Classeur première spé SVT

Chapitres de terminale

1 A

Mon Classeur de SVT Première spécialité

1B

(Clique sur l'intercalaire pour accéder à la partie correspondante)

Aide

Thème 1 A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique

Chapitre 1 : la transmission du patrimoine génétique

1. Les chromosomes au cours du cycles cellulaireLe cycle cellulaire est défini par l’ensemble des phases qui déroulent entre deux divisions cellulaires. Il se décompose en 2 grandes étapes caractérisées notamment par le nombre et l’état de condensation de la molécule de chromatine, substance constitutive des chromosomes (ADN + protéines) : - Durant l’interphase, les chromosomes sont complètement décondensés, la molécule d’ADN est donc accessible aux acteurs de la réplication. On distingue : o La phase G1 (G pour Gap of time) qui est une phase de croissance et d’activités cellulaires. Les chromosomes possèdent une chromatide.o La phase S (S pour Synthèse) qui correspond au moment où la molécule d’ADN est répliquée à l’identique. Les chromosomes à une chromatide sont dupliqués, les deux chromatides sœurs sont identiques (chromosomes à 2 chromatides)o La phase G2 est une phase de croissance et d’activités cellulaires préparant à la division.- La phase M correspond à une étape de division cellulaire. La molécule d’ADN est complètement condensée autour de protéines, les chromosomes sont alors visibles au microscope.

2. La mitose, division des cellules somatiques La mitose consiste en la répartition équitable en deux lots identiques de l’information génétique. Elle se décompose en 4 étapes : - La prophase permet la condensation des chromatides sœurs, un réseau de protéines fibreuses s’accroche de part et d’autre du centromère. - La métaphase consiste en l’organisation des chromosomes à deux chromatides dans l’espace cellulaires, il se placent au niveau du plan équatoriale. - L’anaphase est la phase de séparation des chromatides sœurs identiques permettant une répartition équitable de l’information génétique. Le fuseau mitotique accroché aux centromères se raccourcit provoquant une séparation physique des deux chromatides de chaque chromosome. Chaque duplicata migre vers un pôle opposé de la cellule. - La télophase permet le retour à l’état interphasique : une membrane nucléaire se forme autour de chaque lot d’ADN, le fuseau mitotique se désassemble, les chromosomes à une chromatide se décondensent, la répartition des organites du cytoplasme s’achève, c’est la cytodiérèse. A l’issue de la mitose, deux cellules filles sont formées : leur caryotype possède les mêmes caractéristiques que la cellule mère (nombre et morphologie des chromosomes). La mitose permet donc une reproduction conforme des cellules diploïdes.

3. La méiose, division des cellules germinales La méiose est la division qui permet de produire des cellules haploïdes à partir d’une cellule diploïde. Elle est constituée de deux divisions cellulaires successives : - La première division consiste à séparer les chromosomes homologues de chaque paire, elle diminue donc de moitié le nombre de chromosome. On passe ainsi d’une cellule diploïde à 2n chromosomes à deux chromatides à deux cellules haploïdes à n chromosomes à 2 chromatides. En anaphase de cette première division, tirés par les fibres du fuseau méiotique, les chromosomes homologues de chaque paire se disjoignent et migrent vers un pôle opposé de la cellule. - La deuxième division se déroule immédiatement à la suite sans réplication intermédiaire. Elle se déroule comme une mitose classique. On passe ainsi de 2 cellules à n chromosomes à 2 chromatides à 4 cellules à n chromosomes à 1 chromatide.

II. la réplication de l'ADN

Expérience de Meselson et Sthal

Une copie de l’information génétique est nécessaire avant l’entrée en phase de division.La réplication se fait selon un mode semi conservatif : à partir d’une molécule d’ADN parentale, deux molécules d’ADN identiques entre elles et l’ADN parental sont formées. Chaque molécule nouvellement former possède un brin (une chaîne) issu de la molécule d’ADN parentale et un brin néosynthétisé.La réplication se déroule au cours de la phase S de l’interphase, l’ADN est très décondensé et donc accessibles aux enzymes. Après avoir été séparé, chaque brin sert de modèle pour en former un autre. Pour cela, les deux chaines de nucléotides se séparent : une ADN polymérase, une enzyme capable d’assembler des nucléotides entre eux, se fixe sur le brin parental et à chaque nucléotide, elle associe son complémentaire. Les nucléotides nouvellement placés sont reliés entre eux pour former le brin néosynthétisé. Le chromosome à une chromatide devient un chromosome à 2 chromatides reliées par le centromère.Chez les Eucaryotes, plusieurs ADN polymérases interviennent en même temps sur l’ADN, ce qui permet de diminuer la durée de la réplication.A l’issue de la réplication, chaque chromosome contient deux exemplaires de son information génétique attachés par leur centromère. Ils seront par la suite répartis dans les deux cellules filles. Ainsi, toutes les cellules qui dérivent d’une même cellule initiale sont génétiquement identiques et constituent un clone cellulaire.Certaines biotechnologies s’appuyant sur les mécanismes moléculaires de la réplication, comme la PCR, sont des outils efficaces en génie génétique.

vidéo les bons profs

La réplication par Mathrix (attention, l'explication va beaucoup plus loin que votre programme mais elle est bien faite)

article d'explication de l'expérience de meselson et stahl

Pour réviser

Pour s'entrainer

Exercice type 1 : Toutes les cellules d’un clone possèdent le même caryotype, c’est-à-dire des chromosomes identiques en nombre et en forme. Ces caractéristiques se conservent également d’une génération à l’autre.Expliquer comment deux mécanismes cellulaires permettent cette conservation des caractéristiques du caryotype de génération en génération.Votre réponse prendra la forme d’un texte structuré et illustré de schémas.

2. Origine des mutationsIl existe plusieurs mécanismes à l’origine des mutations ponctuelles de la séquence d’ADN : - Les erreurs de synthèse lors de la réplication de l’ADN. Les enzymes qui copient l’ADN peuvent générer des erreurs lors de la synthèse du nouveau brin : il peut y avoir oubli de nucléotide (délétion), ajout d’un nucléotide (insertion) ou non-respect des règles de complémentarité (substitution). Les mutations qui en résultent sont appelées mutations spontanées.- Des modifications chimiques de bases sous l’action d’agents mutagènes (réactifs chimiques produits par le métabolisme de la cellule ou présents dans l’environnement, radiations radioactives ou UV), pouvant aller jusqu’à la cassure de la molécule d’ADN : on les appelle des mutations induites.Remarque : les outils de biotechnologie moléculaire permettent aujourd’hui de modifier la séquence de l’ADN, créant ainsi des mutations induites artificiellement : - La modification génétique d’une population de cellules au sein d’un organisme est à la base de la thérapie génique. Elle vise à soigner des maladies dues à la mutation naturelle d’un gène.- Lorsqu’une mutation est introduite dans une cellule œuf, toutes les cellules de l’embryon en sont porteuses et cela aboutit à la production d’un organisme génétiquement modifié (OGM).

Chapitre 2 : variation du patrimoine génétique

1. Mutation et diversité des allèles Dans chaque population, il existe une grande variété de phénotypes. Ces différences entre individus peuvent résulter de l’influence de l’environnement dans lequel chacun vit. Elles peuvent aussi provenir de modifications dans l’information génétique qui détermine les caractères de l’organisme. On parle dans ce cas de mutations. Les mutations sont à l’origine de diverses versions d’un même gène que l’on appelle des allèles. Pour chaque gène, il y a plusieurs allèles dont les fréquences varient selon la répartition mondiale des populations.

3. Mutations et réparationLe taux d’erreur global lors de la réplication de l’ADN et de la division cellulaire est de l’ordre de 10-9 (1 nucléotide erroné pour 109 copiés). On estime par ailleurs que l’ADN d’une cellule subit jusqu’à 106 dommages moléculaires par jour. Or le taux final de mutation est bien inférieur. Il existe donc, dans les cellules, des mécanismes de réparation de l’ADN. Ces mécanismes reposent sur des enzymes capables de se fixer à l’ADN endommagé et de catalyser les réactions de réparation.

3. Conséquences des mutationsLes conséquences d’une mutation diffèrent selon le type de cellule touchée. Si la mutation survient dans une cellule somatique (mutation somatique), elle sera transmise aux clones, c’est-à-dire à toutes les cellules filles, issu de cette cellule, mais ne pourra pas être transmise à la descendance. En revanche, si la mutation a lieu dans une cellule germinale (mutation germinale), elle devient potentiellement héréditaire : en effet, si l’un des gamètes issus de cette cellule germinale participe à la fécondation, la mutation sera transmise à la descendance. On a ainsi un nombre conséquent de mutations de différence entre le génome d’un enfant et celui de ses parents.

1. L’ARN, un intermédiaire entre l’ADN et les protéines Dans les années 1950, les chercheurs ont découvert que les acides nucléiques sont formés d’une séquence de nucléotides et que les protéines, molécules résultant de l’expression des gènes, étaient faites d’une séquence d’acides aminés. Ils ont établi qu’entre l’ADN et les protéines, il existait un intermédiaire, qui est de l’ARN (acide ribonucléique). Alors que l’ADN est exclusivement localisé dans le noyau des cellules eucaryotes, les recherches ont révélé que l’ARN est produit dans le noyau mais passe ensuite dans le cytoplasme : il est appelé ARN messager ou ARNm. 2. Les ARNm, molécules portant un message codéLes acides nucléiques, ARN et ADN, sont des molécules porteuses d’une information génétique. L’ARN est composé d’une séquence de nucléotides, mais, à la différence de l’ADN, il est formé d’un seul brin de nucléotides et ses nucléotides sont l’uracile (U), la guanine (G), l’adénine (A) et la cytosine (C). La transcription est un mécanisme se localisant dans le noyau de la cellule. La molécule d’ADN double brin est ouverte par une enzyme, l’ARN polymérase, qui utilise un brin matrice d’ADN pour fabriquer un brin d’ARN complémentaire en associant les nucléotides selon les appariements suivants : A-U et C-G. Sur un brin d’ADN, plusieurs molécules d’ARN polymérase se suivent, permettant ainsi la fabrication d’un grand nombre de molécules d’ARN à partir d’une seule molécule d’ADN. Le code génétique indique la correspondance entre un groupe de trois nucléotides sur l’ARNm, ou codon, et un acide aminé. Ce code est redondant (plusieurs codons correspondent à un acide aminé) et universel (la correspondance est la même chez presque tous les êtres vivants). Ainsi, l’information contenue dans une molécule d’ADN produira la même protéine chez n’importe quel être vivant.

Chapitre 3 : l'expression du patrimoine génétique

3. La synthèse des protéines et les différentes échelles du phénotype Les ARNm passent du noyau au cytoplasme de la cellule où ils sont traduits en protéines. Le code génétique indique la correspondance entre un groupe de trois nucléotides sur l’ARNm, ou codon, et un acide aminé. Ce code est redondant (plusieurs codons correspondent à un acide aminé) et universel (la correspondance est la même chez presque tous les êtres vivants). Ainsi, l’information contenue dans une molécule d’ADN produira la même protéine chez n’importe quel être vivant. Les ribosomes se fixent sur l’ARNm, puis progressent en associant l’acide aminé correspondant à chaque codon, à partir d’un codon start. La traduction s’arrête quand le ribosome atteint un codon stop : la protéine formée est libérée dans le cytoplasme de la cellule. Les conséquences d’une mutation dans l’ADN sont répercutées à différentes échelles du phénotype de l’individus : - A l’échelle de la molécule : les protéines et les ARN formés présentent eux aussi une mutation, - A l’échelle de la cellule, du tissu, de l’organe et enfin de l’organisme : on observe des anomalies de structure et de fonctionnement.Le génotype est donc responsable du phénotype.

Chapitre 4 : les enzymes, des biocatalyseurs

Thème 1 B : génétique et santé

Dans ce cas, des études pratiquées sur des grandes cohortes de patients afin de découvrir le gène impliqué dans cette maladie. Ces études sont basées sur la recherche du gène candidat grâce à l’hybridation de sondes marquées capables de se fixer à des gènes dont les produits pourraient être impliqués dans la pathologie. La comparaison du taux de fixation de ces sondes au génome des personnes atteintes et à celui de personnes saines permet de déterminer le ou les gènes impliqués dans le développement de la maladie.L’étude des arbres généalogiques permet de montrer le mode de transmission de cette maladie. Dans le cas des maladies due à un seul gène (monogénique), si les parents de l’individu atteint sont sains, alors la maladie est dite récessive. De ce fait, seuls les individus homozygotes, c’est-à-dire porteurs de deux allèles mutés pour ce gène, seront malades, alors que les individus hétérozygotes seront porteurs sains.L’étude des arbres généalogiques permet aussi de déterminer si la maladie monogénique est à transmission autosomique (dans ce cas, quel que soit le sexe de l’individu, la probabilité d’être atteint est la même) ou liée aux chromosomes sexuels (dans ce cas, un des deux sexes sera plus touché ou uniquement touché par la maladie). A partir des arbres généalogiques et de la connaissance des gènes des parents, il est possible de calculer le risque de produire un descendant atteint. Si la génétique des parents n’est pas connue, on utilise la prévalence de la pathologie à l’échelle nationale ou régionale afin de déterminer si les parents sont hétérozygotes ou non.

Chapitre 1 : mutations et variabilités génétiques

1. Détermination de l’origine génétique d’une maladie et de sa transmission Pour établir l’origine génétique d’une maladie, des recherches au sein de la famille du patient, via des arbres généalogiques, sont menées. Si l’individu atteint appartient à une famille dans laquelle sa pathologie apparait de façon récurrente, la probabilité qu’il s’agisse d’une maladie génétique existe.

2. Diagnostic de la maladie et traitements L’étude des symptômes d’une maladie génétique à différentes échelles permet de comprendre l’origine de la maladie et d’envisager des traitements adaptés à différents niveaux. Une mutation provoquant l’absence ou une modification de l’expression de ce gène engendre l’absence ou l’inefficacité des protéines produites à partir de l’expression de ce gène. Dans le cas de la mucoviscidose, il existe de très nombreuses mutations du gène CFTR qui peuvent avoir chacune un impact particulier sur l’activité de la protéine formée. Ceci peut provoquer des modifications du fonctionnement des organes voire des symptômes multiples au niveau de l’organisme. La connaissance des différents symptômes permet de diagnostiquer la maladie (recherche des allèles mutés connus, test de sueur par exemple pour la mucoviscidose) et d’élaborer des traitements à différentes échelles.La prise en charge précoce des maladies génétiques, grâce à l’amélioration des modes de diagnostic, a permis de faire progresser de façon significative l’espérance de vie des personnes atteintes de symptômes sévères de ces maladies.L’approche thérapeutique actuelle vise à prescrire un traitement qui compenserait les anomalies induites par les mutations en empêchant ainsi tout signe de la maladie. Cela passe par la recherche de médicaments capable de rectifier la synthèse ou le fonctionnement des protéines défectueuses. Cette thérapie protéique peut être personnalisée en fonction de la mutation qui affecte le patient.L’autre voie de recherche consiste à corriger directement le gène défectueux. Cette thérapie génique utilise un vecteur viral modifié pour remplacer le gène muté par une version normale dans les cellules du malade. Les difficultés actuellement rencontrées concernent les vecteurs utilisés qui déclenchent des réactions immunitaires chez le malade et qui touchent les cellules de façon trop aléatoire.

Chapitre 2 : patrimoine génétique et santé

2. Identification des facteurs de risques Des études épidémiologiques sont nécessaires pour identifier l’ensemble des facteurs conduisant à la maladie. Ces études se basent sur des analyses statistiques faites sur une cohorte d’individus malades et d’individus non malades qui serviront de témoins. Il est important dans ces études que l’échantillonnage des individus soit bien représentatif de la population.On peut repérer des facteurs environnementaux qui vont, associés à des gènes de prédisposition, augmenter le risque de déclencher une maladie multifactorielle. Par exemple, les études épidémiologiques concernant le diabète de type 2 montrent que le risque de déclencher un DT2 s’accroît fortement avec l’augmentation de l’IMC. Ce dernier étant lié au mode de vie, l’individu peut influer sur ce risque.

1. Les gènes de prédispositions Le patrimoine génétique est l’ensemble des allèles d’un individu hérite de ses parents biologiques. Ce patrimoine détermine certains caractères de l’individu mais aussi certaines maladies. Les maladies d’origines génétiques sont dues à des mutations de gènes qui impactent le fonctionnement des cellules en modifiant la séquence protéique issue de la traduction de l’allèle muté. Un individu appartenant à une famille dont certains membres sont atteints d’une pathologie à composante génétique aura un risque supérieur de développer la maladie par rapport à une personne dont aucun membre de la famille n’est malade. Cependant, le fait de posséder un allèle muté n’engendre pas toujours la déclaration de la pathologie et à l’inverse cette même pathologie peut apparaître chez une personne qui ne possède pas l’allèle muté. On parle de gènes de prédisposition.De nombreuses pathologies ne sont pas liées à un gène mais à plusieurs gènes dont la mutation peut déclencher la maladie. De plus, plusieurs gènes peuvent entrer en interaction pour déclencher la maladie et tous ne sont pas toujours connus.Dans une famille où tous les individus possèdent un allèle de prédisposition pour une pathologie donnée, certains ne développent pas la maladie : le facteur génétique ne semble donc pas le seul responsable de la maladie et l’environnement semble jouer un rôle.

Chapitre 3 : altération du génome et cancérisation

1. Les cancers et leur origine génétiqueParfois une cellule subit plusieurs mutations successives responsables du processus de cancérisation et devient cancéreuse. Cette cellule mutée prolifère de manière incontrôlée et forme une tumeur maligne. Certaines de ces cellules tumorales peuvent alors être entrainées par la circulation sanguine et essaimer ailleurs dans l’organisme : de nouvelles tumeurs apparaissent, ce sont des métastases. Le cancer se dissémine alors. En altérant la fonction des organes affectées ou en libérant des substances toxiques, le cancer peut nuire gravement à la santé.Il existe deux types principaux de gènes dont les mutations peuvent induire une tumeur : - Les oncogènes mutés, qui entrainent une prolifération cellulaire anarchique et des altérations génétiques.- Les allèles mutés des anti-oncogènes, qui ne permettent plus de stopper le cycle cellulaire afin d’assurer la réparation des cellules présentant des altérations génétiques.Ainsi, les personnes héritant de ces allèles mutés présentant un risque accru de développer un cancer. Ces allèles, qui peuvent être transmis héréditairement quand ils sont présents dans les cellules germinales, sont appelés des allèles de prédisposition.

2. L’influence de l’environnement sur certains cancersLes cancers peuvent être provoqués par l’action d’agents mutagènes (tabac, alcool, UV …). Ces facteurs de risque environnementaux altèrent le génome comme par exemple l’action du tabac ou des UV sur le gène p53. Ces mutations entrainent parfois une cancérisation. Face à ce type de cancer, la responsabilité de chacun est en jeu afin de limiter l’exposition aux facteurs de risque. D’autant plus que les études épidémiologiques montrent que le cumul de plusieurs agents mutagènes multiplie les risques.Les cancers peuvent aussi être provoqués par certaines infections virales. Par exemple, le papillomavirus HPV transmis au cours des rapports sexuels peut conduire au développement du cancer du col de l’utérus, du pénis ou de l’anus.

3. Les moyens pour limiter les risques ou guérir de certains cancers Face au danger que représentent certains facteurs environnementaux sur le cancer, des campagnes de sensibilisation visant à avertir les populations des risques encourus sont mises en place par les gouvernements depuis plusieurs années. De plus, des campagnes massives de dépistages sont développés afin d’assurer un diagnostic précoce de la maladie. Ces mesures permettent de sauver de nombreuses vies.Pour les cancers induits par des virus, comme le papillomavirus, il existe à présent des vaccins qui sont efficaces contre l’infection qui diminuent ainsi la fréquence des lésions précancéreuses.En cas de cancer établi, plusieurs thérapies sont proposées : - La chimiothérapie : les substances chimiques utilisées stoppent les mitoses ou provoquent l’apoptose (mort cellulaire), mais ne sont pas spécifiques aux cellules cancéreuses, induisant des effets secondaires importants. - La radiothérapie : plus ciblée, elle détruit la tumeur avec des rayons, mais cause également des dégâts sur les cellules saines présentent autour.- L’immunothérapie qui permet désormais de cibler localement les défenses immunitaires contre certaines tumeurs et elles-seules, mais qui est en cours de développement pour des essais sur l’être humain.

Chapitre 4 : variation génétique et résistance aux antibiotiques

Les bactéries, êtres vivants unicellulaires, sont très diverses et présentes partout. En 1928, à Londres, Alexander FLEMMING découvre en observation l’effet d’une moisissure : le Penicillium Notatum sur une souche de staphylocoques, le premier antibiotique à large spectre est découvert : la pénicilline.Les antibiotiques sont des substances naturelles (produites par certains micro-organismes de type champignon) ou artificielles qui bloquent la croissance bactérienne ou qui détruisent les bactéries. Ils ne sont efficaces que sur des infections bactériennes.L’ADN bactérien, comme tout ADN, peut subir des mutations, spontanées ou induites par l’environnement, qui peuvent rendre les bactéries résistantes à un ou plusieurs antibiotiques.L’utilisation d’antibiotique va donc sélectionner les bactéries mutantes devenus résistantes en éradiquant les bactéries sensibles à ces antibiotiques. La proportion de bactéries résistantes va donc augmenter dans une population donnée suite à cette sélection faite par l’antibiotique. L’utilisation de plusieurs antibiotiques n même temps va sélectionner des bactéries naturellement résistantes à plusieurs antibiotiques.L’utilisation massive d’antibiotique dans les élevages sélectionne des bactéries résistantes à plusieurs antibiotiques. Ces bactéries vont pouvoir contaminer l’être humain via la consommation de viande ou de cultures contaminées. Le nombre d’antibiotiques existant étant limité, une telle sélection va poser des problèmes de santé publique car il y a un risque qu’aucun antibiotique conne ne soit efficace contre ces bactéries.Une utilisation responsable et adaptée des antibiotiques aussi bien au niveau des élevages qu’au niveau individuel est essentielle pour stabiliser voire diminuer la proportion de bactéries résistantes.

Thème 2 : la dynamique interne de la Terre

chapitre 1: la structure de la Terre interne

Les forages réalisés en milieu continental révèlent que la roche la plus fréquente de la croûte continentale est le granite. De texture grenue (c’est-à-dire que tous cristaux de grande taille sont au contact les uns avec les autres), le granite est constitué d’une association caractéristique de minéraux : quartz, feldspaths et micas). Sa composition chimique diffère de celle des roches de la croûte océanique (plus riche en silice et en potassium, moins riche en fer), de fait, sa densité est plus faible (=2,7). La croûte continentale est aussi plus épaisse, en moyenne 30 km. La croûte océanique est beaucoup plus difficile à observer (nécessité de submersible). Son observation montre qu’elle est recouverte d’une couche de roche sédimentaire (entre 0 et 2 000 m). En dessous, elle est constituée de basalte et de gabbro, des roches magmatiques. Ces deux roches possèdent la même composition chimique et minéralogique (on retrouve surtout des pyroxènes et des feldspaths). Cependant, les deux roches présentent des textures différentes : alors que le gabbro est constitué de cristaux de grandes tailles (parfois visible à l’œil nu) jointifs (= texture grenue), le basalte présente peu ou pas de grands cristaux mais une grande quantité de petits cristaux (microlites) dispersés dans un matériau minéral non cristallisé (= verre), on parle de texture microlitique. La densité moyenne de la croûte océanique est de 2,8 à 2,9 et elle n’est épaisse en moyenne de 7 km.

I. la structure superficielle de la Terre L’étude de la topographie, c’est-à-dire des reliefs terrestres, révèle une grande diversité des altitudes : l’Everest culmine à + 8 848 m tandis que la fosse des Mariannes s’enfonce à – 11 034 m par rapport au niveau marin. Au-delà de cette diversité, on distingue clairement des classes d’altitude typiquement océaniques (entre – 6 000 et – 3 000 m) et des classes d’altitudes typiquement continentales (entre 0 et 1000 m, moyenne à 300 m). On parle de distribution bimodale des altitudes. Elle s’explique par un contraste géologique très net entre les continents et les océans. Seules les roches du domaine continentale sont facilement accessibles et observables dans les zones peu urbanisées et végétalisées. On en distingue 3 types : les roches sédimentaires, les roches magmatiques et les roches métamorphiques. Les roches sédimentaires sont formées à partir des sédiments issus de l’érosion des continents (ex : calcaire, grès) et contiennent souvent des fossiles. Les roches magmatiques sont des roches issues du refroidissement et de la solidification d’un magma en profondeur (roches plutoniques) ou en surface (roches volcaniques). Les roches métamorphiques résultent de la transformation à l’état solide des roches précédentes (= métamorphisme).

2. Séismes et ondes sismiquesUn séisme résulte de la libération brutale d’énergie lors de la rupture de roches soumises à de fortes contraintes. L’énergie libérée au foyer du séisme se dissipe sous forme d’ondes sismiques, se propageant à l’intérieur des roches et à leur surface. Ces ondes, émises dans toutes les directions, peuvent être enregistrées à une très grande distance du foyer du séisme, sous forme de graphiques appelés sismogrammes.Ceux-ci révèlent plusieurs types d’ondes : les ondes de volume se propagent à l’intérieur du globe. Parmi elles, on distingue les ondes P (premières), les plus rapides, qui se propagent dans les solides et les fluides et les ondes S (secondes), qui ne se propagent que dans les solides. Les ondes de surface ne se propagent que dans les couches superficielles du globe, ce sont les moins rapides, mais elles sont responsables de la plupart des dégâts. La vitesse des ondes dépend de la nature et de la température des roches.

3. Les discontinuités sismiquesLorsqu’une onde sismique atteint une discontinuité, c’est-à-dire la limite entre deux milieux aux propriétés physico-chimique différentes, elle est en partie réfractée (en changeant de milieu, sa trajectoire est déviée et sa vitesse modifiée), en partie réfléchie (renvoyée dans le même milieu par la surface de discontinuité). L’étude de la propagation des ondes P et S l’intérieur du globe permet de mettre en évidence plusieurs discontinuités majeures, et apporte ainsi de précieuses informations sur la structure du globe terrestre.La discontinuité de Mohorovicic, ou MOHO, sépare la croûte du manteau. Elle est caractérisée par une augmentation brutale de la vitesse des ondes P et S lorsque ces ondes passent de la croûte au manteau (6 à 8 km/s pour les ondes P et 4 à 6 km/s pour les ondes S). En effet, celui-ci est constitué d’une roche de plus forte densité, la péridotite. La profondeur du Moho (donc l’épaisseur de la croûte) est très variable : en moyenne, elle est voisine de 7 km sous les océans, de 30 km sous les continents.

4. Lithosphère et asthénosphèreL’étude de la vitesse des ondes sismiques en fonction de la profondeur montre en général sous les continents comme sous les océans une diminution des vitesses pour des profondeurs supérieures à 100 km, et sur une épaisseur d’environ 100 km : c’est la LVZ (Low Velocity Zone) ou zone de faible vitesse. On appelle lithosphère l’ensemble des roches rigides situées au-dessus de cette limite, et asthénosphère les roches ductiles située en dessous. La lithosphère comprend ainsi la croûte (océanique ou continentale) et la partie rigide du manteau (manteau lithosphérique).

5. la structure du noyau Pour chaque séisme, il existe une large zone du globe où les stations d’enregistrement ne reçoivent aucune onde directe : cette « zone d’ombre », s’étendant pour les ondes P entre 11 500 et 14 500 km du foyer sismique révèle l’existence de la discontinuité de Gutenberg, située à 2 900 km de profondeur. Elle sépare le manteau d’un milieu plus dense, le noyau (les ondes P s’y propagent plus vite), constitué principalement de fer. Les ondes S se comportent comme les ondes P jusqu’à une distance de 11 500 km. Elles se propagent donc dans tout le manteau, montant qu’il est partout à l’état solide. En revanche, ces ondes S ne se réapparaissent pas au-delà de 14 500 km. Cela montre que le noyau est à l’état liquide au moins dans ses régions les moins profondes (noyau externe). La discontinuité de Lehmann, situé à 5 150 km de profondeur sépare le noyau externe, liquide, du noyau interne, solide.Ce modèle concentrique de la structure interne du globe, basée sur les études sismologiques constitue le modèle de référence du globe, appelé PREM (Preliminary Reference Earth Model).

4. La structure thermiqueL’étude des températures au fond de forages réalisés dans la croûte montre une augmentation de la température des roches avec la profondeur. En moyenne, cette augmentation est de 30°C par kilomètre. Ce gradient géothermique est presque toujours positif, et révèle l’existence d’une énergie thermique à l’intérieur du globe terrestre.Le géotherme terrestre, courbe décrivant les variations de température en fonction de la profondeur, montre des variations importantes du gradient géothermique suivant les couches traversées. Cela s’explique par l’existence de 2 modes de transfert de l’énergie thermique, aux efficacités bien différentes : dans la lithosphère rigide, l’énergie thermique ne peut s’évacuer des zones les plus chaudes vers les zones froides par conduction thermique, c’est-à-dire de proche en proche, sans déplacement de matière. Ce mode de transfert de l’énergie thermique est peu efficace : le gradient géothermique est donc fort entre la surface et la base de la lithosphère.Lorsque la température du manteau dépasse 1 300 °C, c’est-à-dire en moyenne à partir de 100 km (coïncide avec la LVZ) de profondeur, la rigidité des péridotites diminue fortement : elles deviennent ductiles. Cette températures limite est à l’origine du contraste entre la lithosphère et l’asthénosphère.Sous la lithosphère, le gradient géothermique est nettement plus faible. Cela s’explique par un transfert d’énergie thermique plus efficace, par convection thermique : soumise à une forte augmentation de la température, les roches deviennent moins denses et ont alors tendance à remonter. Ce faisant, elles refroidissent, leur densité augmente et elles ont tendance à s’enfoncer. Des boucles de circulation de matière, appelées « cellules de convection » se mettent en place à grande échelle au sein du manteau et dans le noyau externe, et assurent un transfert d’énergie thermique efficace.

Chapitre 2 : caractérisation du mouvement des plaques

Chapitre 3 : une zone de divergence, la dorsale

L’étude du relief des fonds océaniques montre que les dorsales sont des bombements de grande amplitude. Parfois larges de plusieurs milliers de kilomètres, elles forment un réseau long de 60 000 km, qui domine les plaines abyssales en moyenne à 2 500 m de profondeur. Les dorsales sont caractérisées par des activités sismiques (séismes peu profonds), tectoniques (nombreuses failles normales dues à l’extension), magmatiques (21 km de roches volcaniques et plutoniques produites chaque année) et hydrothermales (fumeurs noirs).1. Fusion partielle des péridotitesLa tomographie sismique explique le flux géothermique anormalement élevé au niveau des dorsales, en mettant en évidence à leur aplomb une remontée asthénosphérique. Les péridotites y sont soumises à des mouvements de convection ascendant qui les font remonter et provoquent leur décompression. En revanche, ce mouvement se fait pratiquement sans échanges thermiques, donc sans baisse significative de la température des roches.L’étude du comportement de la péridotite dans la presse à enclume de diamant permet de tracer son solidus (courbe de début de fusion) et son liquidus (courbe de fin de fusion). Entre ces deux courbes, la péridotite est partiellement fondue. Si on reporte dans ce diagramme de phase le géotherme moyen d’une dorsale, on constate que celui-ci recoupe la courbe de solidus entre 20 et 100 km de profondeur environ. Les péridotites situées sous l’axe de la dorsale peuvent donc produire des magmas. Il s’agit toujours d’une fusion partielle, qui ne concerne pas plus de 20 % de taux de fusion. Le magma et les roches qui se forment suite à sa cristallisation n’ont pas la même composition chimique et minéralogique que la péridotite. Les gouttelettes de magma issues de la fusion partielle, moins denses que la roche solide, remontent et s’accumulent dans une zone située entre 2 et 7 km sous l’axe de la dorsale. Là s’accumule un liquide épais où se forment des cristaux : c’est la chambre magmatique.

2. Mise en place de la croûte océaniqueAu sein de la chambre magmatique des courants brassent cette bouillie cristalline. Le contact des parois, un peu moins chaudes que le cœur de la chambre, favorise la lente cristallisation du magma. La roche qui se forme ainsi en profondeur (roche plutonique) est grenue, c'est-à-dire entièrement constituée de gros cristaux jointifs. Dans ce cas, pyroxène et plagioclase prédominent : il s’agit d’un gabbro.La divergence des plaques lithosphériques provoque l’extension de la dorsale, et plus particulièrement de son axe. Des failles normales se forment dans le toit de la chambre magmatique. Du magma s’y infiltre, formant des filons verticaux atteignant la surface des roches. Le refroidissement de ce magma à proximité ou au contact de l’eau de mer très froide est rapide : la roche qui se forme par arrivée du magma en surface (roche volcanique) est microlitique, c'est-à-dire constituée d’une pâte minérale qui n’a pas eu le temps de cristalliser et de cristaux, pour la plupart microscopiques : des microlites. Comme dans le gabbro, pyroxène et plagioclase prédominent : la roche qui cristallise dans les filons ou sous forme de laves en coussins au contact direct de l’eau de mer est un basalte.

L’étude du relief des fonds océaniques montre que les dorsales sont des bombements de grande amplitude. Parfois larges de plusieurs milliers de kilomètres, elles forment un réseau long de 60 000 km, qui domine les plaines abyssales en moyenne à 2 500 m de profondeur. Les dorsales sont caractérisées par des activités sismiques (séismes peu profonds), tectoniques (nombreuses failles normales dues à l’extension), magmatiques (21 km de roches volcaniques et plutoniques produites chaque année) et hydrothermales (fumeurs noirs).1. Fusion partielle des péridotitesLa tomographie sismique explique le flux géothermique anormalement élevé au niveau des dorsales, en mettant en évidence à leur aplomb une remontée asthénosphérique. Les péridotites y sont soumises à des mouvements de convection ascendant qui les font remonter et provoquent leur décompression. En revanche, ce mouvement se fait pratiquement sans échanges thermiques, donc sans baisse significative de la température des roches.L’étude du comportement de la péridotite dans la presse à enclume de diamant permet de tracer son solidus (courbe de début de fusion) et son liquidus (courbe de fin de fusion). Entre ces deux courbes, la péridotite est partiellement fondue. Si on reporte dans ce diagramme de phase le géotherme moyen d’une dorsale, on constate que celui-ci recoupe la courbe de solidus entre 20 et 100 km de profondeur environ. Les péridotites situées sous l’axe de la dorsale peuvent donc produire des magmas. Il s’agit toujours d’une fusion partielle, qui ne concerne pas plus de 20 % de taux de fusion. Le magma et les roches qui se forment suite à sa cristallisation n’ont pas la même composition chimique et minéralogique que la péridotite. Les gouttelettes de magma issues de la fusion partielle, moins denses que la roche solide, remontent et s’accumulent dans une zone située entre 2 et 7 km sous l’axe de la dorsale. Là s’accumule un liquide épais où se forment des cristaux : c’est la chambre magmatique.

2. Mise en place de la croûte océaniqueAu sein de la chambre magmatique des courants brassent cette bouillie cristalline. Le contact des parois, un peu moins chaudes que le cœur de la chambre, favorise la lente cristallisation du magma. La roche qui se forme ainsi en profondeur (roche plutonique) est grenue, c'est-à-dire entièrement constituée de gros cristaux jointifs. Dans ce cas, pyroxène et plagioclase prédominent : il s’agit d’un gabbro.La divergence des plaques lithosphériques provoque l’extension de la dorsale, et plus particulièrement de son axe. Des failles normales se forment dans le toit de la chambre magmatique. Du magma s’y infiltre, formant des filons verticaux atteignant la surface des roches. Le refroidissement de ce magma à proximité ou au contact de l’eau de mer très froide est rapide : la roche qui se forme par arrivée du magma en surface (roche volcanique) est microlitique, c'est-à-dire constituée d’une pâte minérale qui n’a pas eu le temps de cristalliser et de cristaux, pour la plupart microscopiques : des microlites. Comme dans le gabbro, pyroxène et plagioclase prédominent : la roche qui cristallise dans les filons ou sous forme de laves en coussins au contact direct de l’eau de mer est un basalte.

3. La diversité des dorsalesLe magmatisme qui vient d’être décrit concerne les dorsales dites « rapides », c'est-à-dire celles qui sont situées aux frontières de plaques où la vitesse de divergence est au moins de 9 cm/an. Les dorsales moins actives ont des fonctionnements différents.a. Des dorsales productrices de croûteLes dorsales rapides présentent un bombement large de plusieurs milliers de kilomètres. La vallée axiale est peu marquée, voire absente. Ces caractéristiques sont dues à la présence d’un manteau très chaud sous de la croûte. La production de magma y est permanente, et suffisamment forte pour que l’essentiel de la création de nouvelle surface océanique s’y fasse par accrétion, c'est-à-dire par apport de nouvelles roches magmatiques. Ces dorsales présentent une croûte océanique continue, formée d’environ 2 km de basalte en coussins et en filons, qui reposent sur 3 à 5 km de gabbros.Les dorsales rapides, comme la dorsale Est-Pacifique, produisent donc une croûte océanique épaisse de 5 à 7 km, principalement par magmatisme.b. Des dorsales qui produisent peu ou pas de croûteL’étude de la dorsale Atlantique a révélé des caractéristiques différentes de celles des dorsales rapides. Le bombement est nettement plus étroit. Au centre se trouve une vallée axiale (le rift) produite par le fonctionnement de nombreuses failles normales, ainsi que des failles de détachement, qui mettent des péridotites à l’affleurement. Ces caractéristiques sont à mettre en relation avec la présence d’un manteau nettement moins chaud que sous une dorsale rapide. Il n’y a parfois pas de chambre magmatique, ou plusieurs petites chambres magmatiques qui ne fonctionnent que de façon intermittente. Très peu de magma étant produit, très peu de basaltes et de gabbros sont mis en place : la croûte océanique est peu épaisse, discontinue, voire totalement absente.Les roches retrouvées à l’affleurement sont pour partie au moins des péridotites serpentinisées, c’est-à-dire fortement hydratées et altérées par une circulation hydrothermale importante.Le magmatisme ne joue donc qu’un rôle secondaire dans le cas des dorsales lentes, l’essentiel de la divergence étant assumé par des phénomènes tectoniques : failles normales et failles de détachement.Notons qu’il existe tous les intermédiaires entre les deux modèles de dorsale que nous venons de décrire.

4. Des changements chimiques et minéralogiquesDès sa formation au niveau de la dorsale, la nouvelle croûte océanique et les roches du manteau superficiel sont traversées par une eau froide qui s’infiltre grâce aux très nombreuses failles. L’eau se réchauffe au contact des roches profondes. Sa densité diminue et elle ressort par des cheminées hydrothermales, les fumeurs noirs, à des températures comprises entre 300 et 400 °C.L’équivalent de la moitié de l’eau de l’Atlantique passerait ainsi par la circulation hydrothermale des dorsales chaque année.Des réactions chimiques ont lieu entre l’eau et les minéraux : l’eau se charge en éléments métalliques, tandis que des molécules d’eau pénètrent au sein même des cristaux. Les roches subissent de ce fait des transformations chimiques et minéralogiques qualifiées d’hydrothermalisme.Au cours de cette circulation, les roches se refroidissent. Cette baisse de température déstabilise les associations minérales présentes initialement. Ainsi, les cristaux de pyroxène et de plagioclase réagissent entre eux et avec l’eau dès que la température s’abaisse sous 700 °C. Il se forme alors un nouveau minéral hydraté : la hornblende. Lorsque la température descend sous 500 °C, ce minéral réagit à son tour avec d’autres, et de nouveaux minéraux, encore plus hydratés, apparaissent, comme la chlorite et l’actinote.Les roches de la lithosphère subissent donc dès leur mise en place sur la dorsale un métamorphisme, c'est-à-dire des transformations minérales à l’état solide, dues à leur hydratation et à des changements d’environnement physique (pression, température). En l’occurrence, les roches passent dans le faciès « schistes verts », environnement caractérisé par une pression et une température basse. On appelle métabasaltes, métagabbros et métapéridotites du faciès schistes verts les roches métamorphiques ainsi formées.Les circulations hydrothermales refroidissent rapidement les roches sur une dizaine de kilomètres d’épaisseur. Lorsque la température du manteau superficiel passe sous 1 300 °C, la péridotite devient rigide : un manteau lithosphérique se forme. Le refroidissement se poursuivant, d’abord par hydrothermalisme, puis par conduction thermique, l’isotherme 1 300 °C (qui correspond à la limite lithosphère/asthénosphère) se situe de plus en profondément : le manteau lithosphérique s’épaissit donc au cours du vieillissement de la lithosphère océanique. Après 25 Ma, il a plus de 40 km d’épaisseur. À l’âge de 100 Ma, son épaisseur dépasse 100 km.Le vieillissement s’accompagne aussi d’une augmentation de la densité de la lithosphère. En effet, les roches métamorphiques qui se forment au cours du refroidissement sont plus denses que les roches magmatiques initiales. Le métamorphisme « alourdit » la croûte et l’ensemble de la lithosphère océanique. De plus, si la croûte conserve son épaisseur initiale, l’épaississement du manteau lithosphérique (densité 3,3) augmente peu à peu sa contribution à la densité moyenne de la lithosphère. À partir d'un certain âge, celle-ci dépasse la densité du manteau asthénosphérique ductile (d = 3,25) sur lequel la lithosphère océanique rigide repose en équilibre dynamique. C’est pourquoi l’océan devient de plus en plus profond à mesure que l’on s’éloigne de l’axe de la dorsale en direction des plaines abyssales.

Au niveau des dorsales océaniques, les plaques sont divergentes et de nouvelles portions de lithosphère se forment. Par ailleurs, les fonds océaniques les plus anciens, situés en bordure des océans, n’ont pas plus de 200 millions d’années. Ceci suggère que la lithosphère océanique âgée se résorbe au niveau de zones de convergence, par le phénomène de subduction. D’autres zones de convergence voient s’affronter des plaques lithosphériques continentales, cette convergence étant marquée par la formation de chaînes de montagnes. On précisera ici les marqueurs et les mécanismes des phénomènes de subduction et de collision continentale.1. Des marqueurs de la subductionLa densité moyenne de la lithosphère océanique augmente avec son âge. Après 15 à 20 millions d’années environ, elle devient plus dense que le manteau asthénosphérique. Ce déséquilibre gravitaire n’entraîne néanmoins pas une plongée immédiate dans l’asthénosphère : l’ensemble des matériaux mis en jeu sont à l’état solide, les différences de densité sont faibles, et la portion de lithosphère qui pourrait sombrer est solidaire du continent, beaucoup moins dense. Des accidents tectoniques liés aux mouvements des plaques sont nécessaires pour déclencher la subduction.Une zone de subduction est une frontière de plaques convergentes, au niveau de laquelle une plaque lithosphérique océanique plonge obliquement dans l’asthénosphère sous une autre plaque, océanique ou continentale. La première est qualifiée de plaque subduite, la seconde de plaque chevauchante.Le relief de ces zones est asymétrique : en partant de la plaque subduite, on trouve souvent une fosse océanique profonde de plusieurs kilomètres, puis, sur la plaque chevauchante, des reliefs positifs formant un alignement d’îles volcaniques ou une cordillère parallèle à la ligne de côte, également parsemée de volcans.Les nombreux séismes qui se produisent dans ces zones sont remarquables par la répartition de leurs foyers : les séismes superficiels, souvent violents et dévastateurs, ont leurs foyers principalement localisés dans la croûte de la plaque chevauchante. D’autres séismes dessinent un « plan incliné » qui s’enfonce jusqu’à 700 km de profondeur. L’inclinaison de ce plan, nommé plan de Wadati-Benioff, est variable selon les zones de subduction. La distribution de ces foyers sismiques caractérise le plongement de la lithosphère océanique rigide dans l’asthénosphère ductile.Les anomalies du flux géothermique constatées précédemment à la surface des zones de subduction correspondent en profondeur avec les anomalies thermiques révélées par la tomographie sismique : les isothermes (lignes d’égale température) adoptent une forme remarquable : ils plongent obliquement sous la fosse océanique, confirmant la présence d’un matériau froid (la lithosphère océanique) s’enfonçant dans un matériau chaud (l’asthénosphère).

Chapitre 4 : les zones de convergences

3. L’origine des magmasLes magmas des zones de subduction sont issus de la fusion partielle du coin de manteau situé sous la plaque chevauchante. Pourtant, les températures qui règnent dans ces péridotites ne devraient pas permettre leur fusion partielle, à moins qu’elles soient hydratées. Or, la croûte océanique qui entre en subduction est très hydratée : les basaltes et gabbros qui la composent ont été transformés par les circulations hydrothermales et sont devenus des métabasaltes et métagabbros du faciès « schiste vert », riches en minéraux hydroxylés.En s’enfonçant dans l’asthénosphère plus chaude, la lithosphère océanique se réchauffe lentement tout en étant soumise à une pression croissante. Ce changement de faciès déstabilise les minéraux de la plaque plongeante : ils réagissent entre eux (réactions métamorphiques, à l’état solide) et de nouveaux minéraux, caractéristiques des faciès schistes bleus puis éclogites, se forment.Ces nouveaux minéraux (glaucophane pour le SB, grenat et omphacite pour les éclogites) sont peu ou pas hydroxylés. Ainsi, ces transformations métamorphiques s’accompagnent d’une déshydratation de la croûte océanique en subduction. L’eau libérée remonte et provoque l’hydratation des péridotites du coin de manteau de la plaque chevauchante. Cela rend possible leur fusion partielle, à l’origine des magmas, par abaissement du point de fusion.4. Subduction et convection mantelliqueL’étude des forces qui agissent au niveau d’une plaque océanique montre que l’augmentation de densité est le principal moteur de la subduction. Ce faisant, le panneau de lithosphère en subduction tracte toute la lithosphère océanique située en surface, jusqu’à l’axe de la dorsale. Il provoque les mouvements descendants de la convection mantellique. Ceux-ci participent à leur tour à la mise en place des mouvements ascendants sous la dorsale. La subduction joue donc un rôle essentiel dans l’expansion océanique, et plus généralement dans le mouvement des plaques lithosphériques

2. Le magmatisme des zones de subductionL’activité volcanique des zones de subduction est intense. C’est le cas des rives de l’océan Pacifique (la « ceinture de feu ») ou encore des Petites Antilles. Les nombreux édifices volcaniques présents sur les îles ou dans la cordillère connaissent des éruptions de type explosif particulièrement dangereuses.Ceci s’explique par la richesse en silice (quartz) des magmas formés dans ce contexte. Cette caractéristique rend en effet le magma visqueux, ralentit sa remontée vers la surface et empêche son dégazage progressif. Lorsqu’il atteint la surface, des roches volcaniques se forment, comme l’andésite ou la rhyolite. Mais la plus grande partie du magma refroidit et cristallise dans les profondeurs de la croûte, formant des roches plutoniques de type granitique (granite, diorite, etc.). La diversité de ces roches magmatiques s’explique aussi par la cristallisation fractionnée, qui enrichit le magma en silice à mesure qu’il remonte et refroidit, ainsi que par la contamination des magmas par les roches de la croûte environnante.Malgré la diversité de ces roches, leur composition chimique apparentée indique qu’elles se forment à partir d’un même type de magma, riche en eau. En effet, certains minéraux, comme les amphiboles (hornblende) et les micas (biotite, muscovite), contiennent dans leur formule chimique des groupements hydroxyles (OH) révélateurs de l’hydratation du magma.

5. Collision continentaleLa subduction peut entraîner la fermeture d’un océan et provoquer la collision des continents situés de part et d’autre. Les lithosphères continentales ayant des densités faibles par rapport à la lithosphère océanique et à l’asthénosphère, la subduction ne peut se poursuivre dans les mêmes conditions : la poursuite de la convergence modifie alors considérablement la géométrie des deux continents en collision : un raccourcissement se produit, compensé par un épaississement. Près de la surface, les déformations sont en général cassantes : on voit apparaître des failles inverses. Plus en profondeur, la chaleur permet des déformations plus souples, telles que les plis-failles et les plis. Ces déformations se superposent sur des kilomètres d’épaisseur, contribuant à créer des reliefs.Des déformations de grande ampleur se produisent, de l’échelle kilométrique à l’échelle régionale. Les contraintes compressives peuvent ainsi déplacer sur des dizaines de kilomètres des formations rocheuses, décollées de leur contexte originel et charriées au-dessus d’autres roches, parfois plus récentes. On parle alors de nappes de charriages. L’ensemble de la croûte continentale peut aussi être affecté par des failles majeures, qui conduiront à un empilement d’écailles crustales. Si une partie de cette surépaisseur se retrouve dans les reliefs (4 800 m dans les Alpes, 8 800 m dans l’Himalaya), la majeure partie se retrouve en profondeur. Les images de sismique-réflexion montrent la présence de racines crustales : la croûte continentale sous les plus hautes chaînes de montagnes peut ainsi dépasser 100 km d’épaisseur. Parfois, une véritable subduction continentale entraîne une partie de la croûte, qui passe alors sous l’autre, le manteau lithosphérique accompagnant ce mouvement.Au sein des écailles crustales, les roches subissent un métamorphisme lié à une augmentation de pression et de température. De nouveaux minéraux apparaissent, souvent orientés par les contraintes compressives. On obtient des roches foliées (alternance de lits clairs et sombres), schisteuses (structurées en feuillets parallèles), comme les micaschistes ou les gneiss.Ces déformations se produisent pour la plupart à grande profondeur au sein de la chaîne de collision, mais le jeu de grandes failles et les phénomènes d’érosion peuvent porter ces roches à l’affleurement.

Thème 3 : les écosystèmes

Chapitre 1 : fonctionnement des écosystèmes

2. La diversité des interactions biotiques Au sein d’un écosystème, on observe différents types d’interactions entre populations selon les bénéfices ou les coûts que peuvent tirer ces populations : - Deux populations peuvent entrer en compétition pour la même ressource (ex du chêne et du hêtre qui sont en compétition pour la lumière)- Deux populations peuvent s’associer et tirer un bénéfice réciproque à être ensemble, on parle de mutualisme, et lorsque cette association est durable, de symbiose (ex des mycorhizes qui associent un champignon et une plante)- Un organisme peut en exploiter un autre, on peut citer le cas des prédateurs ou des parasites qui exploitent leurs proies ou leur hôte.Ces interactions structurent la biocénose de l’écosystème en modifiant la valeur sélective des organismes impliqués.

1. Vers une définition de l’écosystème Un écosystème est composé d’êtres vivants en interaction (la biocénose) et de leur milieu de vie (le biotope) ainsi que des interactions entre ces deux entités (échanges de matières et transferts d’énergie). Le milieu contient les ressources indispensables au fonctionnement et au développement des organismes vivants.Les écosystèmes sont des structures dynamiques qui se modifient au cours du temps d’une manière ordonnée jusqu’à une formation en équilibre avec le milieu dans les conditions définies par le climat. Cet état d’équilibre est appelé stade climacique (ou climax). Des perturbations peuvent modifier cette dynamique de succession ordonnée et prévisible mais la capacité de résilience de l’écosystème lui permet ensuite de reprendre son évolution.

3. Les flux de matière et d’énergieChaque organisme de la biocénose assure un rôle précis dans le fonctionnement de l’écosystème. Les producteurs primaires sont des organismes capables de convertir la matière minérale en molécules organiques en présence d’énergie. Ainsi, grâce à la lumière, les végétaux chlorophylliens produisent de la matière organique à partir du CO2 atmosphérique. C’est la photosynthèse.Les consommateurs utiliseront cette matière organique afin de produire, d’une part l’énergie nécessaire à leur fonctionnement, et d’autre part leurs propres molécules. C’est le plus souvent au cours de la respiration cellulaire que se fait cette production d’énergie. Ainsi, l’énergie solaire est convertie en énergie de fonctionnement au sein de la biocénose.Les réseaux trophiques se mettent ainsi en place : les producteurs primaires sont consommés par les phytophages et un vaste réseau de prédateurs et de proies se met en place, modulé par des parasites.Une part de la matière organique est recyclée : certains organismes du sol sont spécialisés dans la dégradation des déchets organiques, ce sont les décomposeurs. Par leur action, ils reminéralisent la matière organique.

4. Impact du fonctionnement de l’écosystème sur le cycle biogéochimique du carboneLes différentes composantes d’un écosystème peuvent être considérées comme des réservoirs de carbone. La biomasse, les sols forestiers et l’atmosphère sont des puits de carbone. Des transferts entre ces réservoirs existent : il s’agit de flux qui dépendent généralement de l’activité de la biocénose. Les producteurs primaires soustraient du carbone à l’atmosphère alors que les consommateurs en relarguent. Le sol est un réservoir capable de stocker le carbone de la biosphère et d’en produire vers l’atmosphère. Les écosystèmes prennent part à d’autres cycles biogéochimiques d’importance comme ceux de l’azote et du phosphore.

Chapitre 2 : Les services écosystémiques et leurs gestions

1. Les écosystèmes au service de l’humanitéLes écosystèmes assurent des fonctions et offrent des avantages que l’être humain utilise gratuitement. On parle de services écosystémiques. En prenant l’exemple de l’écosystème forestier, l’humain bénéficie de :- Services d’approvisionnement : la sylviculture est une activité réalisée à partir des ressources forestières. L’être humain récolte le bois, le transforme et génère du profit. Il chasse le gibier, cueille les champignons et se procure ainsi des denrées alimentaires.- Services de régulation : un milieu boisé régule la température, assainit l’air, coupe le vent. Certaines villes ont compris que planter des arbres pourrait améliorer la qualité de vie de ses habitants en générant des îlots de fraicheur. Par l’implantation de petits écosystèmes forestiers, le bénéfice pour l’espèce humaine à lieu à l’échelle locale et individuelle, mais aussi à l’échelle globale en stockant du carbone et en diminuant le réchauffement global à long terme.- Service de culture : la forêt est un lieu propice à la promenade et aux activités sportives et artistiques, et c’est un atout pour l’activité touristique.Par ces services, on comprend que l’être humain est en interaction permanente avec les écosystèmes et que le bien-être de l’espèce humaine dépend de ces écosystèmes.

3. L’être humain, acteur de la protection des écosystèmesL’espèce humaine fait partie intégrante des écosystèmes qu’elle a colonisés. Elle y est en interaction avec la biocénose et le biotope. Par la connaissance scientifique des écosystèmes (l’écologie), il convient donc de mettre en place une gestion rationnelle des ressources exploitables, assurant à la fois l’activité économique et un maintien des services écosystémiques, et la biodiversité en place. La monétarisation des services écosystémiques fait encore débat mais apporte des arguments économiques à la sauvegarde de la biodiversité.C’est dans cet optique que l’être humain manipule, modifie ou répare les écosystèmes. On distingue ainsi les actions d’évitement et de conservation biologique, qui interviennent en prévention des perturbations anthropiques, et les actions de réduction des impacts d’activités ou de restauration des écosystèmes. L’ensemble de ces techniques relèvent de l’ingénierie écologique.Les écosystèmes ne sont pas figés et évoluent au fil du temps. Ils subissent sans cesse des perturbations naturelles qui font partie de leur dynamique. Suite à un incendie par exemple, une forêt est capable d’évoluer vers un état homologue à l’état initial. C’est la résilience. L’être humain étudie ces mécanismes et agit pour favoriser les processus et la dynamique naturelle dans des écosystèmes dégradés.

2. L’être humain, perturbateur des écosystèmesEn profitant des services écosystémiques, l’être humain affecte le fonctionnement des écosystèmes. En effet, l’exploitation intensive des ressources (déboisement par exemple) a de multiples conséquences.A l’échelle locale, la disparition de l’écosystème peut entrainer une fragmentation et/ou destruction des habitats, modification du biotope local.A l’échelle globale, la perte de certaines espèces (ex des végétaux chlorophylliens) peut perturber les grands cycles biogéochimiques (ex du carbone) et contribue ainsi à la modification du climat.L’introduction d’espèces exotiques, qualifiées d’invasives par l’abondance relative qu’elles atteignent dans l’écosystème au détriment des espèces endémiques ou encore la pollution chimique sont deux exemples de conséquences négatives des activités humaines.La plupart des écosystèmes sont impactés, ce qui conduit à une perte mondiale de biodiversité mais également à des nuisances pour l’être humain. Les services écosystémiques ne sont plus assurés et la production diminue, des maladies se développent …

Exemple d'excercice 1

La dynamique des écosystèmes Les écosystèmes sont des structures dynamiques qui se modifient au cours du temps. Expliquer pourquoi on peut qualifier les écosystèmes de structures dynamiques. 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 ...

Thème 4 : le système immunitaire

Aides

PDF : en PASS, les SVT c'est rattrapables

Orientation

Exercice type 1

Exercice type 2

ECE