANTI-INFLAMMATOIRES Parfois, la réaction inflammatoire est trop importante ou devient chronique. Les médicaments anti-inflammatoires agissent en empêchant la synthèse de certains médiateurs chimiques de l’inflammation, réduisant ainsi l’inflammation (anti-inflammatoire) et/ou la douleur (antalgique). L'ibuprofène bloque la synthèse d’un médiateur chimique de l’inflammation responsable de la douleur (la prostaglandine). Une fois à l’intérieur des cellules, il agit en occupant le site actif de la cyclo-oxygénase, une enzyme impliquée dans la voie métabolique de synthèse de la prostaglandine à partir de son substrat (l’acide arachidonique). B Éliminer les éventuelles menaces par phagocytose Certaines cellules de l’immunité innée comme les macrophages sont capables d’éliminer les intrus (agents infectieux, cellules cancéreuses ou débris cellulaires) par phagocytose. LE DÉROULEMENT DE LA PHAGOCYTOSE Après reconnaissance d’un motif moléculaire, les particules sont ingérées par la cellule et piégées dans une vésicule au sein du cytoplasme. Elles sont ensuite digérées grâce à des enzymes produites par la cellule. Les débris sont ensuite libérés à l’extérieur de la cellule. Les granulocytes et les cellules dendritiques sont d’autres phagocytes (cellules capables de phagocytose). C Préparer le déclenchement de la réponse adaptative DES CELLULES PRÉSENTATRICES DE L'ANTIGÈNE... Certaines cellules de l’immunité innée comme les macrophages sont capables de présenter à leur surface des fragments issus de la digestion des protéines de l’intrus, les antigènes. Au niveau de la membrane plasmique, les antigènes sont associés à des protéines, les CMH (complexes majeurs d’histocompatibilité). Ces cellules sont qualifiées de cellules présentatrices de l’antigène (CPA). Les cellules dendritiques sont aussi des cellules présentatrices de l’antigène. ...QUI DÉCLENCHENT L'IMMUNITÉ ADAPTATIVE Les CPA migrent ensuite vers les organes lymphoïdes les plus proches (comme les ganglions lymphatiques). Elles présentent leurs complexes CMH/antigène aux lymphocytes (cellules de l’immunité adaptative) ce qui permet de les activer. Les mécanismes de l’immunité innée sont ainsi indispensables à l’activation des cellules de l’immunité adaptative, qui viennent compléter l’action des cellules de l’immunité innée. III L'immunité innée, un mécanisme commun à tous les animaux ? L’immunité innée existe chez tous les animaux, elle serait apparue vers - 800 Ma. Elle repose sur des mécanismes de reconnaissance et d’action très conservés au cours de l’évolution. Ainsi : Chez tous les animaux, les motifs moléculaires des agents infectieux sont reconnus par des récepteurs présents à la surface des cellules, les TLR. Ces protéines ont des séquences d’acides aminés très proches chez tous les animaux. Chez tous les animaux, les cellules de l’immunité libèrent des molécules circulantes comme les interleukines. Ces protéines ont des séquences d’acides aminés très proches chez tous les animaux. Certaines cellules de l’immunité innée comme les cellules dendritiques (reconnaissables avec leurs longs prolongements cytoplasmiques) éliminent les agents infectieux par phagocytose. L'immunité adaptative <div style="width: 100%;"><div style="position: relative; padding-bottom: 56.25%; padding-top: 0; height: 0;"><iframe frameborder="0" width="1200" height="675" style="position: absolute; top: 0; left: 0; width: 100%; height: 100%;" src="https://view.genial.ly/5ea84103637c610dbf867e63" type="text/html" allowscriptaccess="always" allowfullscreen="true" scrolling="yes" allownetworking="all"></iframe> </div> </div> Lexique

Travaux pratiques

Travaux dirigés

5La mémoire immunitaire Document d'appel : Une observation chez des patients de la grippe espagnole. En 1918-1919, un virus de la grippe particulièrement virulent possédant de nouveaux antigènes se propagea rapidement à la surface de la planète. Près de 50% de la population mondiale a été infectée et 30 à 50 millions de personnes en sont mortes. Une telle épidémie d'ordre mondial est qualifiée de pandémie. On parle de "grippe espagnole" parce qu'elle fut mentionnée publiquement pour la première fois en Espagne. En 2008, des études ont montré que le sang de certains survivants contenait encore des anticorps spécifiques de ce virus malgré l'absence de ce dernier depuis 1919. L'objectif On cherche à déterminer si, 6 mois après une vaccination, un patient est toujours immunisé contre le tétanos. Vous devrez insérer la présentation : - des résultats obtenus à votre test ELISA sous la forme de votre choix ; - d'un schéma expliquant ces résultats à l'échelle moléculaire en utilisant les figurés suivant : Les ressources à exploiter • Matériel et fiche technique pour mettre en évidence une mémoire immunitaire grâce au test ELISA. Le test ELISA (Enzym Linked ImmunoSorbent Assay) est un test utilisé pour détecter et doser spécifiquement une protéine. Par exemple, pour mesurer la concentration en anticorps du sérum d'un patient : - On introduit dans des puits la solution dont on souhaite connaître la concentration d'anticorps. Les puits sont tapissés d'antigènes reconnus spécifiquement par les anticorps à doser. La présence d'anticorps dans la solution se traduit par la formation d'un complexe antigène-anticorps. - Après un premier lavage, on introduit un deuxième type d'anticorps dirigé spécifiquement contre la région constante des anticorps (anticorps anti-Ac). Ces anticorps anti-Ac sont couplés à une enzyme, la peroxydase. - Après un second lavage, on introduit le substrat de l'enzyme (TMB). En présence de l'enzyme, ce substrat est transformé en un produit coloré en bleu. L'intensité de la coloration est directement proportionnelle à la quantité d'enzyme présente dans le puits, donc indirectement proportionnelle à la concentration d'anticorps à doser : plus la concentration est élevée, plus la coloration est visible. Matériel disponible sur votre paillasse : - Une barrette de 4 puits au fond desquels sont fixés des antigènes (Ag) (permettant de "capturer" les anticorps que l'on souhaite doser) ; - Le sérum (Sér) d'un patient contaminé par la grippe du Michigan en 2015 ; - 3 solutions d'anticorps Ac1 de concentrations différentes appelées C1, C2, C3 ou C4, C5, C6 ; - Solution d'un deuxième anticorps Ac2 "anti-Ac1" associé à l'enzyme (permettant de "détecter" la présence d'anticorps Ac1 fixés). - Solution de substrat (Sub) de l'enzyme peroxydase (permettant de "détecter" la présence de l'enzyme par l'apparition d'une coloration bleu). - Solution de lavage, pipette de prélèvement. Nom de la solutionC1C2C3C4C5C6Concentration en Ac1(en microgrammes/mL)8,54,252,121,060,530,26 Le seuil en-dessous duquel l'individu est considéré comme non immunisé est ici une concentration de 1,06 microgrammes d'Ac par mL. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et exploiter des informations utiles pour mettre en évidence et expliquer la mémoire immunitaire. - Concevoir et réaliser une expérience permettant de caractériser la spécificité des molécules intervenant dans l'immunité adaptative. - Raisonner, argumenter, conclure en exerçant des démarches scientifiques et un sens critique.

4La mise en place d'une réponse adaptative spécifique L'organisme produit une diversité quasi-infinie d'anticorps. Parmi eux, certains fabriquent un anticorps qui reconnaît les antigènes du virus de la grippe : ces sont les lymphocytes spécifiques du virus grippal. L'objectif On cherche à expliquer les étapes conduisant à la production d'anticorps spécifiques d'un antigène grippal. Vous présenterez votre réponse sous la forme d'un texte argumenté par les informations issues de vos connaissances et des ressources à exploiter. Les ressources à exploiter • Document 1 - Mise en évidence du rôle des lymphocytes B. Pour découvrir la première étape du déclenchement d'une réaction immunitaire à médiation humorale (c'est-à-dire faisant intervenir des anticorps circulants dans le plasma), on réalise un expérience dont le protocole est résumé par le schéma ci-dessous. Remarques : - Les souris B et C sont préalablement irradiées, de façon à détruire les lymphocytes qui étaient présents dans l'organisme de ces animaux. - L'injection, à ces deux souris, des lymphocytes cultivés a pour but de reconstituer chez elles un système immunitaire adaptatif. - Les lymphocytes peuvent se fixer à des antigènes grâce à des anticorps membranaires spécifiques, jouant le rôle de récepteurs. • Document 2 - Dosage des plasmocytes et des anticorps. Plusieurs études ont montré qu'après leur rencontre avec l'antigène, les lymphocytes B peuvent se différencier en cellules présentant des caractéristiques très différentes : les plasmocytes (voir ci-dessous). Afin de comprendre la fonction biologique de ses cellules, un antigène a été injecté à des souris puis on a comparé, durant les 3 semaines qui suivent l'injection, la concentration en anticorps et le nombre de plasmocytes. • Document 3 - L'expérience de Marbrook de 1970. On injecte à une souris des globules rouges de mouton (GRM). Trois jours plus tard, on prélève des lymphocytes T CD4 (LT4) et des lymphocytes B (LB) dans sa rate. Les lymphocytes sont mis en culture dans une chambre de Marbrook selon les modalités décrites dans le tableau. Quelques jours plus tard, on détermine le nombre de plasmocytes. • Document 4 - Des observations au microscope du comportement d'un lymphocytes T CD4 et d'une cellule dendritique dans un ganglion lymphatique après une infection virale. Les lymphocytes T CD4 sont des cellules du système immunitaire dont la prolifération permet d'activer d'autres cellules de l'immunité. Les cellules dendritiques proviennent du lieu de l'infection. Dans le cas d'une infection par le virus de la grippe, elles présentent, sur leur membrane plasmique, l'association entre des antigènes du virus grippal et des molécules du CMH. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et exploiter des informations utiles pour expliquer la mise en place de l'immunité adaptative. - Raisonner, argumenter, conclure en exerçant des démarches scientifiques et un sens critique.

3Les mécanismes à l'origine de la diversité des anticorps Document d'appel : La variabilité des agents infectieux. On connaît plus de de 120 virus pathogènes pour l'humain. Parmi eux, le virus de la grippe est caractérisé par une très grande variabilité. Chaque souche est caractérisée par ses antigènes : H (hémagglutinine) et N (neuraminidase). Il existe 15 types d'hémagglutinines et 9 types de neuraminidases. De plus, le génome du virus mute fortement, et donc pour chacun de ces antigènes, il existe un nombre incalculable de variants. Chaque année, le virus de la grippe qui circule est ainsi différent de celui des années précédentes. L'objectif On cherche à déterminer les mécanismes qui permettent de générer une grande diversité d'anticorps. Vous présenterez votre réponse sous la forme d'un texte argumenté par les informations issues de vos connaissances et des ressources à exploiter. Vous calculerez le nombre de combinaisons possibles pour former un anticorps en prenant uniquement en compte les réarrangements géniques. Les ressources à exploiter • Document 1 - Structure des gènes codant les anticorps. Les chaînes lourdes des anticorps sont constituées de quatre régions différentes : la région constante C, la région de diversité D, la région jonction J et la région variable V. Chacune de ces régions est codée par un gène différent sur le chromosome 14. De la même manière, les chaînes légères sont faites de trois régions différentes (C, J et V) codées par des gènes différents. Il existe plusieurs segments des gènes codant pour les parties V, D et J, localisés sur les chromosomes 2 et 22. Ces segments diffèrent légèrement entre eux par leur séquence nucléotidique. Initialement, les gènes codant les anticorps sont des segments d'ADN non contigus (séparés) : segments V, D, J et C pour le gène codant les chaînes lourdes ; segments V, D et J pour le gène codant les chaînes légères. • Document 2 - Un réarrangement des gènes codant les anticorps. Dans les années 1980, le chimiste et immunologiste japonais Susumu Tonegawa (né en 1939) démontre que la grande diversité des anticorps résulte pour l'essentiel de réarrangements géniques. [...] Tonegawa sera récompensé par le prix Nobel de médecine et de physiologie en 1987 pour ses travaux. Dans la moelle osseuse, les lymphocytes B, cellules immunitaires à l'origine des anticorps, se différencient à partir de cellules précurseurs. Au cours de cette différenciation, les segments de gène V, D et J se recombinent de façon aléatoire. Parmi les différents segments codés par l'ADN, un seul segment de chaque gène est finalement conservé. Lors de la jonction des segments, quelques nucléotides peuvent être supprimés ou ajoutés de manière aléatoire ce qui augmente la diversité de l'ADN réarrangé. La diversité des anticorps est ainsi quasi infinie. Parmi eux, se trouvent des anticorps qui reconnaissent des antigènes du soi. Ils sont éliminés par des mécanismes variés et complexes. La combinatoire de ces recombinaisons produit ainsi des lymphocytes B présentant une énorme diversité : chacun possède des gènes codant un anticorps différent ! D'après R. Cadet, L'invention de la physiologie, Belin (2009). • Document 3 - Comparaison des séquences protéiques des chaînes lourdes de quatre anticorps dirigés contre différentes souches grippales et produits par un même individu. Un Les tirets désignent des acides aminés identiques d'une séquence à l'autre. Les zones encadrées en rouge indiquent les régions variables d'un anticorps à l'autre. Les acides aminés grisés correspondent à ceux numérotés sur l'anticorps du doc. 6. • Document 4 - Modèle d'un fragment d'anticorps anti-hémagglutinine du virus de la grippe lié à son antigène, l'hémagglutinine. L'anticorps présenté correspond à l'anticorps 1 du doc. 3. Les acides aminés sous forme de sphère sont ceux qui interagissent directement avec l'hémagglutinine. Les lettres et les numéros correspondent aux acides aminés et à leur position. Quelques compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Recenser, extraire et exploiter des informations utiles pour expliquer la grande diversité des anticorps. - Estimer le nombre et la diversité des cellules et des molécules de l'immunité adaptative. - Raisonner, argumenter, conclure en exerçant des démarches scientifiques et un sens critique. - Traiter des modèles moléculaires avec le logiciel Libmol

II – La longue mise en place de l'immunité adaptative : cas des anticorps Les anticorps sont libérés par des cellules spécialisées dans leur production, les plasmocytes (5000 anticorps produits/seconde). Ces cellules effectrices de l’immunité adaptative ne préexistent pas à l’infection, elles proviennent de la différenciation de cellules précurseurs appelées lymphocytes B (LB). La production et la maturation des lymphocytes B naïfs se déroule dans la moelle osseuse (en anglais : Bone marrow, d’où leur nom). 1) Mise en place d'un répertoire immunitaire diversifié a) Diversification du répertoire par des mécanismes combinatoires L’immunité adaptative doit prendre en compte une très grande diversité d’agents infectieux, qui présentent une variabilité (mutations) et une évolution (sélection naturelle, …). Cela soulève un paradoxe : pour lutter contre cette immense diversité d’agents infectieux (donc d’antigènes), les lymphocytes B devraient mettre en jeu beaucoup plus de gènes que n’en porte le génome humain (environ 20 000). Des mécanismes particuliers permettent d’engendrer un nombre immense de combinaisons de gènes d’immunoglobulines et par conséquent d’immunoglobulines (anticorps) :

Au niveau des gènes, la recombinaison de segments de gènes exprimant les parties constantes et variables des chaînes lourdes et légères des immunoglobulines. Dans chaque lymphocyte B, des segments de gènes d’immunoglobulines sont éliminés et les segments restants sont raccordés les uns aux autres, aboutissant à un grand nombre de combinaisons possibles ;

Au niveau des protéines, l’assemblage d’un type donné de chaînes lourdes avec un type donné de chaînes légères multiplie le nombre de combinaisons possibles.

Ces mécanismes aléatoires engendrent une diversité telle que tous les antigènes possibles sont en principe reconnaissable. b) Un premier tri qui élimine les combinaisons incompatibles avec le soi Dans la diversité produite, une première sélection permet d’éliminer toutes les cellules reconnaissant et réagissant contre les cellules de l’organisme. Ces cellules sont incompatibles avec le soi, évitant des réactions immunitaires qui se déclencheraient contre des parties saines de l’organisme (maladies auto-immunes). SCHEMA-BILAN EN ROUTE VERS LE BAC > Des mots-clés à savoir définir : Lymphocytes B, plasmocytes, immunoglobulines (anticorps). > Je dois être capable de : - Expliquer comment l'organisme parvient à produire une diversité d'anticorps permettant de reconnaître tous les antigènes possibles. ~~~ Télécharger cette fiche au format .pdf ~~~

II – La longue mise en place de l'immunité adaptative (suite) 2) Un second tri lors d'une première rencontre avec un antigène particulier Les lymphocytes B matures restant circulent dans un état dormant dans le sang et dans la lymphe. Lors d’une infection, une succession de 3 phénomènes doit intervenir avant la production de plasmocytes fonctionnels. Ils expliquent le délai d’intervention de la réaction adaptative (plusieurs jours chez l’être humain). a) La sélection clonale La reconnaissance de l'antigène est effectuée par un récepteur B, anticorps membranaire spécifique porté à la surface d’un LB naïf. Chaque type de lymphocyte B est caractérisé par un type de récepteur B. Parmi la multitude de lymphocytes préexistant à toute infection (lymphocytes dits naïfs), seuls les lymphocytes pouvant reconnaître spécifiquement un antigène du microorganisme qui a infecté l’organisme sont activés. Cette reconnaissance à elle-seule ne suffit pas : le lymphocyte B doit aussi être stimulé par des molécules (interleukines) sécrétées par d’autres lymphocytes, les lymphocytes T auxiliaires (LTa). Cette stimulation est indispensable : chez les patients atteints du SIDA, la destruction des LTa, cellules cibles du VIH, entraine un effondrement des défenses immunitaires et l’apparition de maladies opportunistes. Les LTa jouent donc un rôle central (ou pivot) dans l’ensemble des mécanismes immunitaires adaptatifs. b) L'amplification (ou expansion) clonale Les lymphocytes B sélectionnés prolifèrent par mitoses successives. Un LB sélectionné est ainsi à l’origine de multiples clones possédant des récepteurs B identiques. c) La différenciation clonale Les LB se différencient ensuite en plasmocytes, cellules spécialisées dans la sécrétion d’anticorps. Les anticorps libérés circulent dans le sérum et sont spécifiques de l’antigène de l’agent infectieux qui a déclenché la réaction immunitaire. L'ensemble des LB circulant dans le sang et la lymphe ou stockés dans les organes lymphoïdes (rate, ganglions) assure une surveillance permanente des liquides extracellulaires. On estime qu'il existe dans l'organisme 10^12 LB qui se répartissent en 10^7 clones différents les uns des autres par leurs récepteurs membranaires (10^5 cellules pour chaque clone). 3) Mise en place des lymphocytes T Les LT naïfs sont produits dans la moelle osseuse, mais subissent leur maturation dans le thymus, d’où leur nom. Les LT matures migrent ensuite vers les ganglions lymphatiques. On distingue deux types de LT naïfs, selon les marqueurs membranaires qu’ils portent (CD4 ou CD8). Ces marqueurs sont associés au devenir des LT. a) La sélection clonale Elle est déclenchée par la reconnaissance d’un antigène associé à un CMH porté par des cellules présentatrices de l’antigène de l’immunité innée (comme les macrophages ou les cellules dendritiques). Cette reconnaissance est effectuée par le récepteur membranaire spécifique porté par un LT naïf ; puis stimulée par des molécules sécrétées par un LTa. b) L'amplification (ou expansion) clonale Les lymphocytes T sélectionnés prolifèrent par mitoses successives. Un seul LT sélectionné est à l’origine de multiples clones possédant des caractéristiques identiques. c) La différenciation clonale Les lymphocytes T CD8 se différencient en LT cytotoxiques (LTc), capables de reconnaître et de détruire les cellules infectées par les virus. Ces cellules ont une courte durée de vie. Les lymphocytes T CD4 se différencient en LT auxiliaires (LTa), responsables de la sécrétion d’interleukines stimulant la sélection, l’amplification et la différenciation clonale des lymphocytes. SCHEMA-BILAN EN ROUTE VERS LE BAC > Des mots-clés à savoir définir : - Antigène, lymphocytes B, plasmocytes, immunoglobulines (anticorps). - Cellule présentatrice de l'antigène, CMH, lymphocytes T CD4, lymphocytes T auxiliaires, interleukines, lymphocytes T CD8, lymphocytes T cytotoxiques. - Sélection, amplification (ou expansion), différenciation clonale. > Je dois être capable de : - Expliquer comment l'organisme met en place les effecteurs de l'immunité adaptative lors d'une première rencontre avec un antigène. ~~~ Télécharger cette fiche au format .pdf ~~~

III - La mémoire immunitaire : mise en place de cellules mémoires à longue durée de vie Au cours d’une infection, certains lymphocytes naïfs (B, CD4 et CD8) se différencient en lymphocytes mémoire, qui n’interviennent pas mais ont une longue durée de vie. Certains plasmocytes à longue durée de vie restent dans les ganglions lymphatiques depuis lesquels ils secrètent des anticorps en continu. En cas de second contact avec l’antigène, ces cellules permettent une réponse secondaire à l’antigène plus rapide et quantitativement plus importante, qui assure une protection de l’organisme vis-à-vis de cet antigène. C’est le fondement de la vaccination. Les capacités immunitaires de l’organisme varient tout au long de la vie en fonction des antigènes rencontrés naturellement ou par vaccination. Elles faiblissent chez les personnes âgées. SCHEMA-BILAN EN ROUTE VERS LE BAC > Des mots-clés à savoir définir : - Cellules mémoires, réponse secondaire. > Je dois être capable de : - Expliquer pourquoi l'organisme réagit plus efficacement lors d'une seconde rencontre avec un antigène donné. ~~~ Télécharger cette fiche au format .pdf ~~~

1Mettre en évidence et expliquer la spécificité des anticorps L’immunité adaptative se met en place au bout de quelques jours après une infection virale ou bactérienne, elle complète l’action de l’immunité innée. Elle est propre au groupe des Vertébrés : son apparition remonte à environ 450 millions d’années. Elle s’ajoute et coopère avec l’immunité innée, ce qui permet le plus souvent d’éliminer la cause du déclenchement de la réaction immunitaire. Comme les acteurs de l’immunité innée, les acteurs de l’immunité adaptative doivent d’abord reconnaître avant de pouvoir réagir. Les mécanismes de l’immunité adaptative sont plus ciblés que l’immunité innée, car ils sont déclenchés par la reconnaissance spécifique de motifs moléculaires portés par des agents infectieux ou des cellules infectées, les antigènes (ex. protéines d’enveloppe des virus). Les mécanismes de l’immunité adaptative reposent sur une multitude d’effecteurs : des molécules circulantes (réponse adaptative humorale) et des cellules (réponse adaptative cellulaire). > PROBLEMATIQUE : Comment l’immunité adaptative contribue-t-elle à la protection de l’organisme vis-à-vis des agents infectieux, notamment dans le cas d'une infection virale ? I – Les effecteurs de l'immunité adaptative : des molécules et des cellules à haute spécificité 1) Les immunoglobulines (ou anticorps), des molécules circulantes Plusieurs jours après l’entrée d’un agent infectieux porteur d’antigènes dans l’organisme, une électrophorèse des protéines contenue dans le sérum (fraction liquide du sang) révèle l’apparition de protéines de la classe des immunoglobulines, aussi appelées anticorps. L'individu est alors qualifié de séropositif vis-à-vis de ces antigènes. a) Reconnaissance d'un seul type d'antigène Le test d’Ouchterlony montre que chaque anticorps ne reconnaît et ne se lie qu’à un antigène donné. On dit qu’un anticorps est spécifique d’un antigène. Cette spécificité s’explique par la structure des anticorps. Chaque anticorps est constitué de 2 chaînes lourdes (H) et 2 chaînes légères (L), identiques 2 à 2. Chaque chaîne possède une région constante, commune à tous les anticorps de l’organisme, et une région variable, dont la séquence d’acides aminés diffère d’un anticorps à l’autre. Au niveau des régions variables, chaque anticorps possède 2 sites de fixation à l’antigène. La structure tridimensionnelle de chaque site de fixation d’un anticorps est complémentaire de la forme de l’antigène reconnu. Cela explique la spécifique d’un anticorps pour un antigène donné. 2) Mode d'action contre les agents infectieux Les liaisons anticorps-antigène entraînent l’agglutination des antigènes et la formation d’un complexe immun, ce qui neutralise les agents pathogènes. Par exemple, lors d’une infection virale, les anticorps recouvrent les protéines indispensables à la pénétration du virus dans les cellules hôtes. De plus, les macrophages (cellules de l’immunité innée capables de phagocytose) possèdent des récepteurs capables de fixer la partie constante des anticorps. Les anticorps favorisent donc la phagocytose des agents infectieux sur lesquels se sont fixés des anticorps spécifiques. Les anticorps agissent ainsi en coopération avec les cellules de l’immunité innée. EN ROUTE VERS LE BAC > Des mots-clés à savoir définir : Antigènes, immunoglobulines (anticorps), séropositivité. > Je dois être capable de : - Montrer qu'un anticorps donné est spécifique d'un antigène avec des expériences, et expliquer cette spécificité avec la structure des anticorps. - Expliquer comment les anticorps contribuent à lutter contre la propagation d'un virus dans l'organisme. ~~~ Télécharger cette fiche au format .pdf ~~~

CONNAISSANCES

EXERCICES

PLAN DE TRAVAIL

Le fonctionnement du système immunitaire humain

Utilisation de l'immunité adaptative en santé humaine

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

ACTIVITÉS

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

> LE CONTEXTE : En juin 2017, Agnès Buzyn, alors ministre des Solidarités et de la Santé, s’inquiétait de la recrudescence de certaines maladies infantiles et proposait de rendre obligatoire 11 vaccins infantiles contre seulement 3 à l'époque. La ministre s’appuyait sur des données concernant la rougeole : « Aujourd’hui, en France, la rougeole réapparait. Dix enfants sont décédés de la rougeole depuis 2008. Comme ce vaccin est seulement recommandé et non obligatoire, le taux de couverture est de 75% alors qu’il devrait être de 95% pour prévenir cette épidémie ». > L'OBJECTIF :On cherche à montrer qu’un taux de couverture vaccinale de 95% est indispensable pour prévenir l’épidémie de rougeole, en utilisant un modèle numérique. > LE MATÉRIEL DISPONIBLE : Document 1 - Couverture vaccinale et épidémie. La contagion est la propagation de maladies infectieuses au sein d’une population et implique la transmission d’agents infectieux d’individus infectés, malades ou non (= porteurs sains), à des individus sains. Un seul individu infecté peut contaminer un nombre variable d’individu sain selon l’agent pathogène en cause (grippe = 1 à 3 ; rougeole = 15 à 20, …). L’immunité de groupe est la résistance d’une population à l’infection et à la propagation d’un agent infectieux suite à l’immunisation d’une part importante de la population. La couverture vaccinale représente la proportion de personnes vaccinées contre une maladie. Une épidémie est évitable si la couverture vaccinale empêche efficacement la circulation de l’agent infectieux. Document 2 - Des modélisations numériques de la propagation d'une épidémie. Forts de leurs connaissances sur le comportement d’un pathogène une fois qu’il s’est introduit dans l’organisme, les scientifiques mettent au point des modèles numériques de propagation d’épidémies. Il s’agit de modèles prédictifs qui permettent de calculer, dans des populations contenant un nombre variable d’individus vaccinés, le nombre d’individus qui vont être infectés par le pathogène et qui seront donc touchés par la maladie. Ils permettent aussi de calculer la couverture vaccinale optimale dans le cas de chaque maladie (en fonction de la contagion de l’agent pathogène notamment). Lien vers le modèle numérique : https://www.pedagogie.ac-nice.fr//svt/productions/flash/couvac/ > LES ÉTAPES DE RESOLUTION : 1) Avec le modèle numérique proposé, réaliser différentes simulations avec un nombre total de 100 individus, en faisant varier le nombre d’individus vaccinés : 0, 1, 10, 50, 90, 95. Pour chaque simulation, relever le nombre total d’individus infectés. 2) Avec un tableur-grapheur, traiter les résultats obtenus et calculer le taux de vaccination qui permettrait d’assurer la protection de toute la population. > AIDE METHODOLOGIQUE : Lors de l’établissement d’une équation de régression, le coefficient de détermination (R²) détermine à quel point l’équation y=ax+b est adaptée pour décrire la distribution des points.Plus le R² se rapproche de 1, plus le nuage de points se rapproche de la droite de régression.On admet que si le coefficient de détermination dépasse 0,87, la figure la plus pertinente pour relier le nuage de points est la dite droite de régression. > LES COMPETENCES TRAVAILLEES : - Modéliser et calculer le taux de couverture vaccinale efficace pour un vaccin (par exemple : rougeole). - Prendre conscience que la vaccination est une démarche dans laquelle le bénéfice collectif est très largement supérieur au risque vaccinal individuel. Source : Anne Florimond, https://svt.ac-versailles.fr/spip.php?article969

> LE CONTEXTE : La réponse immunitaire contre un agent infectieux est plus rapide et plus intense, donc plus efficace, lorsque l’organisme l’a déjà rencontré. La vaccination préventive met à profit cette mémoire immunitaire pour protéger les individus et les populations. > L'OBJECTIF : On cherche à expliquer comment les techniques de vaccination préventive permettent de protéger les individus contre certaines maladies infectieuses. > LES RESSOURCES DISPONIBLES : Télécharger l'activité (au format .pdf) > LES COMPETENCES TRAVAILLEES : - Recenser, extraire et exploiter des informations historiques sur le principe de la vaccination et ses succès contre de grandes pandémies (variole, poliomyélite, ...). - Recenser, extraire et exploiter des informations sur la composition d'un vaccin et sur son mode d'emploi (rappel de vaccination).

I – Une technique pour prévenir des maladies infectieuses : la vaccination préventive (suite) b) Bénéfices pour les populations humaines : … mais aussi pour les autres Selon l’OMS, les vaccinations sauvent la vie de 2 millions de personnes chaque année dans le monde. Des campagnes internationales ont permis l’éradication de la variole, une baisse de 99% des cas de poliomyélite entre 1988 et 2003, une baisse de 40% des cas de rougeole entre 1999 et 2003. Pourtant, des maladies continuent de sévir à travers le monde alors que des vaccins existent. La coqueluche a resurgi aux États-Unis, en particulier en Californie, depuis 2011. La rubéole sévit en Europe de l’Est, notamment en Pologne et en Roumanie, depuis 2012. Entre 2008 et 2013, la rougeole est réapparue en force en Europe de l’Ouest, notamment en Allemagne et à l’Est de la France. Seul le maintien d’un taux de couverture vaccinale au-delà d’un seuil, c’est-à-dire d’une proportion suffisant de personnes vaccinées au sein de la population, permet de bloquer la circulation de l’agent infectieux au sein de cette population et de la protéger. Tableau de couverture vaccinale chez les enfants de 2 ans et objectifs de santé publique en France. Vaccins Couverture vaccinale en 2016 Objectifs de santé publique ROR (Rougeole, Rubéole, Oreillons) 80,1 % 95 % DTP (Diphtérie, Tétanos, Poliomyélite) 96,1 % 95 % HPV 26,2 % 70 % Grippe saisonnière 48,3 % 75 % Hépatite B 90 % 80 % Carte de la couverture vaccinale pour 2 doses de vaccin contre la rougeole en 2015 en France Entre novembre 2017 et juillet 2018, 89 % des cas de rougeole sont survenus chez des individus non ou mal vaccinés (2 doses du vaccin ROR sont nécessaires pour bénéficier d’une protection suffisante). Rappelez-vous que tous les individus ne sont pas égaux face aux maladies infectieuses : - Certains peuvent porter et transmettre un agent infectieux sans être eux-mêmes malades (porteurs sains). - D’autres personnes présentant une immunodéficience (patients atteints du SIDA, de leucémie, personnes âgés, femmes enceintes, …) ne réagissent pas aux vaccins. La vaccination est bénéfique sur le plan individuel (en protégeant chaque personne vaccinée) et sur le plan collectif (en réduisant le nombre de personnes susceptibles de contribuer à la dissémination d’une maladie). Elle présente un intérêt pour la santé publique (en évitant des complications liées aux maladies concernées), mais aussi économique (en diminuant le recours aux soins, les hospitalisations, les handicaps ou encore les absences de travail...). Ainsi, la vaccination est une démarche citoyenne dans laquelle le bénéfice collectif est très largement supérieur au risque individuel. SCHEMA-BILAN Source : Santé Publique France. EN ROUTE VERS LE BAC > Des mots-clés à savoir définir : Santé publique, couverture vaccinale, porteur sain. > Je dois être capable de : - Expliquer comment la vaccination préventive offre une protection collective face aux maladies infectieuses. ~~~ Télécharger le cours du chapitre 3 au format .pdf ~~~

La vaccination consiste à protéger un individu contre une maladie en stimulant son système immunitaire. La vaccination préventive permet de prévenir l’apparition d’une maladie d’origine infectieuse. L’immunothérapie (vaccins thérapeutiques par exemple) permet quant à elle d’aider le patient à lutter contre une maladie en cours, par exemple un cancer. La recherche vaccinale vise non seulement à développer de nouveaux vaccins, mais aussi à améliorer le confort, la tolérance et l’efficacité des vaccins déjà existant. Elle s’appuie sur les connaissances acquises sur le fonctionnement du système immunitaire. > PROBLEMATIQUE : Comment l'humanité utilise-t-elle ses connaissances de l'immunité dans le domaine de la santé ? I – Une technique pour prévenir des maladies infectieuses : la vaccination préventive a) Principe et bénéfices pour les individus : on se vaccine pour soi... Une vaccination préventive consiste à administrer à un individu en bonne santé une forme atténuée ou inactivée d’un agent infectieux (ou certains de ses composants). L’objectif est de déclencher une réaction immunitaire contre un ou plusieurs agents infectieux, permettant d’éviter une contamination ultérieure. Le principe actif est donc immunogène mais non pathogène. La vaccination permet en effet de développer un réservoir de cellules immunitaires "mémoires", capables de reconnaître spécifiquement cet agent infectieux s’il venait à infecter l’individu par la suite. La réponse secondaire sera ainsi plus rapide et quantitativement plus rapide, donc plus efficace. L’adjuvant du vaccin aide à déclencher la réaction innée indispensable à l’installation de la réaction adaptative (un peu comme la réaction inflammatoire prépare la réaction adaptative naturelle). En favorisant l’immunité innée, il favorise la mise en place de cellules présentatrices de l’antigène (macrophages, cellules dendritiques) indispensables à l’activation des lymphocytes dans les ganglions lymphatiques. La vaccination préventive améliore les capacités de défense d’un individu dont le phénotype immunitaire est modelé au gré des expositions aux antigènes. Elle peut être appliquée à tout âge. Remarque : Certaines maladies infectieuses (hépatite B, infection au papillomavirus) peuvent augmenter le risque de développer des cancers (cancer du foie, cancer du col de l’utérus). La vaccination contre ces maladies permet ainsi, indirectement, de lutter contre certains cancers. SCHEMA-BILAN A venir. EN ROUTE VERS LE BAC > Des mots-clés à savoir définir : Vaccination préventive, antigène, adjuvant, réponse secondaire, cellules mémoire. > Je dois être capable de : - Expliquer comment les lymphocytes T cytotoxiques contribuent à lutter contre la propagation d'un virus dans l'organisme. ~~~ Télécharger le cours du chapitre 3 au format .pdf ~~~

> LE CONTEXTE : Si certains vaccins ont une action préventive en stimulant la mémoire immunitaire avant une première contamination, d'autres peuvent servir de traitement après l'apparition d'une maladie comme les cancers. > L'OBJECTIF : On cherche à expliquer comment certaines techniques d'immunothérapie (vaccins thérapeutiques, anticorps monoclonaux) sont prometteuses pour lutter contre certains cancers, mais qu'il existe encore des obstacles à leur généralisation. Certains documents nécessitent des rappels sur l'apparition des cancers : certains sont donnés mais s’il vous en faut d’autres, vous devez les chercher dans votre cours. > LES RESSOURCES DISPONIBLES : Télécharger l'activité (au format .pdf) > LES COMPETENCES TRAVAILLEES : - Recenser, extraire et exploiter des informations sur la manière dont sont obtenus des anticorps monoclonaux. - Recenser, extraire et exploiter des informations sur l'utilisation d'anticorps monoclonaux dans le traitement des cancers (par exemple : sein et colon), y compris dans ses composantes économiques.

III – Une technique pour traiter les cancers : l'immunothérapie Des procédés d’immunothérapie (vaccins thérapeutiques et anticorps monoclonaux) ont été développés pour lutter contre certains types de cancer, et de nombreux sont en cours de développement. C’est un champ de recherche aux implications sociétales importantes. a) Les vaccins thérapeutiques A venir b) Les anticorps monoclonaux A venir SCHEMA-BILAN EN ROUTE VERS LE BAC > Des mots-clés à savoir définir : Immunothérapie, vaccination thérapeutique, anticorps monoclonaux. > Je dois être capable de : - Expliquer comment l'immunothérapie permet de lutter contre certains cancers. ~~~ Télécharger le cours du chapitre 3 au format .pdf ~~~

Travaux pratiques

Travaux dirigés

EXERCICESCHAPITRE 1L'immunité innée A venir

Les écosystèmes et leur dynamique

Ecosystèmes et services environnementaux

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

ACTIVITÉS

Répartition des êtres vivantsau sein de l'écosystème

Des interactions entre êtres vivants au sein de l'écosystème

Circulation et échanges de matière au sein de l'écosystème

Résilience des écosystèmesface aux perturbations

CONNAISSANCES

EXERCICES

PLAN DE TRAVAIL

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

PLAN DE TRAVAILCHAPITRE 1La transmission de l'information génétique INTRODUCTION Quelques chatons issus d’une même portée (même père, même mère). Au sein des populations, différents individus peuvent être classés au sein de la même espèce : ils partagent des caractères propres, peuvent se reproduire entre eux et obtenir une descendance viable et fertile. Pourtant, tous les individus d'une population appartiennent à des générations distinctes. Le maintien des caractères des individus et des cellules au fil des générations repose sur la conservation du caryotype (c'est-à-dire du nombre et de la forme des chromosomes). L'information génétique est en effet transmise entre générations d'individus, et entre générations de cellules au sein d'un individu. PROBLÉMATIQUE(S) Comment l'information génétique est-elle transmise au fil des générations ?Comment le caryotype est-il conservé au cours de la reproduction des cellules et des individus ? ACTIVITÉS1 - La stabilité du caryotype au fil des générations (caryotype, mitose, méiose/fécondation, diploïde/haploïde)2 - Mitose et conservation du caryotype (mitose, division cellulaire, chromosome, chromatide, fuseau mitotique)3 - Les modifications du caryotype au cours du cycle cellulaire (cycle cellulaire, interphase (G1, S, G2), chromosome condensé/décondensé, chromosome mono/bichromatidien)4 - Méiose et formation de cellules haploïdes (méiose, anaphase I, fuseau méiotique)5 - La réplication de l'ADN (réplication semi-conservative, ADN polymérase, clone) OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE / COMPÉTENCES TRAVAILLÉES Recenser, extraire et organiser des informations à partir d'un caryotype. Réaliser une observation microscopique. Présenter des observations microscopiques pour les communiquer. Réaliser des schémas, ou identifier sur des schémas les différentes phases des divisions cellulaires. Recenser, extraire et organiser des informations à partir d'un graphique. Sélectionner les connaissances utiles pour répondre à un problème scientifique.

CONNAISSANCESCHAPITRE 1Les écosystèmes et leur dynamique INTRODUCTION La forêt de Fontainebleau est un exemple d’écosystème, c’est-à-dire un ensemble formé par :• Un biotope, c’est-à-dire un milieu de vie caractérisé par des conditions physiques et chimiques (éclairement, température, humidité, précipitations…) relativement homogènes ;• Une biocénose, c’est-à-dire un ensemble de communautés d’êtres vivants qui peuplent ce milieu de vie, s’y nourrissent, s’y reproduisent et interagissent entre elles. La gestion et la préservation des écosystèmes nécessite une bonne connaissance scientifique de leur organisation, de leur fonctionnement et de leur dynamique. PROBLÉMATIQUE(S) Comment l'organisation et le fonctionnement d'un écosystème lui permettent-ils de faire face aux perturbations ? I L'organisation de l'écosystème forestier ACTIVITÉ 1 : Répartition des êtres vivants au sein d'un écosystème A Une structuration verticale... Les forêts se caractérisent par une forte structuration verticale. On peut facilement distinguer plusieurs niveaux (ou strates) au-dessus du sol en fonction de la végétation qui y domine :• Une strate muscinale, avec des mousses et des champignons (quelques cm de haut) ;• Une strate herbacée, composée d’herbes, de fougères, de jeunes pousses (jusqu’à 1 m) ;• Une strate arbustive, dominée par les arbustes (de 1 à 7 m) ;• Une strate arborée (au-dessus de 7 m) dominée par la cime des arbres formant la canopée. B Une mosaïque de paysages... Horizontalement, la forêt n’est pas homogène non plus. On distingue des zones où dominent les grands arbres, d’autres où dominent les buissons, des clairières, des arbres morts (qui favorisent le développement de certaines espèces) ou encore les lisières, qui délimitent les bordures extérieures de la forêt. C Le biotope conditionne la répartition des êtres vivants La particularité des forêts est qu’elles sont dominées par les arbres. Ils structurent l’écosystème forestier, conditionnent son fonctionnement, sa dynamique et son équilibre. Les arbres modifient les facteurs abiotiques (paramètres physiques et chimiques du biotope), et par conséquent ils influencent la répartition et la biodiversité de la biocénose. En effet, ils filtrent la lumière qui pénètre jusqu’au sol et régulent la température et l’humidité. De plus, dans une forêt tempérée caducifoliée (composée d’arbres perdant leurs feuilles en automne), les arbres participent au contraste des conditions saisonnières. Certaines espèces moins tolérantes à l’ombre pourront se développer en lisière de forêt ou au début du printemps avant la pousse des feuilles des arbres. En revanche, les espèces tolérantes à l’ombre pourront se développer sous un couvert végétal dense, en sous-bois. Les écosystèmes sont constitués par des communautés d’êtres vivants (biocénose) interagissant au sein de leur milieu de vie (biotope). La biocénose est en interaction avec le biotope : par exemples, les espèces sont réparties selon les conditions abiotiques du milieu. II Des interactions entre les êtres vivants de l'écosystème forestier ACTIVITÉ 2 : Des interactions entre êtres vivants au sein d'un écosystème Les êtres vivants d’un écosystème sont sans cesse en interaction. On peut distinguer ces interactions biotiques selon les effets qu’elles ont sur la capacité à survivre et à se reproduire des deux partenaires (la valeur sélective). A Des relations de compétition Les relations de compétition sont défavorables pour les deux partenaires. Elle peut se manifester entre des individus d’une même espèce ou d’espèces différentes, par exemple lorsque les individus exploitent la même ressource (la lumière, l’eau, …) ou le même territoire. Cette compétition a des effets sur la biodiversité de l’écosystème. Par exemple, la compétition pour la lumière peut provoquer une réduction du nombre de jeunes arbres ou une modification de la forme des arbres. Dans un écosystème forestier, cette compétition peut aboutir à un équilibre stable entre les espèces ou à l’élimination d’une espèce. B Des relations d'exploitation : prédation et parasitisme Les relations d’exploitation sont favorables pour l’un et défavorables pour l’autre. On distingue : - Le parasitisme : les êtres vivants parasites vivent aux dépens de leur hôte. Tout au long de leur développement, les parasites utilisent certaines ressources de leur hôte et les affaiblissent sans forcément provoquer leur mort. Dans le cas des galles, certains insectes parasites déposent leurs pontes sur une zone de l’arbre qui, en réaction, produit une structure protectrice. Les larves se nourriront ensuite de ce végétal. - La prédation : un prédateur est un organisme libre qui se nourrit en en tuant d’autres (ses proies). Cette définition inclut les animaux herbivores. Les effectifs des populations de prédateurs et de proies évoluent de manière dépendante, cyclique et décalée. C’est le cas par exemple entre les grands herbivores de la forêt (ex. cervidés) et les strates herbacée et arbustive, qui subissent une pression d’herbivorie. C Des relations de coopération : mutualisme, dont symbioses Les relations de coopération sont favorables pour les deux partenaires. Il arrive même que des individus d’espèces différentes s’apportent des bénéfices mutuels, on parle de mutualisme. Lorsqu’en plus, les deux partenaires sont associés de manière étroite et durable, on parle de symbiose. Par exemple, la majorité des plantes vivent en symbiose avec des champignons et/ou des bactéries. Les mycorhizes, qui sont des associations entre filaments de champignons et racines des végétaux, favorisent l’alimentation en eau et sels minéraux pour la plante qui, en échange, fournit de la matière organique aux champignons. La diversité des interactions biotiques s’étudie à la lueur de leur effet sur la valeur sélective des partenaires : compétition (pour la lumière, pour l’eau, les nutriments, etc.), exploitation (prédation, parasitisme) et coopération (mutualisme, dont symbiose). Toutes ces interactions structurent l’organisation (biodiversité de l’écosystème), l’évolution (dynamique des populations) et le fonctionnement de l’écosystème (production, flux de matière et réservoirs, recyclage de la matière organique, etc). III Circulation et échanges de matière au sein de l'écosystème forestier ACTIVITÉ 3 : Circulation et échanges de matière au sein d'un écosystème A Le réseau trophique d'une forêt Un réseau trophique regroupe l’ensemble des relations alimentaires entre les individus d’un écosystème. Il traduit donc les chaînes de circulation de matière et d’énergie au sein d’une biocénose. Au sein d’un réseau trophique, il est possible de définir différents niveaux :• Les producteurs primaires sont les végétaux chlorophylliens : autotrophes, ils utilisent l’énergie solaire pour transformer la matière minérale en matière organique grâce à la photosynthèse ;• Les consommateurs sont tous hétérotrophes : ils se nourrissent de matière organique pour produire la leur, et dépendent donc entièrement des producteurs ;• Les décomposeurs sont des consommateurs ayant un rôle particulier : hétérotrophes, ils transforment la matière organique morte en matière minérale et permettent son recyclage. Ils jouent un rôle fondamental dans le sol, participant activement à sa formation.L’étude des relations trophiques permet de caractériser le fonctionnement d’un écosystème : dans tout écosystème, la matière constituant les êtres vivants est constamment transférée et recyclée. B Réservoirs de matière, flux et cycles biogéochimiques On appelle biomasse la masse d’êtres vivants dans un écosystème : on peut quantifier la masse d’une espèce, d’un groupe plus vaste ou encore d’un niveau trophique. On peut également estimer la biomasse totale de la biocénose d’un écosystème. La biomasse est une description statique de la biocénose, elle définit des réservoirs de matière. Or, les différents compartiments d’un écosystème ne sont pas indépendants les uns des autres mais échangent de la matière et de l’énergie et sont donc liés par des flux de matière. L’étude des flux de matière entre les compartiments, comme par exemple le carbone, l’eau ou l’azote, permet d’établir des bilans d’entrée et de sortie de la matière au sein de l’écosystème.Ainsi, le cycle du carbone dans un écosystème comprend les flux de matières organiques circulant d’un niveau trophique à l’autre :• L’entrée du carbone dans l’écosystème est due à l’assimilation du CO2 et à la production de matière organique par les végétaux, grâce à la photosynthèse.• Le carbone ressort de l’écosystème sous forme de CO2, du fait de la respiration des êtres vivants et des processus de décomposition de la biomasse morte. Pour un élément donné, le bilan entre entrée et sortie de l’écosystème détermine si cet écosystème est un puits (bilan positif) ou une source (bilan négatif). Grâce à l’importance de l’activité photosynthétique, les forêts, mêmes âgées, sont des puits importants de CO2. Les écosystèmes forestiers participent aussi activement au cycle de l’eau, du fait notamment de l’importance de la transpiration des feuilles. Les êtres vivants génèrent ou facilitent des flux de matière (eau, carbone, azote, etc.) qui entrent (absorption racinaire, photosynthèse, respiration), circulent (réseau trophique) et sortent (évapotranspiration, érosion) de l’écosystème. Une partie de la matière est recyclée, notamment grâce au sol. L’effet des écosystèmes dans les cycles biogéochimiques ainsi constitués, se mesure par des bilans d’entrée/sortie de matière. IV Dynamique et résilience des écosystèmes ACTIVITÉ 4 : Résilience des écosystèmes face aux perturbations A Une dynamique marquée par des successions écologiques Les écosystèmes ne sont pas des systèmes stables et figés mais au contraire des ensembles dynamiques. La mise en place d’une forêt se fait à travers une succession de stades de végétation constituant une succession écologique. Chaque stade se différencie par des communautés d’espèces végétales différentes. Les êtres vivants d’un stade modifient les conditions de vie (sol, accès à la lumière, accès à l’eau, …) et facilitent l’installation de ceux du stade suivant. Le stade final, appelé climax, est supposé être un stade d’équilibre optimal. En réalité, le climax est plutôt un concept théorique permettant de comprendre l’évolution de l’écosystème. En effet, aucun stade n’est stable : à tout moment, les êtres vivants présents modifient les conditions de vie et donc les conditions d’installation et de développement d’autres êtres vivants. En forêt, les arbres jouent un rôle fondamental dans cette dynamique. B L'impact des perturbations Une perturbation est un évènement qui modifie brutalement la composition, la structure et le fonctionnement d’un écosystème. Les perturbations peuvent être d’origine naturelle (tempêtes, maladies, incendies, …) ou provoquées par les actions humaines (exploitation, pollution, incendies criminels, …). Elles peuvent modifier légèrement l’écosystème (chute d’un arbre) ou de manière beaucoup plus importante (disparition d’une partie de la forêt suite à une tempête ou à un incendie). C Des capacités de résilience importantes mais limitées Cependant, les écosystèmes sont le plus souvent capables de revenir naturellement à leur état d’équilibre après une perturbation. On parle de résilience écologique. Des études récentes montrent que la complexité du réseau d’interactions, la diversité génétique et la diversité fonctionnelle d’un écosystème favorisent sa résilience. Les forêts sont des écosystèmes particulièrement riches et complexes qui montrent donc des capacités de résilience importantes. Certaines perturbations sont cependant irréversibles : trop fortes ou répétées, elles provoquent des modifications trop importantes pour que l’écosystème puisse se régénérer. Un autre écosystème le remplace alors. C’est par exemple ce qu’il se passe lors du processus de désertification : une forêt est remplacée par un désert. Un écosystème se caractérise donc par un équilibre dynamique, sans cesse bousculé par des facteurs internes et externes, mais le plus souvent capable de résilience. Même sans l'action de l'Homme, les écosystèmes montrent une dynamique spatio-temporelle avec des perturbations (incendies, maladies) affectant les populations. La complexité du réseau d'interactions et la diversité fonctionnelle favorisent la résilience des écosystèmes, qui jusqu'à un certain seuil de perturbation, est la capacité à retrouver un état initial après perturbation. Un écosystème se caractérise donc par un équilibre dynamique susceptible d'être bousculté par des facteurs internes et externes. L'écosystème forestier et sa dynamique Lexique Biocénose : Ensemble des communautés d'êtres vivants peuplant un écosystème. Biotope : Milieu de vie, caractérisé par des conditions physiques et chimiques relativement homogènes (ensoleillement, humidité, ...). Biomasse : Masse de matière organique (glucides, lipides, protéines, acides nucléiques) d'un écosystème. Consommateur : Organisme devant se nourrir d'autres êtres vivant pour produire sa propre matière organique. Cycle biogéochimique : Décomposeur : Écosystème : Ensemble d'êtres vivants (biocénose) interagissant entre eux et avec leur milieu de vie (biotope). Flux de matière : Interaction biotique : Interaction entre des êtres vivants. > Compétition > Mutualisme > Parasitisme > Prédation Perturbation : Evènement brutal perturbant la dynamique d'un écosystème, naturel (incendie, maladie) ou anthropique. Producteur primaire : Production primaire : Réseau trophique : Ensemble des interactions trophiques (relations alimentaires) au sein d'un écosystème. Réservoir (ou stock) de matière : Résilience écologique : Capacité pour un écosystème à retrouver son état initial suite à une perturbation. Sol :

Travaux pratiques

Travaux dirigés

1RÉPARTITION DES ÊTRES VIVANTS AU SEIN DE L’ÉCOSYSTÈME Exemple d'un écosystème forestier : la forêt tempérée caducifoliée de Fontainebleau (77) La forêt de Fontainebleau, située en Île-de-France, est un exemple de forêt tempérée caducifoliée (dont les arbres perdent leurs feuilles en hiver). Son étude permet d’identifier des caractéristiques communes à toutes les forêts, mais également de souligner des particularités. Un site préservé (réserve intégrale) au sud de la forêt (A) a été choisi pour réaliser un inventaire de la biocénose et caractériser le biotope de cet écosystème. L'objectif On cherche à décrire et à expliquer la répartition des êtres vivants au sein de l'écosystème forestier. Les ressources disponibles Document 1 : X. Les compétences travaillées Pour réussir, vous devrez être capable de : - Extraire et organiser des informations, si possible sur le terrain, pour savoir décrire les éléments et les interactions au sein d'un écosystème. Comprendre l'importance de la reproductibilité des protocoles d'échantillonnage pour suivre la dynamique spatio-temporelle d'un système. - Utiliser des outils simples d'échantillonnage pour mettre en évidence la répartition de certaines espèces en fonction des conditions du milieu.

2DES INTERACTIONS ENTRE ÊTRES VIVANTS AU SEIN DE L’ÉCOSYSTÈME Dans la forêt de Fontainebleau, une grande diversité d’êtres vivants coexiste au sein d’un même biotope. La répartition des espèces est influencée par les conditions physico-chimiques, mais aussi par la nature des relations qui lient les espèces entre elles. On parle d'interactions biotiques. L'objectif On cherche à comprendre comment les différentes espèces interagissent entre elles au sein de l'écosystème forestier, et à évaluer les conséquences de ces interactions biotiques. PARTIE 1 Identifier différentes interactions biotiques A partir d'une exploitation rigoureuse des documents ci-dessous, compléter le tableau fourni en ANNEXE. Les ressources disponibles Document de référence : Différents types d'interactions biotiques (entre êtres vivants). La diversité des interactions biotiques s’étudie à la lueur de leur effet sur la valeur sélective des partenaires, c’est-à-dire sur leur capacité à survivre et à se reproduire au sein de l’écosystème. Pour en savoir plus, vous pouvez également consulter les définitions fournies par ce site : https://www.dictionnaire-environnement.com/. Nom de l'interactionEffet sur l'espèce AEffet sur l'espèce BType d'interactionPrédationFavorable (prédateur)Défavorable (proie)EXPLOITATIONParasitismeFavorable (parasite)Défavorable (hôte)CompétitionDéfavorableDéfavorableCOMPÉTITIONMutualisme (dont symbiose*)FavorableFavorableCOOPÉRATION (*) La symbiose est un cas particulier de mutualisme (interaction où les 2 partenaires s'apportent des bénéfices mutuels), où les deux partenaires sont associées de manière très étroite et durable. DOCUMENT 1 Observation d'une galle sur une feuille de chêne La galle du chêne est une réaction de l’arbre provoquée par la piqûre d’un insecte qui ressemble à une petite guêpe, de la famille des cynipidés. En général, ces galles ne sont pas néfastes pour l’arbre, mais elles peuvent l’affaiblir. La galle protège les œufs de l’insecte et permet aux larves de se nourrir au cours de leur développement. DOCUMENT 2 Masse sèche aérienne du chêne et de la canche dans différentes conditions La canche est une graminée (plante herbacée). Sa croissance est beaucoup plus rapide que celle du chêne. DOCUMENT 3 Consommation de pousses de chêne par un jeune chevreuil En hiver et au printemps, lorsque les autres végétaux ne sont pas assez abondants, les cerfs et les chevreuils broutent les bourgeons et les jeunes feuilles des arbres et arbustes. DOCUMENT 4 Des mycorhizes au niveau des racines de pin (a) Observation des mycorhizes au niveau des racines du pin. Les pieds et chapeaux des champignons à la surface du sol sont seulement les structures de reproduction. Les champignons comme les cèpes sont principalement constitués de filaments souterrains. Ces filaments s’enroulent autour des racines : cette association s’appelle une mycorhize. Le champignon favorise l’absorption d’eau et de sels minéraux par l’arbre, tandis que ce dernier lui fournit de la matière organique. (b) Effet des mycorhizes sur la croissance des systèmes aériens (tronc, branches, feuilles) du pin maritime. Des pins maritimes âgés de 3,5 mois ont été inoculés ou non par différents champignons mycorhiziens et cultivés sur différents sols. L’augmentation de masse fraîche a été mesurée après 10 mois. Type de solMasse sans mycorhize (g/plant)Masse avec mycorhizes naturelles (g/plant)Masse avec mycorhizes P. tinctorius (g/plant)Masse avec mycorhizes H. cylindrosporum (g/plant)Podzol humique1,43,510,613,5Sable dunaire1,41,47,76,9(c) Effet des mycorhizes sur le prélèvement de phosphate chez le pin maritime. Suillus granulatus est un champignon mycorhizien. Le phosphate est un élément nutritif minéral indispensable à la croissance du pin. CultureMasse de phosphate prélevé en 14 mois d'expériencePas de mycorhize0,58 mg/plantMycorhize S. granulatus0,75 mg/plantPas de mycorhize + apport de phosphate1,50 mg/plantMycorhize S. granulatus + apport de phosphate2,61 mg/plant PARTIE 2 Les conséquences des interactions biotiques A venir Les compétences travaillées Pour réussir, vous devrez être capable de :

3CIRCULATION ET ÉCHANGES DE MATIÈRE AU SEIN DE L’ÉCOSYSTÈMELes êtres vivants d’un écosystème établissent entre eux des relations alimentaires : ils constituent les maillons d’un réseau trophique (du grec trophê, nourriture). Ces relations génèrent une circulation et des échanges de matière entre les êtres vivants, mais aussi avec leur milieu de vie. L'OBJECTIF On cherche à comprendre et à quantifier la circulation et les échanges de matière circule au sein de l'écosystème forestier. - LES COMPÉTENCES TRAVAILLÉES Mesurer la biomasse et la production d'un écosystème à différents niveaux du réseau trophique. Construire un cycle biogéochimique simplifié avec ses réservoirs et ses flux dans lequel l'écosystème intervient. Calculer un bilan de matière, considérant l'écosystème comme ouvert. LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1 Ouvrir l'animation disponible ci-dessous. A l'aide des documents 1 et 2, replacer dans l'ordre chronologique les étapes du cycle cellulaire et leur nom. Valider pour vérifier vos réponses. Cliquez ici pour accéder à une animation pour s'entraîner à identifier les étapes de la mitose 2 Réaliser une observation microscopique de cellules de racines d'oignon à différentes phases de la mitose. Utiliser les documents ci-dessous pour vous repérer sur votre lame. Complétez la grille d'auto-évaluation puis appelez l'enseignant pour vérification. 3 A l'aide du logiciel adéquat, réaliser des captures d'écran pertinentes de vos observations. Les captures d'écran doivent être insérées, annotées et commentées dans un fichier compte-rendu (disponible en fermant cette fenêtre puis en cliquant sur l'icône "livre" en haut à gauche). Complétez la grille d'auto-évaluation puis appelez l'enseignant pour vérification. BILAN Réaliser des schémas d'observation représentant le comportement des chromosomes au cours de la mitose. Pour simplifier, on considère une cellule mère ayant pour formule chromosomique 2n = 4. DOCUMENT 1 Observation microscopique des chromosomes durant une mitose (G x 400)Dans cette o

4RÉSILIENCE DES ÉCOSYSTÈMES FACE AUX PERTURBATIONS Les êtres vivants d’un écosystème établissent entre eux des relations alimentaires : ils constituent les maillons d’un réseau trophique (du grec trophê, nourriture). Ces relations génèrent une circulation et des échanges de matière entre les êtres vivants, mais aussi avec leur milieu de vie. L'OBJECTIF On cherche à comprendre et à quantifier la circulation et les échanges de matière circule au sein de l'écosystème forestier. - LES COMPÉTENCES TRAVAILLÉES Réaliser une observation microscopique. Présenter des observations microscopiques pour les communiquer. Réaliser des schémas, ou identifier sur des schémas les différentes phases des divisions cellulaires. LES ÉTAPES DE RÉSOLUTION 1 Ouvrir l'animation disponible ci-dessous. A l'aide des documents 1 et 2, replacer dans l'ordre chronologique les étapes du cycle cellulaire et leur nom. Valider pour vérifier vos réponses. Cliquez ici pour accéder à une animation pour s'entraîner à identifier les étapes de la mitose 2 Réaliser une observation microscopique de cellules de racines d'oignon à différentes phases de la mitose. Utiliser les documents ci-dessous pour vous repérer sur votre lame. Complétez la grille d'auto-évaluation puis appelez l'enseignant pour vérification. 3 A l'aide du logiciel adéquat, réaliser des captures d'écran pertinentes de vos observations. Les captures d'écran doivent être insérées, annotées et commentées dans un fichier compte-rendu (disponible en fermant cette fenêtre puis en cliquant sur l'icône "livre" en haut à gauche). Complétez la grille d'auto-évaluation puis appelez l'enseignant pour vérification. BILAN Réaliser des schémas d'observation représentant le comportement des chromosomes au cours de la mitose. Pour simplifier, on considère une cellule mère ayant pour formule chromosomique 2n = 4. DOCUMENT 1 Observation microscopique des chromosomes durant une mitose (G x 400)Dans cette observation en microscopie optique, un chromosome a été coloré en vert pour le suivre plus facilement : Dans cette observation en microscopie à fluorescence, le noyau et les chromosomes sont repérables par la fluorescence rouge, les protéines du fuseau mitotique par la fluorescence verte. Dans cette observation au microscope électronique, on compare les chromosomes en début et en fin de division mitotique : Chromosomes en début de mitoseChromosomes en fin de mitoseSource : Le livre scolaire, Cycle 4. DOCUMENT 2 Les phases de la mitoseLa mitose est le processus par lequel une cellule mère se divise en deux cellules filles possédant le même nombre de chromosomes qu'elle. Les biologistes "découpent" la mitose en 4 phases, caractérisées par l’aspect visuel des chromosomes dans les cellules. Une animation pour découvrir les étapes de la mitose Tableau décrivant les différentes phases de la mitoseProphase- L'enveloppe du noyau disparaît.- Les chromosomes à 2 chromatides deviennent visibles et sont en désordre.Métaphase- Les chromosomes à 2 chromatides sont rassemblés et rangés à l'équateur de la cellule.- Chaque chromatide de chaque chromosome est située de part et d'autre du plan équatorial.Anaphase- Les chromatides sœurs de chaque chromosomes sont séparées et migrent chacune vers un pôle opposé de la cellule, tirées par le fuseau mitotique.Télophase- Chaque lot de chromosomes à une chromatide se situe à un pôle différent de la cellule.- Les chromosomes se décondensent, ils ne sont plus distinguables. - Une nouvelle enveloppe nucléaire se reforme autour de chaque lot. En dehors de la mitose, une cellule est en interphase : son noyau est visible, les chromosomes ne sont pas distinguables et constituent la chromatine dans le noyau.

Mutualisme : - Pollinisation - Mycorhizes - Lichens (-Nodosités?) Compétition : - Chêne/Hêtre Prédation : - Limaces/escargot - Scolytes - Chevreuil, sanglier, écureuils Parasitisme : - Galles - Champignon

MES OUTILS :

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE - Première

L'humanité et les écosystèmes

Ecosystèmes et services environnementaux

LYCEE PIERRE DE COUBERTIN - MEAUX Rédaction : M. Nottet

3 EPAISSISSEMENT DE LA CROUTE AU NIVEAU DES ZONES DE COLLISION Dans le modèle de la dynamique interne de la Terre, les chaînes de montagnes comme les Alpes sont des zones de collision. Au niveau de ces limites entre plaques convergentes, plusieurs lithosphères continentales de même densité s’affrontent : c’est la collision continentale. L'objectif On cherche à montrer que la croûte continentale est épaissie au niveau des zones de collision, et que cet épaississement crustal résulte d’un raccourcissement et d’un empilement de matériaux. Pour répondre, vous devrez : - Mettre en évidence un épaississement de la CC au niveau des zones de collision. - Identifier les déformations représentées dans le doc. 3 - Formuler des hypothèses pour expliquer ces déformations. - Concevoir un modèle simple pour tester vos hypothèses. - Mettre en oeuvre le protocole indiqué dans le doc. 5 et communiquer les résultats obtenus. - Répondre à l'objectif en quelques phrases. Les ressources à exploiter Document 1 : Estimer l'épaisseur de la croûte continentale au niveau d'une chaîne de collision. (A) Une méthode pour estimer l'épaisseur de la croûte continentale De nombreuses stations sismiques sont installées dans les Alpes ou sur leur pourtour. Elles enregistrent chaque année de nombreux séismes de faible magnitude qui surviennent dans cette région. Sur certains enregistrements, on observe la présence de deux trains d'ondes P : des ondes directes, notées Pg, et un deuxième train d'ondes, notées PmP, qui ont été réfléchies sur le Moho et atteignent la station avec un retard dt. Connaissant la localisation du foyer F du séisme et le retard des ondes PmP par rapport aux ondes Pg, on peut calculer la profondeur H du Moho au niveau du point de réflexion B. Le logiciel Tectoglob3D contient des sismogrammes enregistrés dans les Alpes et sur leur pourtour (Fichier > Charger un jeu de sismogrammes intégré > Alpes). Le fichier calcul_moho.xls contient un calculateur pour estimer la profondeur du Moho. Document 2 : Déformations des roches (structures tectoniques) observées lors d'une compression. Document 3 : Quelques affleurements visibles dans les Alpes. Le Chapeau-de-Gendarme (Jura) Le Pas-Guiguet (Isère) St-Rambert-en-Bugey (Ain) Glaris (Ain) Remarque : Le Permien date de 250 millions d’années, et le Crétacé supérieur-Cénozoïque de 66 millions d’années. D’après le principe de superposition, les roches les plus anciennes sont normalement situées sous les roches les plus jeunes. Document 4 : Modélisation analogique d'une compression sur une série sédimentaire. Des couches de farine et de cacao sont disposées en alternance dans un dispositif de modélisation. Cette pile de couches est ensuite soumise à des contraintes compressives, appliquées en poussant une plaque amovible sur le côté. (A) Préparation des couches 1. Déposer dans le dispositif de modélisation, en les alternant, les "poudres" en 4 couches horizontales d'environ 0,5 cm d'épaisseur. 2. Tasser la poudre entre chaque couche, à l'aide de la "boîte à lame". 3. Mesurer l'épaisseur initiale de la pile de couche. (B) Réalisation de la compression 1. Maintenir fermement le dispositif de compression des 2 côtés. 2. Avec la lame, compresser lentement en poussant de façon homogène et continue. 3. Mesurer l'épaisseur des couches après l'application de la contrainte compressive. (C) Rangement Vider le contenu dans la poubelle, en essuyant soigneusement les parois avec du papier. Les compétences travaillées Pour réussir, vous devez être capable de : - Observer les profils ECORS (Etude de la Croûte Continentale et Océanique par Réflexion Sismique). - Repérer des indices simples, à différentes échelles, de modifications tectoniques du raccourcissement et de l'empilement (exemple avec des données sur la chaîne alpine).

SVT - 1ère

Over 30 million people build interactive content in Genially.

SLYCE DECK

LET’S GO TO LONDON!

ENERGY KEY ACHIEVEMENTS

HUMAN AND SOCIAL DEVELOPMENT KEY

CULTURAL HERITAGE AND ART KEY ACHIEVEMENTS

DOWNFALLL OF ARAB RULE IN AL-ANDALUS

ABOUT THE EEA GRANTS AND NORWAY

Transcript