Cours SVT Terminale PDF

Thème 1 : La Terre, la vie et l’évolution du vivant. Partie B : A la recherche du passé géologique de notre planète Chapitre 1 : Le temps et les roches Introduction : La géologie est la science qui étudie la Terre et les roches qui la composent....

Thème 1 : La Terre, la vie et l’évolution du vivant. Partie B : A la recherche du passé géologique de notre planète Chapitre 1 : Le temps et les roches Introduction : La géologie est la science qui étudie la Terre et les roches qui la composent. La datation des événements géologiques a commencé historiquement par une lecture des traces observables dans les roches (couches, plis, failles, fossiles…). Les géologues ont pu ainsi reconstituer un ordre de succession en datant les événements les uns par rapport aux autres. Ce n’est que beaucoup plus récemment que cette datation relative a pu être complétée par une datation absolue. L’ensemble de ces méthodes permet de reconstituer l’histoire de la Terre et de construire l’échelle de temps géologiques. Celle-ci est mise à jour régulièrement par les découvertes de nouveaux fossiles ou de nouveaux affleurements. Comment obtenir des informations sur l’âge des structures géologiques ? I- Les principes de datation relative TP 1 : Datation relative La chronologie relative consiste à établir une succession d’événements géologiques. Cette méthode peut être appliquée à différentes échelles (lame mince, affleurement, roche). Elle fait appel à des principes basés sur des relations géométriques entre les formations géologiques ainsi qu’à l’observation des fossiles inclus dans les roches sédimentaires. Principe d’actualisme : tout phénomène biologique et géologique passé répond aux mêmes lois que les mêmes phénomènes biologiques et géologiques actuels Principe de superposition : concerne toutes les structures se formant par dépôts successifs (roches sédimentaires, produit volcanique…). Une couche est plus récente que celle qu’elle recouvre. Attention si nappe de charriage. Principe de continuité : une strate a le même âge en tout point même si la continuité de cette strate peut être arrêtée sur une courte ou longue distance Principe de recoupement : toute structure qui en recoupe une autre lui est postérieure (Ex : métamorphisme, plis, failles, érosion, filon volcanique…)  Principe d’inclusion : toute inclusion est plus ancienne que la structure qui l’entoure (fossile, minéral, zircon dans biotite) Principe d’identité paléontologique : certaines espèces fossiles ont vécu durant de brèves périodes, dans des zones étendues géographiquement et présents en grandes quantités->permet de déterminer un bon fossile stratigraphique. Ainsi, deux strates qui renferment la même association de fossiles stratigraphiques ont le même âge. II- Les fossiles : des outils de découpage de l’échelle chronostratigraphique TD 1 : Fossiles : outils de chronologie relative L’étude des roches sédimentaires a permis de découper l’histoire de la Terre en grandes ères, période et étages. Chaque découpage est défini par des roches particulières et des associations de fossiles spécifiques. La séparation entre ces découpages est marquée par la disparition brutale de certains fossiles suivie de l’apparition très rapide d’autres fossiles. La superposition des intervalles de temps aboutit à l’échelle chronostratigraphique. (Ex : secondaire au tertiaire : 5eme grande crise biologique : disparition des dinosaures, ammonites, globotruncana et apparition de globigérines et explosion des mammifères). III- Datation absolue a. Le principe général TP 2 : La chronologie absolue La radiochronologie permet de dater plus précisément les roches/fossiles en se basant sur les propriétés de la désintégration radioactive. Un isotope radioactif est instable et se désintègre en isotope radiogénique en suivant une loi exponentielle décroissant : Pt=P0*e^- λt Avec : Pt : le nombre d’éléments pères à l’instant t P0 : le nombre initial d’éléments pères Λ : la constante de désintégration radioactive (en an-1). Diffère pour chaque couple. Cette réaction se déroule à une vitesse propre à l’isotope considéré et correspond à λ. A partir de cette vitesse, on peut également définir la demi-vie T qui correspond à la durée nécessaire pour que 50% des éléments pères soient dégradés. Les éléments pères et fils n’ont pas la même masse et peuvent donc être dosé à l’aide d’un spectromètre de masse. Cette mesure des proportions d’éléments pères restants et d’éléments fils produits permet de calculer depuis combien de temps se déroule la désintégration au sein de l’échantillon. La datation peut être réalisée sur divers échantillons (sauf roches sédimentaires). L’âge obtenu correspond à la fermeture du système : Roche magmatique : cristallisation du magma Roche métamorphique : début du métamorphisme Être vivant : mort On ne peut pas appliquer la loi de décroissance directement car on ne connait pas P0 et les éléments fils présents au départ. On utilise des rapports et un isotope stable proche du couple étudié pour contrer cela. Le choix de la méthode appliquée dépend de l’âge estimé de l’échantillon et de sa nature chimique. b. L’utilisation de radiochronomètres TP 2 : La chronologie absolue La méthode Rb/Sr : la méthode des isochrones Cette méthode donne un âge avec une précision de l’ordre de 10Ma. Elle est particulièrement adaptée pour la datation des roches de la croûte continentale (granite). Aux cours de la formation des roches magmatiques ou métamorphiques, du Rubidium est intégré à certains minéraux (biotite). Le 87Rb se désintègre en 87Sr. L’élément stable utilisé est le 86Sr. La quantité de 87Rb initialement présente est différente pour chaque minéral, donc 87Rb/87Sr est différent selon le minéral utilisé. Ce rapport va diminuer puisque 87RB se désintègre. Le rapport 87Sr/86Sr initial est identique pour tous les minéraux. Ce rapport va augmenter au cours du temps puisque 87Sr va se former.  Les points donnés par les rapports 87Rb/86Sr et 87Sr/86Sr restent alignés et forment une droite isochrone. Cette droite présente une pente d’autant plus importante que le temps est important. Ainsi, en mesurant les quantités d’isotopes, on peut réaliser la droite isochrone et avoir accès au coefficient directeur. Ce dernier nous donne accès au temps par le biais de cette formule : t=ln(a+1)/λ Avec : - t : âge de l’échantillon - a : pente de l’isochrone - λ : constante de désintégration radioactive : 1.42*10^-11 pour Rb/Sr - ln : logarithme népérien Pour la croûte océanique, on utilise une variation basée sur le même principe : la méthode Sm/Nd TD2 : Autres radiochronomètres La méthode U/Pb : la méthode Concordia Il est également possible de déterminer l’âge d’objets plus anciens avec la méthode Uranium/plomb. Dans ce cas, 238U se désintègre en 206Pb et le 235U en 207Pb. On construit alors un graphique présentant les variations des rapports 206Pb/238U en fonction de 207Pb/235U. Cela produit une courbe, appelée Concordia (concordance des rapports Pb/U). Sur cette courbe, on connait des âges précis. Il suffit donc de déterminer les rapports Pb/U et de placer le point sur la Concordia pour lire l’âge de l’échantillon. Cette méthode est particulièrement adaptée pour des échantillons anciens (entre 0.5 et 5Ga) La méthode K/Ar Dans certains cas, il est nécessaire d’utiliser la méthode potassium/argon qui se base sur la désintégration de l’isotope radioactif 40K en isotope radiogénique 40Ar. La demi-vie étant de 1.26Ga, elle s’applique aux roches continentales. Dans ce cas, on mesure la concentration des deux éléments mais on ne rapporte pas ces concentrations à des standards. On obtient donc l’âge par le calcul suivant : t=ln(1+40Ar/40K)/λ Il est aussi possible de trouver l’âge en utilisant un graphique illustrant l’évolution du rapport 40Ar/40K en fonction du temps. Chapitre 2 : Les traces du passé mouvementé de la Terre Introduction : La Terre est constituée de la lithosphère océanique qui ne dépasse pas les 200 Ma et de la lithosphère continentale dont les roches peuvent atteindre les 4 Ga. Ceci s’explique par la faible densité de la lithosphère continentale qui demeure principalement en surface. Cependant, elle subit de nombreuses transformations dues à l’activité interne de la Terre. Comment l’histoire de la Terre est-elle retracée I- Rappel sur les limites de plaques La lithosphère représente l’enveloppe rocheuse rigide externe de la Terre. Elle se compose de la croûte (océanique ou continentale) additionnée du manteau lithosphérique. La lithosphère o et la lithosphère c ont des densités différentes, essentiellement dues à une composition différente des croûtes (gabbro et basalte pour la co et granite pour la cc). Cette enveloppe repose sur une enveloppe ductile, l’asthénosphère. La lithosphère est en mouvement, en liaison avec les courants de convections plus profonds (mais pas que). La lithosphère se crée, et se recycle au gré de ces mouvements dont les limites sont caractéristiques : - Zone de divergence : sismiquement et volcaniquement actives. Elles caractérisent les dorsales et leur rift. Le magma d’origine mantellique émis au niveau de la dorsale refroidit et cristallise pour former deux types de roches : gabbro et en basalte en coussin. Le gabbro en s’éloignant de la dorsale va s’hydrater et former de nouvelles roches de type métamorphiques comme le métagrabbro à hornblende et le métagrabbro à chlorite (métamorphisme hydrothermal) - Zone de convergence : sismiquement actives. Elles caractérisent les rencontres de plaques. Deux limites de plaques existent : 1. Zone de subduction : résultat de la rencontre entre deux lithosphères o ou une lo et une lc. Une lithosphère plus dense coulisse sous une lithosphère moins dense. La déshydratation des roches océaniques par métamorphisme de HP BT (formation métagrabbro à glaucophane et éclogite) entraine  une hydratation du manteau sous-jacent et sa fusion partielle générant ainsi un volcanisme explosif en surface. 2. Zone de collision : résultat de la rencontre entre deux lc qui aboutit à la formation d’une chaine de montagne. Il n’y a pas de volcanisme associé II- Types de chaines de montagnes TP3 : Cartographie et orogénèse Alpine. Partie 1 : Se familiariser avec la carte L’orogénèse est la formation de chaines de montagnes résultant de la collision de plaques lithosphériques continentales (attention, la cordillère des Andes résulte de la déformation de la croûte continentale au niveau d’une zone de subduction). Les chaines de montagnes formées au cours d’une même orogénèse dessinent un alignement appelé ceinture orogénique. Les ceintures orogéniques récentes, comme l’Alpine, qui comprend les Alpes, l’Atlas, les Balkans, le Caucase et l’Himalaya, sont facilement visibles en surface par : - Leurs reliefs très marqués - Les roches (notamment les sédiments) qui conservent les traces de la collision (failles inverses, plis, chevauchements) Les ceintures orogéniques anciennes sont marquées par l’érosion mais des indices sont observables : - Des roches métamorphiques issues des déformations liées aux forces de compression - Des roches magmatiques mises en place dans les profondeurs de la chaine de montagne (puis exhumées par l’érosion) - Relief faible Un cycle orogénique correspond à l’ensemble des mécanismes de formation, puis de disparition d’une chaine de montagne. En France, on observe 2 orogénèses principales : - L’Alpine, collision débutée il y a environ -35Ma - L’Hercynienne= la Varisque visible dans le Massif central, le Massif armoricain et les Vosges, qui date de -420Ma à -250Ma  III- L’histoire orogénique La paléogéographie a pour objet d’étude la reconstitution de la géographie passée de la Terre au cours de sa longue histoire. La formation d’une chaine de montagne est un événement cyclique, en lien avec la tectonique des plaques : - Formation d’un rift continental (divergence) - Formation d’un rift océanique et océanisation (divergence) - Entrée en subduction de l’océan (convergence) - Collision de deux plaques continentales et obduction de fragments de la lithosphère océanique (=chevauchement d’une croute océanique sur une croute continentale) et donc formation d’ophiolites - Erosion et formation d’une plaine fracturée - Formation d’un nouveau rift continental… Ces phénomènes cycliques correspondent à un cycle orogénique ou cycle de Wilson. A l’échelle du globe, il y a donc des alternances de formation de chaines de montagnes et de supercontinents (Pangée il y a 300Ma) puis leur éclatement par un phénomène de rifting et d’océanisation. IV- Les indices de la fragmentation des continents et du début de l’océanisation TP4 : La naissance d’un océan L’océanisation commence par : - Une fragmentation continentale ou rifting due à des mouvements de divergence - La naissance d’un océan - La croissance de l’océan Lors de la première phase d’océanisation, des rifts continentaux sont formés. Ils présentent des caractéristiques qui témoignent d’une déchirure de la lithosphère continentale : - La présence d’un fossé d’effondrement  - La présence de blocs basculés découpés par les failles normales. Si le mouvement de divergence se poursuit, l’amincissement de la lithosphère s’accompagne d’une remontée de l’asthénosphère à l’origine d’un soulèvement des bords du rift et d’un magmatisme au niveau de la zone axiale formant la dorsale. Le magma cristallisant en surface formera des basaltes en coussin, ou en profondeur formera des gabbros. De nombreux séismes superficiels sont la conséquence à la fois des mouvements le long des failles normales et de la déformation des chambres magmatiques. Par ailleurs, l’eau envahit peu à peu et finit par immerger totalement la vallée. L’eau et le volcanisme sont à l’origine d’un métamorphisme hydrothermal puissant qui va modifier les roches magmatiques. Le nouveau plancher océanique en expansion éloigne peu à peu les deux moitiés de l’ancien rift continental. Chaque demi-rift constitue alors une zone de transition entre domaine océanique et domaine continental au sein d’une même plaque lithosphérique. Ces marges continentales sont appelées marges passives (inactives sismiquement et volcaniquement). Les marges passives présentent une sédimentation particulière : - Sédiments antérifts : ce sont les sédiments mis en place avant les mouvements. Autrement dit, ils sont affectés au même titre que le socle par les failles et l’effondrement des blocs - Sédiments synrifts : ce sont les sédiments se mettant en place pendant les mouvements. Leur allure est en éventail caractéristique le long des failles - Sédiments postrifts : ce sont les sédiments mis en place après les mouvements. Ils ne sont pas affectés par les mouvements V- Les indices d’un ancien océan TP3 : Cartographie et orogénèse Alpine. Partie 2 Les ophiolites sont des fragments de la lithosphère océanique observables à la surface d’un continent. Elles forment en général des assemblages ordonnés de roches lithosphériques : à la base, péridotites surmontées de gabbros, puis de basaltes et parfois d’une couche sédimentaire. Les ophiolites présentent souvent des roches issues d’un métamorphisme hydrothermal (péridotite serpentinisée, métagabbro à hornblende ou à chlorite) Les ophiolites sont interprétées comme des fragments d’un ancien océan aujourd’hui refermé. Ces morceaux de lithosphère océanique ont été coincés entre les deux continents convergents. Elles forment une zone de suture entre les deux blocs. Rq : océan alpin daté par Sm/Nd d’après les gabbros et aux fossiles marins : formation vers 150Ma, disparu vers 50Ma VI- Les indices d’une zone de subduction TP3 : Cartographie et orogénèse Alpine. Partie 2 La subduction correspond à la plongée d’une lithosphère océanique froide sous une autre plaque lithosphérique (océanique ou continentale). La plongée de la lithosphère est permise par son augmentation de densité liée principalement à son âge (refroidissement et métamorphisme des gabbros). Le métamorphisme des zones de subduction est de type HP- BT. Les roches métamorphiques observées pourront être des métagabbros à glaucophane et des éclogites. Les transformations successives des métagabbros : Le faciès amphibolite : le gabbro formé au niveau de la dorsale s’en éloigne et subit alors une hydratation (métamorphisme hydrothermal) permettant la formation de minéraux caractéristiques : la hornblende (Hb, amphibole verte) Le faciès des schistes verts : l’hydratation de la lithosphère se poursuit et permet la formation de nouveaux minéraux hydratés comme la chlorite et l’actinote Le faciès des schistes bleus : lors de la subduction, l’augmentation de la pression et de la température font apparaitre des minéraux tels que le glaucophane Le faciès des éclogites : si l’enfoncement continue, on passe alors à un faciès éclogite caractérisé par la présence de grenat et de jadéite Dans les Alpes, on a pu constater que les métagabbros ont une localisation précise : les schistes verts sont à l’ouest, puis les schistes bleus sont présents au centre et les éclogites à l’est, au cœur de la chaine. Ceci permet d’identifier que la subduction de l’océan Alpin s’est faite vers l’est : la plaque européenne plongeait sous la plaque africaine  Thème 2 : Enjeux contemporains de la planète. Partie B : Les climats de la Terre : comprendre le passé pour agir aujourd’hui et demain Chapitre 1 : Les variations climatiques pendant le Quaternaire I- Outils et indices permettant de retracer les variations climatiques Tout indicateur climatique à ses limites spatio-temporelles. Ainsi, il faut fonder l’étude des climats passés sur un ensemble d’indices a. Les indices paléoécologiques TP 6 : Etude des pollens Les peintures rupestres dans les grottes nous donnent des indications sur le type de faune habitant ces régions. La faune vit selon ses exigences écologiques. Ex : grotte Cosquer-> pingouins, environ 18000 ans, grotte Chauvet-> bisons, ours des cavernes, environ 36000 ans=climat froid On peut utiliser la végétation du passé comme indicateur du paléoclimat en étudiant les grains de pollen dont la morphologie est caractéristique de l’espèce. Les espèces végétales possèdent des exigences écologiques. Ainsi, l’association de diverses espèces donne des indications de température et d’hygrométrie. Ces associations sont déterminées par l’étude des grains de pollen piégés et conservés dans certains sédiments (tourbe). Grâce à l’identification et au dénombrement des grains dans différents niveaux d’une carotte sédimentaire, on peut établir un diagramme pollinique. b. Les indices géologiques Les reconstitutions du passé sont basées sur le principe d’actualisme. Ainsi, dans le passé, les glaciers façonnent les paysages qui gardent longtemps après leur retrait et leur fonte des traces de leur passage : - Vallée en U - Roches striées - Roches moutonnées - Blocs erratiques - Moraines  c. Les indices atmosphériques Les calottes glaciaires au Pôles nous donnent accès aux climats du passé. Lors de leur formation, la neige accumulée emprisonne des bulles d’air contenant la teneur en gaz de l’atmosphère. En réalisant des carottes glaciaires, il est possible d’étudier les gaz emprisonnés. Ce sont les gaz à effet de serre qui nous donnent une information sur la température du passé. Ces gaz ont montré une alternance entre climats chauds (environ 10 000 à 20 000 ans) et climats froids (environ 80 000 ans) durant les 800 000 dernières années. d. Les thermomètres isotopiques TP 5 : Thermomètre isotopique-Partie 1 Les calottes glaciaires aux Pôles accès aux climats du passé en étudiant l’eau formant la glace. L’eau H2O est un mélange entre H2 16O et H2 18O, mais 16O est plus abondant car plus léger et donc plus stable que 18O. L’analyse de la glace polaire permet d’évaluer les changements de composition des isotopes 18O/16O de l’atmosphère. Les températures du passé peuvent être retrouvées grâce à des thermomètres isotopiques construits sur l’évolution de la composition en isotopes d’oxygène de l’eau ou de la glace. Pour cela on calcule delta18O. Aujourd’hui, on constate expérimentalement que le delta 18O de la neige varie avec la température. Plus la température est basse, plus le delta 18O est faible. La mesure du delta 18O de la glace permet donc d’estimer la température au moment de la chute de neige correspondante en comparant avec les valeurs actuelles. En période froide, l’évaporation est faible. Il y a donc essentiellement du 16O qui s’évapore et se retrouve dans les nuages. Il y a beaucoup de 16O par rapport au 18O dans les nuages. Ainsi, le delta 18O des nuages est très faible. Le 18O se condense en 1er, et va tomber sous forme de pluie lors de précipitations en basse latitude. Quand le nuage arrive aux pôles, il n’a quasiment que du 16O à précipiter, le delta 18O des glaces est donc très faible. En période chaude, l’évaporation est forte. Il y a donc toujours essentiellement du 16O qui s’évapore mais aussi du 18O. Le nuage est donc plus chargé en 18O qu’en 16O et le delta 18O du nuage est plus élevé en période chaude qu’en période froide. En arrivant aux pôles, le nuage relargue du 16O mais aussi du 18O puisqu’il en contient. Ainsi, le delta 18O de la glace sera plus élevé qu’en période froide. e. L’apport des foraminifères TP 5 : Thermomètre isotopique-Partie 2 Les foraminifères sont des organismes abondants, unicellulaires aquatiques qui fabriquent une sorte de coquille calcaire : le test. Le test est formé de plusieurs loges et ouvert au niveau d’un orifice : le foramen. Après leur mort, ces tests tombent au fond de l’océan et s’accumulent dans les sédiments. Tout d’abord, certaines espèces de foraminifères vivent à une certaine température. Ainsi, l’identification et la répartition des espèces des foraminifères nous donnent une indication sur la température de l’eau. D’autre part, les tests calcaires des foraminifères de grande profondeur (=foraminifère benthique) des sédiments océaniques sont formés à partir d’ions contenant des isotopes d’oxygène 18O/16O. Les scientifiques étudient ces foraminifères benthiques car la température de l’eau profonde est plus stable que celle de surface. La proportion des isotopes 18O/16O varie comme celle dans les océans. Ainsi, le delta 18O des tests carbonatés évolue comme celui des eaux océaniques, et donc à l’inverse de celui des glaces polaires. L’évolution du delta 18O des tests de foraminifères mesuré dans les carottes de sédiments nous permet de déduire les fluctuations du volume des calottes glaciaire et donc les variations climatiques au cours du temps. Si la température diminue, le volume des calottes glaciaires augmente donc le niveau marin diminue : l’eau stockée sous forme de glace est pauvre en 18O et donc l’eau de mer est enrichie en 18O. Le delta 18O est donc élevé. Si la température augmente, le volume des calottes glaciaires diminue donc le niveau marin augmente : l’eau de mer est enrichie en 16O. Le delta 18O est donc faible II- Variations du climat au Quaternaire (-2.5Ma à aujourd’hui) Les données obtenues par différentes méthodes sont cohérentes et permettent de retracer les climats au Quaternaire. Durant les 800 000 dernières années, les indices font apparaitre des cycles d’environ 100 000 ans. Les périodes glaciaires durent environ 80 000 ans et les périodes interglaciaires durent entre 10 000 et 20 000 ans. Entre - 1.2Ma et -2.5Ma, les cycles sont plus courts et durent environ 40 000 ans. La fin du Pléistocène, allant de -120 000 ans à -11 000 ans est une période glaciaire, tandis que l’Holocène est une période interglaciaire. III- Origines des variations climatiques Pour expliquer les cycles glaciaires et interglaciaires des derniers 800 000 ans, un astronome, Milankovic, annonce une théorie basée sur des variations périodiques des paramètres orbitaux de la Terre : - L’excentricité ; l’orbite de la terre à tantôt une forme elliptique, tantôt une forme circulaire. Cette orbite varie tous les 100 000 ans. Plus la forme est circulaire, moins l’intensité des saisons est marquée. La température moyenne diminue donc, l’été est frais et les glaces ne fondent pas. - L’obliquité correspond l’inclinaison de la Terre par rapport au plan écliptique. L’angle d’inclinaison varie en 22° et 24.5°, ce qui influence la répartition de l’énergie solaire reçue. Plus l’angle d’inclinaison est faible, moins les saisons sont marquées. La température moyenne diminue donc, favorisant ainsi la glaciation. L’inclinaison change en suivant des cycles de 40 000 ans - La précession des équinoxes : la position de la Terre sur l’ellipse à un moment donné change au cours du temps. On cherche à savoir si, au solstice d’été, la Terre est plus ou moins proche du soleil. Cela change en suivant des cycles de 20 000 ans et fait varier l’intensité de l’énergie solaire reçue et donc les saisons. Ces 3 paramètres jouent sur la répartition de l’énergie solaire reçue sur la Terre et donc sur l’intensité des saisons. Afin de favoriser une période de glaciation il faut que l’angle d’inclinaison soit faible, que la Terre soit loin du soleil et que l’orbite soit quasiment circulaire. IV- Phénomènes amplificateurs L’albédo correspond au rapport entre l’énergie réfléchie et l’énergie reçue. Plus sa valeur (comprise entre 0 et 1) est élevée, plus la surface réfléchie l’énergie (ex : neige et glace : 0.9). Ainsi, les variations de la surface des glaces terrestres contribuent à faire varier l’albédo (environ 0.3 aujourd’hui). La surface des glaces diminue à cause du réchauffement climatique (-60% de la calotte Arctique). L’albédo diminue donc, ce qui fait augmenter la fonte et donc la température. La solubilité du CO2 dans les océans. L’augmentation de la température entraine la diminution de la solubilité du CO2 dans les océans. Le dégazage du CO2 est donc plus important, ce qui fait augmenter la température de l’atmosphère et, par conséquent, des océans. La circulation atmosphérique et océanique. Les courants tendent à redistribuer l’énergie thermique (de l’équateur vers les Pôles si chaud, et inversement si froid) Les courants limitent les écarts de température entre l’équateur et les Pôles, atténuant ainsi les variations du climat. Si un réchauffement ou un refroidissement a lieu, les courants sont modifiés, ce qui impacte les climats locaux (Ex : golf Stream) La photosynthèse réalisée par les phytoplanctons océaniques. Lors d’une période froide, la photosynthèse est très élevée, la quantité de CO2 diminue donc. La surface continentale a peu de végétation et est donc soumise à l’érosion. Des minéraux se forment, se déversent dans les océans et sont mangés par les phytoplanctons.  Chapitre 2 : Les variations climatiques lors des cinq derniers millions d’années I- Les indices pour reconstituer les climats passés a. Les indices géologiques Les scientifiques vont essayer de reconstituer la position et l’étendue des paléoceintures en étudiant les roches. Les indices d’un climat chaud et humide sont : La formation de bauxites, issues de l’altération de roches contenant beaucoup d’aluminium. Cette altération se fait grâce à une forte pluviométrie et une température de 25°C La présence de charbon, qui montre une ancienne production de matière organique très importante et donc la présence d’une ancienne forêt tropicale L’indice d’un climat chaud et sec est : La formation d’évaporites, qui se forment lors d’une forte évaporation, par précipitation des ions Les indices d’un climat froid sont : La formation de tillites, qui se forment par compaction et cimentation de sédiments issus de l’érosion glaciaire La formation de charbon : la matière organique se fossilise et le carbone est emprisonné dans la lithosphère b. Le thermomètre isotopique des foraminifères Voir chapitre 1 climato c. Les indices donnés par la végétation L’étude des pollens. Voir chapitre 1 climato Fossiles de feuilles : calcul de l’indice stomatique (le nombre de stomates présents sur les cellules de l’épiderme de la feuille). Ce dernier est corrélé au taux de CO2 atmosphérique. Plus le taux de CO2 est important, moins il y a de stomate et donc plus l’indice stomatique est faible. On utilise, par exemple, les feuilles de Gingko.  d. L’étude de la paléogéographie Reconstituer la position des continents et des courants océaniques permet d’avoir accès aux paléoceintures climatiques grâce à 3 éléments : Le calcul de la vitesse d’expansion océanique, qui renseigne sur l’activité magmatique des dorsales. Plus la vitesse est élevée, plus l’activité volcanique est importante et donc plus il y a de CO2 relargué La formation de grandes chaines de montagne : l’étude de l’altération des roches renseigne sur la quantité de CO2 atmosphérique. Plus la chaine de montagne est grande, plus l’érosion est importante et donc plus il y a de CO2 consommé Les courants océaniques qui favorisent ou non la glaciation en fonction de la position des continents II- Le refroidissement au cours du Cénozoïque Le Cénozoïque correspond à la dernière grande ère géologique, couvrant les 65 derniers millions d’années. Après une brève période chaude, les 50 derniers millions d’années sont marqués par un refroidissement progressif aboutissant aux glaciations du Quaternaire. Les scientifiques pensent que ce refroidissement est causé par : La mobilité des plaques tectoniques qui impactent le cycle géochimique du carbone. Au début du Cénozoïque, les orogénèses provoquées par la réunion de blocs continentaux ont donné naissance aux chaines de montagnes : Alpes, Pyrénées, Himalaya. Cette collision fait apparaitre des roches silicatées (comme le granite et le gneiss) qui vont subir une altération. L’altération des silicates est une réaction consommatrice de CO2, diminuant ainsi l’effet de serre. La mobilité des plaques tectoniques qui impacte la modification des circulations océaniques. La fermeture d’un vaste domaine océanique centré sur l’équateur aurait entrainé la disparition d’un courant chaud intertropical jouant le rôle de pompe à chaleur pour le globe. Par ailleurs, l’isolement de l’Antarctique aurait favorisé la circulation de masses d’eaux froides favorisant la glaciation de l’Antarctique et donc augmentant l’albédo et donc un refroidissement global. III- Le Crétacé au cours du Mésozoïque : une période chaude  Au Mésozoïque, pendant le Crétacé (-135 à -65MA), les variations climatiques se manifestent par une tendance à une hausse de température à la surface du globe. La reconstitution des paléoceintures climatiques montrent des climats chauds à des latitudes élevées et l’absence de dépôts glaciaires. Les indices stomatiques montrent une quantité de CO2 importante dans l’atmosphère, qui aurait entrainé une augmentation de l’effet de serre. Ce taux élevé de CO2 s’expliquerait par l’augmentation de l’activité des dorsales. En l’occurrence, on observe l’ouverture de l’océan Atlantique avec un taux d’expansion océanique très important. Ceci aurait entrainé une activité magmatique importante et donc un relargage important de CO2. IV- La glaciationCarbonifère-Permien au cours du Paléozoïque Au Paléozoïque, des indices paléontologiques et géologiques révèlent une importante glaciation au Carbonifère-Permien (-360 à -250MA). En Europe, la formation de grands gisements de charbon lors du Carbonifère témoigne d’un climat chaud et humide. Mais attention, la région est située en zone équatoriale. La reconstitution des paléoceintures climatiques montrent un climat globalement froid avec un taux de CO2 atmosphérique très faible qui aurait diminué l’effet de serre. Ceci serait causé par : - L’altération de la chaine Hercynienne située en zone équatoriale consommatrice de CO2 - La fossilisation importante de matière organique (grands gisements carbonés) consommatrice de CO2. Le carbone est piégé sous forme de charbon dans des bassins sédimentaires en périphérie de la chaine Hercynienne. - La modification des courants océaniques et atmosphériques. Les circulations, se réalisant autour d’un supercontinent, la Pangée, auraient favorisé l’installation d’un climat continental froid.  Chapitre 3 : Le changement climatique actuel Le réchauffement climatique actuel est démontré par de nombreux scientifiques et de nombreuses organisations : le GIEC (groupement intergouvernemental d’étude du climat), la NASA et même des groupes comme Google. Le réchauffement est de l’ordre de 1 à 1,2°C depuis 1880. En 2020, le taux de CO2 était de 411ppm, un record très au-delà de tous les enregistrements au sein des calottes glaciaires. L’augmentation du taux de CO2 est en lien avec le développement des sociétés humaines : on parle d’apports anthropiques. Comment évaluer l’impact de l’augmentation du taux de dioxyde de carbone d’origine anthropique ? Comment s’adapter aux risques liés au réchauffement climatique ? I- Le consensus scientifique et la prise de conscience a. Un bilan chiffré très inquiétant L’utilisation combustibles fossiles augmente de manière significative la concentration de CO2 atmosphérique et donc la température à la surface de la Terre. En 1988, le GIEC est créé afin d’évaluer l’ampleur et les conséquences du réchauffement climatique. Ce groupement scientifique a déjà produit 6 rapports (le dernier en mars 2023) qui dressent un bilan tranché dès ses premiers rapports : - L’émission de gaz à effet de serre ne cesse d’augmenter - L’augmentation de la température sera de 1,5°C d’ici 2030 par rapport à l’ère industrielle - L’élévation du niveau de la mer sera de l’ordre de 17 à 20cm (+10 cm depuis 1993) - La fonte des glaces arctique (divisé par deux entre 1979 et 2010) Attention : le niveau de la mer a augmenté à la suite de la dilatation thermique principalement. On observe une augmentation de la vitesse de montée des eaux qui est corrélée à la fonte des glaces continentales. b. Un lien très étroit avec le développement humain Dans le même temps, on constate plusieurs phénomènes qui sont corrélés à ce réchauffement climatique tels que : - L’augmentation de la population humaine : de 150M en 1850 à 7.888G en 2021 - L’augmentation du taux de CO2 (288 à 411ppm en 2020 soit +145%)  - L’augmentation des émissions de CO2 de 1 à 35 Gigatonnes/an - Peu de variations des phénomènes naturels (activité solaire, éruption volcanique) Ainsi, l’évolution du taux de CO2 actuel est associée aux activités humaines : on parle d’apports anthropiques. Il s’agit notamment de la production de CO2 via la combustion des énergies fossiles et la déforestation. Depuis 1980, on constate une accélération du réchauffement et de l’ensemble des phénomènes anthropiques. c. Un bilan chiffré très inquiétant Si les scientifiques ont très rapidement mesuré l’ampleur du réchauffement et de ses conséquences potentielles, le monde politique et économique présente une très forte inertie pour agir en conséquence, et ce à cause de nombreuses difficultés : - Des confusions et imprécisions sur le plan scientifique - Une difficulté de remise en cause des modèles socio-économiques qui permettent des profits importants (nécessité de croissance économique, stratégie de « fuite en avant ») - Des comportements antagonistes de type « climato-scepticisme » tendant à contrer les arguments des scientifiques ou à manipuler les données voire discréditer les experts scientifiques II- Les conséquences du réchauffement climatique a. Une crise biologique sans précédent Actuellement, les activités humaines sont déjà responsables d’un effondrement de la biodiversité mondiale : on parle de 6eme crise biologique. Selon l’Union Internationale pour la Conservation de la Nature (UICN), plus de 1000 espèces connues sont déjà éteintes, et plus de 26500 espèces sont menacées d’extinction, ce qui représente plus d’un quart des espèces évaluées. D’ici à 2050, on estime que 25 à 50% des espèces pourraient disparaitre. Les causes principales de cette destruction sont : - La surexploitation (pêche, chasse…) - La destruction des milieux (déforestation, artificialisation pour la construction, routes, assèchement de marais…) - Les pollutions (pesticides, herbicides, métaux lourds) - L’introduction d’espèces invasives (l’écrevisse de Louisiane prend la place de l’écrevisse à patte blanche  Néanmoins, une part non négligeable des espèces est affectée par le changement climatique. Ce phénomène pourrait s’amplifier dans les années à venir. Les experts estiment que le franchissement des 2°C d’augmentation entraînerait des conséquences catastrophiques sur les écosystèmes. Certains sont déjà très fortement fragilisés comme l’Arctique. Dans ces régions, le réchauffement est plus marqué et la migration vers de plus hautes latitudes est impossible. La vitesse du réchauffement est telle que les espèces n’auront pas le temps de s’adapter ni de migrer. b. L’impact sur les agrosystèmes Les agrosystèmes sont des écosystèmes entretenus par l’homme qui permettent d’assurer nos besoins alimentaires mais également en matériaux (bois, paille, agrocarburants…) L’augmentation du taux de CO2 favorise la photosynthèse, néanmoins, ce gain de rendement est très largement dégradé par les pertes liées à l’impact négatif de la température sur la photosynthèse. D’autre part, le réchauffement implique des sécheresses importantes qui détruisent les récoltes. De plus, le réchauffement climatique entraine de nombreuses modifications qui bouleversent les agrosystèmes : - Périodes de sécheresse importantes et canicules quasi systématiques - Episodes de gelées tardives (à la suite d’un hiver trop doux) - Evénements climatiques extrêmes plus fréquents (tempêtes, inondations, incendies…) - Raréfaction de l’eau douce et désertification des milieux - Elévation du niveau des mers implique une salinisation des zones côtières - Présence plus importante d’espèces invasives, de ravageurs et de maladies Ainsi, notre production agricole et alimentaire est menacée alors que la population humaine continue de croitre c. L’impact sur la santé humaine La santé humaine est également menacée, en particulier à cause des épisodes de canicules qui deviennent quasi systématique. On estime qu’en 2050, les étés correspondront à la canicule de 2003. Ces épisodes affectent principalement les individus fragiles (bébés, enfants, personnes âgées). Les effets sont ceux de l’hyperthermie (déshydratation, difficultés cardiaques, respiratoires…). Plus les épisodes sont fréquents, longs et chauds, plus la population est impactée, y compris des personnes moins fragiles. Plus de 350 millions de personnes pourraient être exposées à des vagues mortelles de chaleur d’ici 2050. D’autre part, le changement climatique favorise la propagation de maladies, notamment tropicales (chikungunya, dengue, paludisme, fièvre jaune…) en impliquant la migration des vecteurs (moustiques), voire l’émergence de nouvelles maladies infectieuses. On remarque une dégradation des services écosystémiques qui correspondent aux phénomènes qui se déroulent naturellement dans les écosystèmes et dont l’humain tire profit comme : - L’épuration de l’eau par les végétaux aquatiques (stations d’épuration) - L’épuration de l’air par les végétaux terrestres (et la captation du CO2) - La fixation des dunes et la limitation de l’érosion des côtes III- Les solutions et stratégies d’adaptation a. Les objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre Selon le GIEC, il est crucial de limiter le réchauffement climatique à +2°C par rapport à 1850. Cela impose une diminution de 20% des émissions en 2030 et leur arrêt total en 2075, ce qui permettrait même des émissions négatives pour envisager une diminution du CO2 atmosphérique horizon 2080-2100. A l’échelle mondiale, les pays se réunissent lors des COP (Conference of Parties) chaque année depuis 1995 (Berlin). La COP3 de Kyoto a marqué les esprits en permettant à 37 pays de s’accorder sur la réduction de 5% des émissions de GES (par rapport à 1990). La COP21 de Paris a rassemblé un accord de 195 pays mais sans objectif global. De plus, malgré ces « succès », la trajectoire globale du réchauffement a toujours été dans les pires scénarios du GIEC. En France, un Plan National d’Action sur le Changement Climatique (PNACC) a été mis en place à partir de 2011. Il est chargé d’évaluer les risques climatiques dans différents domaines (biodiversité, agriculture, santé…) et de proposer des méthodes pour limiter les risques : ce sont les stratégies d’atténuation et d’adaptation. b. Les stratégies d’atténuation L’ensemble des mesures qui permettent de freiner l’accumulation de CO2 et l’effet de serre sont appelées stratégies d’atténuation. Plusieurs techniques sont mises en œuvre, d’autres sont à l’étude, notamment :  - Le développement des énergies renouvelables : o Solaire o Eolien o Hydrogène vert o Hydro-électrique - La taxe carbone qui consiste à pénaliser financièrement les entreprises polluantes en CO2. Cela les incite à limiter leurs émissions ou à s’impliquer dans des stratégies de captation/stockage - La captation et le stockage du CO2 à long terme (>1000 ans). Ces structures sont très couteuses (à la construction et à l’usage) o Pompage dans des réservoirs profonds (mines, puits de pétrole/gaz) o Transformation du CO2 - Le reboisement massif pour permettre une photosynthèse accrue. On estime que l’ensemble des forêts contient 1200 Gigatonnes de carbone soit l’équivalent de 570ppm de CO2 atmosphérique - L’agroforesterie (culture mixte : arbre/plantes rases) qui permet de limiter l’échauffement des surfaces et la sécheresse - La modification des habitudes individuelles (réduction de la consommation) en ce qui concerne le transport, le chauffage, l’alimentation… c. Les stratégies d’adaptation Malgré les efforts consentis, il est probable que l’inflexion du réchauffement climatique ne se produise que très lentement. En effet, le temps de résidence du CO2 est de l’ordre de 100 ans. De plus, les paramètres climatiques présentent plusieurs facteurs amplificateurs : - Solubilité du CO2 (relargage océanique favorisé par la température) - La fonte des glaces qui implique un dégel du permafrost et une libération de méthane - La fonte des glaces qui implique une diminution de l’albédo Les méthodes qui visent à limiter les conséquences du changement climatiques correspondent aux stratégies d’adaptation notamment : - La prévision du choix des cultures (modifier les cultures en fonction des changements climatiques locaux : cas de la vigne, notamment dans le Bordelais) - La réorganisation des méthodes de cultures, de chasse, de pêche - La réorganisation des circuits de distribution (consommer local)  - Des choix énergétiques (suppression chaudières fioul, incitation pompe à chaleur) - Des choix de construction (meilleure isolation, constructions plus claires) - La végétalisation des espaces urbains pour limiter l’échauffement des surfaces - La construction de digues, de cordons dunaires (limiter l’érosion) Conclusion : Le réchauffement climatique est le principal défi du 21eme siècle car de lui découlent de nombreux éléments associés à l’équilibre et à la viabilité des écosystèmes dont l’humain est un maillon et dont il est très dépendant pour son alimentation.  Thème 1 : La Terre, la vie et l’évolution du vivant. Partie A : Génétique et évolution Rappel : L’ADN est une molécule formée par une double hélice. Chaque brin est constitué d’une succession de nucléotides (groupement phosphate, sucre, base azotée). Les nucléotides s’apparient en fonction des bases azotées complémentaire : A-T et C-G. L’ADN qui mesure environ 2m chez l’homme, peut se trouver sous deux aspects dans le noyau des cellules : IV- Décondensée. Les chromosomes ne sont pas visibles V- Condensée dans les cellules qui se divisent. Dans ce cas, l’ADN se pelotonne autour de protéines appelées histones et forme des chromosomes. Chez l’homme, on compte 23 paires de chromosomes (2n=46. La paire de chromosomes 23 portant les chromosomes sexuels. XX : femme, XY : homme). Le caryotype est le nom donné au classement par paire des chromosomes. Avant chaque division, l’ADN est dupliqué lors de l’interphase où les chromosomes sont décondensés. Lors de la phase S, la réplication à lieu : les chromosomes à une chromatide deviennent des chromosomes à deux chromatides grâce à l’ADN polymérase.  La mitose La mitose est une division cellulaire qui concerne les cellules somatiques. Cette division forme deux cellules filles identiques à la cellule mère. Elle conserve donc le patrimoine génétique. Les caractéristiques du caryotype sont conservées : nombre et morphologie des chromosomes identiques. Elle se déroule en 4 étapes : prophase, métaphase, anaphase, télophase.  La méiose : La méiose concerne les cellules germinales qui sont à l’origine des cellules reproductrices (gamètes). Elle conduit à 4 cellules haploïdes qui ont chacune la moitié des chromosomes de la cellule diploïde initiale. La cellule subit deux divisions successives : ▪ Une division réductionnelle : passage d’une cellule diploïde (2n=46) à deux cellules haploïdes avec des chromosomes à deux chromatides (n=23) ▪ Une division équationnelle : permet la formation de cellules haploïdes avec des chromosomes à une chromatide  La fécondation de deux gamètes permet de former une cellule œuf qui permet de retrouver une cellule diploïde. La cellule œuf va alors subir de nombreux cycle cellulaires (interphase + mitose).  Chapitre 1 : L’origine du génotype des individus Comment le génotype est-il conservé et en même temps diversifié par chaque individu ? I- La conservation des génomes : stabilité génétique et évolution clonale TD 4 : Clones cellulaires Une cellule qui subit une succession de mitoses donne naissance à un ensemble de cellules génétiquement stable : ce sont des clones cellulaires. Les clones peuvent être constitués de cellules séparées (levure, globule rouge, globule blanc…) ou former des tissus (peau, estomac…). Ils sont impliqués dans de nombreuses fonctions : le renouvellement des cellules/des tissus, la défense de l’organisme (plasmocytes) et la reproduction asexuée (voir chapitre sur les végétaux). Ils sont issus d’une unique cellule ayant réalisée de nombreux cycles cellulaires (réplication + mitose). Lors de la réplication de l’ADN, des erreurs peuvent survenir avec un taux de 1 erreur pour 10^9 nucléotides copiés. Ces erreurs sont à l’origine de mutations. Il existe donc une diversité chez les cellules constituant un individu. Si la mutation affecte une cellule somatique, elle sera conservée dans la lignée clonale. On parle de sous clone. Certaines mutations seront sans effet (codon redondant, introns…), d’autres auront des effets négatifs (sous clone cancéreux) ou seront à l’origine de nouveaux caractères qui peuvent être sans conséquence ou avec une conséquence positive (lymphocyte B). Si la mutation affecte une cellule germinale, elle devient héréditaire. Certaines mutations seront sans effet, d’autres auront des effets négatifs (maladie génétique) ou seront à l’origine de nouveaux caractères ayant un effet positif et pouvant être conservés par sélection naturelle (papillon). II- Le brassage des génomes à chaque génération Ce brassage ne concerne que la reproduction sexuée chez les eucaryotes. a. Le brassage interchromosomique TD 5 : travaux de Mendel Cas de monohybridisme : étude de la transmission d’un caractère qui est déterminé par un couple d’allèles.  Dans le cas de monohybridisme, le couple d’allèles étudié est le suivant : A, a. Les individus F1 sont issus du croisement entre deux individus homozygotes (A//A) et (a//a). Les individus F1 sont donc hétérozygotes (A//a). Le phénotype des F1 dépend de la dominance et de la récessivité de chacun des deux allèles. Pour déterminer ce paramètre, on peut réaliser une autofécondation (expérience de Mendel). Les F1 vont produire deux types de gamètes : (A/) et (a/). La probabilité d’obtenir chaque gamète est équiprobable : 50% (A/) et 50% (a/). TP 8 : Brassages génétiques au cours de la méiose Cas de dihybridisme : étude de deux caractères déterminés par deux couples d’allèles. Le test cross permet de déterminer le génotype d’un individu et les gamètes qu’il a produit. Il consiste à croiser l’individu à tester soit un F1 par un individu homozygote récessif. On étudie des gènes indépendants (soit sur 2 paires de chromosomes différentes). Les F1 sont issus d’un croisement entre deux individus homozygotes pour les deux gènes : P1(A//A ; B//B) et P2(a//a ; b//b). Les F1 sont donc hétérozygotes (A//a ; B//b). Ils produisent quatre types de gamètes avec une probabilité identique de 25% chacun. C’est lors de la méiose (lors de l’anaphase I) que se répartissent de manière aléatoire et indépendante les chromosomes : c’est le brassage interchromosomique. P1(A//A ; B//B) * P2(a//a ; b//b). F1(A//a ; B//b) * P2(a//a ; b//b). F2 : 4 types d’individus : [A B] : (A//a ; B//b) Phénotypes parentaux [a b] : (a//a ; b//b) [A b] : (A//a ; b//b) Phénotypes recombinés [a B] : (a//a ; B//b) La descendance d’un test cross entre un F1 hétérozygote et un individu homozygote récessif pour les deux gènes produit 4 types d’individus équiprobables. Pour un individu diploïde, le nombre de gamètes différents produits correspond à 2^n, n : le nombre de paires de chromosomes. Chez l’homme, il y a 2^23 gamètes possibles, soit 8.388 millions de possibilités. Ce nombre ne prend en compte que le brassage interchromosomique.  b. Le brassage intrachromosomique TP 8 : Brassages génétiques au cours de la méiose Cas de dihybridisme obligatoire P1(AB//AB) * P2(ab//ab). F1(AB//ab) * P2(ab//ab). F2 : 4 types d’individus : [A B] : (AB//ab) Phénotypes parentaux [a b] : (ab//ab) sur-représentés [A b] : (Ab//ab) Phénotypes recombinés [a B] : (aB//ab) sous-représentés La descendance du test cross produit 4 types d’individus avec une probabilité différente. Ces résultats s’expliquent par des crossing-over. Lors de la prophase I de la méiose, les chromosomes homologues sont étroitement appariés et leurs chromatides s’enchevêtrent formant des figures d’enjambement appelées chiasma. Des échanges de fragments de chromatides entre chromosomes homologues sont alors possibles : c’est le crossing-over. De nouvelles combinaisons d’allèles apparaissent sur les chromatides remaniés : on parle de brassage intrachromosomique. Plus les gènes sont proches, plus le pourcentage de gamètes recombinés sera faible. c. La fécondation La fécondation correspond à la fusion de deux gamètes, ce qui associe deux lots de nombreux chromosomes haploïdes pour former un caryotype diploïde complet. Ceci maintien donc la stabilité du caryotype au cours des génération. La diversité génétique produite par la fécondation est très importante car elle associe aléatoirement deux gamètes Il y a 2^46 possibilités de faire un zygote en prenant en compte uniquement le brassage interchromosomique. III- Analyse génétique dans l’espèce humaine TD 6 : Analyses génétiques chez l’homme  Dans le cas de l’espèce humaine, l’identification des allèles portés par un individu se fait d’abord sur l’étude d’arbres généalogiques. En s’appuyant sur les règles de transmission des caractères héréditaires, on peut déterminer si un caractère est à transmission autosomique (paires 1 à 22) ou gonosomique (paire 23) et s’il est récessif ou dominant. Le séquençage de l’ADN permet d’accéder au génotype de chaque individu. Les bases de données permettent d’associer certains gènes mutés à certains phénotypes. Exemple : mucoviscidose. IV-Les accidents génétiques de la méiose TP 9 : Les anomalies de méiose et leurs conséquences a. Les anomalies de caryotype : les aneuploïdes Des anomalies peuvent survenir au cours de la méiose. Elles peuvent se produire lors de : - L’anaphase I : il y a une non-disjonction des chromosomes de la paire - L’anaphase II : il y a une non-disjonction des chromatides d’un chromosome Cela conduit à un nombre anormal de chromosomes dans certains gamètes. L’individu formé après fécondation sera alors porteur de trisomie ou de monosomie. Par exemple : trisomie 21, 18, triple X, XXY ou monosomie X. b. Les crossing-over inégaux  L’appariement incorrect des chromosomes homologues lors de la prophase I de la méiose conduit à des crossing-over inégaux. Une des chromatides possède une partie de matériel génétique supplémentaire tandis que l’autre en perd une partie. Ce mécanisme est à l’origine de la duplication des gènes et de la diversification du génome. Les copies dupliquées peuvent subir des mutations et évoluer indépendamment. Plus la duplication entre les 2 gènes est ancienne, plus la quantité de mutations accumulées est importante et donc, plus les séquences sont éloignées. Ce phénomène contribue à la formation de nouveaux gènes codant pour des protéines proches. Il faut que les séquence soient commune de 25 à 99% pour considérer qu’il y a crossing-over inégal. Ils forment une famille multigénique. Il peut également y avoir échange de matériel génétique entre deux chromosomes non-homologues : c’est la translocation.  Chapitre 2 : La complexification des génomes Comment les génomes sont-ils complexifiés et enrichis au cours de l’évolution ? I- Les endosymbioses chez les eucaryotes TP 10 : L’origine des chloroplastes Les organites énergétiques comme les mitochondries et les chloroplastes sont transmis d’une génération à l’autre et présentent des caractéristiques rappelant celles d’une bactérie. La comparaison des génomes mitochondriales et chloroplastiques permet de constater que leurs plus proches parents sont respectivement des alphaprotéobactéries et des cyanobactéries. Ces organites sont issus d’une endosymbiose (chaque partenaire tire bénéfice l’un de l’autre. Ici, un bénéfice de protection pour l’endosymbiote et de production d’énergie pour la cellule hôte). L’endosymbiose est fréquente dans l’histoire des eucaryotes où elle joue un rôle important dans leur évolution. La cellule hôte intègre une part importante du génome de l’endosymbiote. Ce génome à tendance à régresser de sorte que la cellule intégrée devienne un organite de la cellule hôte. Des arguments prouvent cette théorie : taille, membrane, lipides particuliers, division qui se fait par étranglement (=scissiparité). II- Les transferts a. Les différents mécanismes TD 7 : les transferts d’ADN entre êtres vivants L’ADN est une molécule universelle lue par tous les êtres vivants. Les échanges génétiques en l’absence de reproduction sexuée ou asexuée sont nommés transferts horizontaux. Ils peuvent se faire selon 3 modalités : - La transformation : intégration d’ADN libéré dans l’environnement. Ce processus est observé chez un nombre limité d’espèces, notamment des espèces du sol, aquatiques et des cellules eucaryotes végétales. Exemple : une bactérie meurt, libère son ADN dans l’environnement, puis d’autres bactéries le récupère entièrement ou partiellement. - La transduction : transfert d’ADN par l’intermédiaire d’un virus. Le virus emporte des fragments génétiques d’une bactérie ou d’une cellule eucaryote en l’infectant et les donne à une autre bactérie ou cellule eucaryote en l’infectant. Les virus constituent le vecteur de gènes le plus abondant de la planète.  - La conjugaison : transfert d’ADN entre deux bactéries ou une bactérie et une cellule eucaryote par l’intermédiaire d’un pont de conjugaison. L’ADN échangé peut être linéaire, circulaire (=plasmide : petite molécule d’ADN circulaire chez les bactéries et indépendante des chromosomes). On parle d’hérédité cytoplasmique pour qualifier la transmission de caractères par l’intermédiaire de plasmides. b. Liens entre transferts et santé humaine Au sein des populations bactériennes, les transferts horizontaux permettent la propagation rapide de gènes de virulence et de gènes de résistance aux antibiotiques. Ces transferts sont favorisés par l’abondance des bactéries dans notre environnement proche, l’utilisation d’antibiotiques dans les élevages intensifs, la mauvaise utilisation des antibiotiques etc… Leur fréquence pose de graves problèmes de santé dus à l’apparition et à la sélection de bactéries résistantes ou multirésistantes. La connaissance des transferts horizontaux a permis de mettre au point des moyens de production de molécules d’intérêts pour la santé. On intègre des gènes dans des microorganismes comme les levures ou les bactéries pour leur permettre de produire des molécules comme l’insuline. III- L’importance des transferts horizontaux dans l’histoire de la vie TD 8 : Le régime alimentaire des Japonais  Pour établir les transferts horizontaux entre les espèces, on compare les séquences peptidiques et on recherche les séquences apparentées. On peut représenter ces séquences apparentées sous forme d’arbre phylogénétique. Il permet de : - Placer l’événement de transfert de gène en fonctions des espèces qui le possèdent et de celles qui ne le possèdent pas - Retracer les modifications qui ont affecté le gène transféré On a montré que certains caractères sont dus à des gènes hérités d’organismes pouvant être très éloignés phylogénétiquement. Ces nouveaux gènes doivent conférer un avantage sélectif pour être conservés au fil des générations (sélection naturelle). Chapitre 3 : L’inéluctable évolution des génomes au sein des populations La diversification des génomes, due à la reproduction asexuée et aux transferts de gènes, contribue à l’acquisition de nouveaux gènes (ou allèles) et à la diversification des êtres vivants (nouveaux caractères). Les êtres vivants subissent ensuite les contraintes du milieu et les forces évolutives : il s’agit des mutations, de la sélection naturelle et de la dérive génétique. Ces forces transforment alors lentement les populations et leurs génomes, ce qui contribue à former de nouvelles espèces : c’est la spéciation. Quels sont les mécanismes de l’évolution des génomes au sein des populations ? I- Le modèle théorique d’Hardy Weinberg TD Le modèle théorique (ou loi) de Hardy Weinberg correspond à un outil statistique qui étudie les fréquences alléliques au sein des population (=structure génétique), en se basant sur les connaissances de la méiose et de la fécondation. En effet, le croisement de deux individus hétérozygotes (A//a) va produire 3 types de génotypes : (A//A), (A//a) et (a//a). Si on attribue une fréquence « p » à l’allèle A et une fréquence « q » à l’allèle a, on peut établir les relations suivantes : - f(A)=p - f(a)=q - avec p+q=1 - p²+2pq+q²=1 Les fréquences des génotypes attendus à la génération suivantes sont : - f(A//A)=p² - f(A//a)=2pq - f(a//a)=q² Le modèle de Hardy Weinberg reste « théorique » et ne peut s’appliquer que pour un couple d’allèles (A et a) sous 5 conditions : - Absence de sélection naturelle (pas de fixation ou de disparition d’allèles) - Pas de mutations (aucun nouvel allèle) - Pas de migration (pas d’arrivée de nouvel allèle depuis une autre population) - Population de très grande taille (pas de dérive génétique) - Panmixie (pas de sélection sexuelle et une reproduction aléatoire)  L’intérêt de ce modèle de Hardy Weinberg est d’identifier si la population est à l’équilibre et correspond aux fréquences attendues. Tout écart à l’équilibre indique la présence de phénomènes évolutifs. II- Les écarts au modèle théorique a. Les écarts associés aux mutations TP 11 Dans les conditions réelles, l’équilibre de HW n’est jamais atteint à cause des forces évolutives et de la complexité des écosystèmes et leur modification (catastrophes naturelles, tectonique des plaques…). Ce sont des systèmes présentant des équilibres dynamiques. Les mutations correspondent à une force évolutive qui crée de nouveau gènes et allèles par des phénomènes de mutation, duplication et transferts de gènes. Elles ont une incidence variable selon le temps de génération de l’être vivant étudié (exemple : bactérie/virus : mutations sont plus fréquentes). Chez les pluricellulaires, les mutations germinales restent assez rares (10^-6), leur impact est donc très faible. Néanmoins, leur impact peut être rendu très important par la sélection naturelle. b. Les écarts associés à la sélection naturelle La sélection naturelle est une force évolutive qui contribue à une augmentation de la fréquence des allèles favorables et, au contraire, à une diminution de la fréquence des allèles défavorables. Ceci contribue à former des écarts à la loi de HW. La sélection naturelle contribue à un avantage sélectif qui s’exprime par un succès reproducteur : l’individu survit davantage et se reproduit donc davantage. Exemples : défenses des éléphants ; phalène du bouleau. Il existe également des formes paradoxales de sélection naturelle qui résultent d’un compromis entre la survie et la reproduction : c’est la sélection sexuelle. Dans ce cas, l’avantage reproductif prime sur l’avantage de la survie car il accentue la transmission des allèles. Exemples : paon, faisan, poisson combattant, guppy. c. Les écarts associés à la dérive génétique  La dérive génétique est une force évolutive qui s’exprime très fortement dans les petites populations et qui implique un biais dans la transmission des allèles. Si la population est de petite taille, il se peut que les allèles transmis ne soient pas représentatifs de la population de départ. Il peut donc y avoir des modifications rapides des fréquences des allèles de façon totalement aléatoire (allèles neutres, non sélectionnés). Exemple : éléphants sans défenses dans le parc Addo Enfin, la migration et les préférences de reproduction modifient la structure génétique des populations. III- La notion d’espèce et de spéciation a. La définition de l’espèce TD 1 ? Une espèce se définit généralement comme : - Un groupe d’individus qui se ressemblent - Qui peuvent se reproduire entre eux - Et qui ont une descendance viable et fertile Néanmoins, les progrès scientifiques montrent que cette définition reste toujours imprécise. En effet, il existe de nombreux cas d’hybrides interspécifiques fertiles (pizzly, ligre…) qui prouvent que deux espèces peuvent parfois être encore interfécondes. Dans ce cas, on a souvent affaire à des espèces naissantes (pas encore assez éloignées l’une de l’autre). Ainsi, la définition actuelle de l’espèce considère qu’il s’agit d’un groupe d’être vivants : - Qui sont génétiquement proches (pour se ressembler et être interféconds) - Et qui sont suffisamment éloignées d’un autre groupe dans l’espace (niche écologique) et dans le temps (ancêtre commun suffisamment ancien) b. Les apports du séquençage des génomes A l’heure actuelle, les techniques de séquençage des génomes ont progressé de façon importante et permettent de séquencer de très nombreux génomes rapidement. On peut alors : - Comparer différentes populations d’une même espèce - Comparer différentes espèces proches afin de retracer les migrations, séparations  - Etudier l’ADN mitochondrial pour retracer la lignée maternelle et envisager l’origine des individus - Réaliser des arbres phylogénétiques afin d’évaluer la proximité de différentes populations au sein d’une espèce mais aussi de différentes espèces entre elles Exemple : population humaine, cf. 1ere spé c. Les mécanismes de spéciation Une espèce apparait quand une nouvelle population s’individualise et devient génétiquement différente du reste de la population : c’est la spéciation. Elle nécessite donc l’arrêt des échanges de matériel génétique entre le groupe isolé et le reste de l’espèce pendant un temps variable : on parle d’isolement reproducteur. Il peut se faire de 2 façons principales : - La spéciation allopatrique dans laquelle les individus sont séparés (migration, séparation des niches écologiques…). Exemple : écureuils du Colorado : A harrisi et A leucurus sont séparés géographiquement par la rivière - La spéciation sympatrique dans laquelle les individus sont dans le même écosystème mais se séparent à la faveur de phénomènes biologiques (décalage des cycles de reproduction, dans la nutrition, différence de communication…) ou de phénomènes génétiques (modification du caryotype, mutation…). Exemple : chants du Pouillot verdâtre au Tibet Ainsi, l’espèce a une histoire évolutive : elle apparait dans de petites populations séparées du reste de l’espèce initiale puis évolue grâce aux forces évolutives et peut disparaitre si l’ensemble des individus disparaissent (extinction).  Chapitre 4 : D’autres mécanismes contribuent à la diversité du vivant Certains éléments de la diversification des espèces ne sont pas liés aux génomes. En effet, les individus présentent des caractéristiques phénotypiques directement dépendantes de leurs gènes et allèles mais de nombreux caractères sont également liés à l’environnement. Comment l’environnement participent-ils à la diversification des êtres vivants, indépendamment du patrimoine génétique ? I- Le phénotype étendu (Richard Dawkins, 1982) Vidéo Le phénotype étendu prend en compte non seulement les caractéristiques morpho- anatomiques de l’organisme résultant de l’expression du génome mais également toutes les manifestations qui se trouvent en dehors de l’organisme lui-même et qui dépendent eux aussi de l’expression de gènes. L’élargissement du phénotype chez certaines espèces peut revêtir plusieurs intérêts : habitat, survie, accès à la nourriture, attrait pour le sexe opposé en vue d’un accouplement…Le phénotype étendu est donc un moteur évolutif. II- Les associations d’individus TD 11 : Mécanisme de diversification a. Des associations symbiotiques La symbiose est une association irréversible et à bénéfices réciproques. Cette association est acquise mais non transmise à la descendance. La présence des symbiotes apporte de nouvelles fonctions qui augmentent le phénotype (phénotype étendu). Il peut s’agir de fonctions métaboliques comme : - Symbiose entre champignon et pin : mycorhizes - Microbiote humain (digestion de molécules) - Zooxanthelles et coraux b. Des associations symbiotiques A l’inverse, d’autre interactions sont délétères pour certains et le phénotype n’est alors pas au profit de l’espèce hôte. Exemples :  - Microbiote altéré et obésité voire dépression - Parasites qui modifient le phénotype et/ou le comportement des individus (exemple : gammares p97) III- La diversification par recrutement de composants a. Le recrutement de structures environnementales Le phénotype étendu inclut également les structures associées aux individus. Il peut s’agir d’éléments servant à plusieurs fonctions : - L’habitat et la protection (fourreau des larves de trichoptères, nids des oiseaux, coquilles recrutées par les bernard-l’hermite, fourmilières et termitières…) - La nutrition (toile des araignées) - La reproduction (parure de certains oiseaux comme l’oiseau jardinier, p88-89…) b. Les causes du recrutement A l’échelle évolutive, la principale cause de ces recrutements est la sélection naturelle. En effet, les mutations et la dérive génétique ne peuvent pas impacter ces comportements. Ainsi, la sélection naturelle participe également à la sélection de comportements qui améliorent la résistance de l’individu ou son camouflage. Le recrutement de composants peut également participer à une meilleure reproduction (sélection sexuelle). IV- Le comportement et sa transmission a. La diversification par l’acquisition de comportements La diversification du vivant dépend également de l’acquisition de comportements et de leur transmission (voire leur amélioration). Ces comportements sont associés notamment : - A la communication (chant, langage) - A la nutrition (outils, technique de chasse) - A la reproduction (chant) Exemples : - Baleine à bosse et technique de chasse avec la nageoire caudale  - Mésange voleuse de lait - Transmission du chant chez les Pouillots verdâtre - Utilisation d’une pierre pour casser les noix chez les chimpanzés (p100-101) b. La transmission des comportements Comme l’ensemble du phénotype, les comportements suivent une évolution. Ils sont transmis de façon horizontale entre individus d’un même groupe mais aussi de façon verticale aux descendants. Le comportement se transmet notamment par mimétisme mais aussi par apprentissage (avec correction par l’instructeur). c. L’évolution des comportements Les comportements subissent des variations au cours du temps. Il peut y avoir innovation. Généralement, les comportements avantageux sont conservés par sélection naturelle : c’est la sélection culturelle. La diffusion d’une innovation culturelle peut être très rapide, particulièrement lors d’une transmission horizontale. La vitesse de diffusion peut être réduite par des barrières géographiques, des moyens de communication différents…Une innovation peut être abandonnée si elle ne présente plus d’intérêt : c’est la contre sélection. Par exemple, les mésanges percent les bouteilles de lait, les bouteilles ont été remplacées, elles ne percent plus les bouteilles. Mais dans certains cas, ce ne sont pas les comportements les plus avantageux qui sont conservés. Par exemple, chez les Primates, le comportement habituel du groupe sera « imposé » même si un autre individu ayant un comportement plus avantageux est introduit. Ceci peut également arriver au hasard. D’autre part, il est courant que certains comportements soient perdus par dérive culturelle. Dans le cas de petites populations, la dérive est très forte et le risque de ne pas transmettre le comportement est très fort. Exemple : siffleurs des Pyrénées. Enfin, la transmission peut également être « brouillée » par des perturbations extérieures. C’est le cas lors de la transmission du chant de certains oiseaux qui subissent des perturbations (bruit de la ville…). On peut parler de mutation culturelle.