Biologie 1DF 2024-2025 Past Paper PDF

COMPLEMENT AU LIVRE DE BIOLOGIE 1DF 2024-2025 Mitochondries © www.genengnews.com L. Hostettler, C. Kreienbühl, C. Raemy Etat de Fribourg | Collège de Gambach Organisation du cours...

COMPLEMENT AU LIVRE DE BIOLOGIE 1DF 2024-2025 Mitochondries © www.genengnews.com L. Hostettler, C. Kreienbühl, C. Raemy Etat de Fribourg | Collège de Gambach Organisation du cours 1 Cours avec Travaux Pratiques (TP) Matériel : Script de cours et Livre Biologie : « notions fondamentales » Plan d’études gymnasiales Suivant le plan d’étude cadre, ce cours de biologie DF vise à permettre à l’étudiant de se situer personnellement par rapport à des questions fondamentales, tels que la nutrition, la sexualité, la maladie ou encore l’origine de la vie. D'autre part, il souhaite fournir des bases de réflexion permettant de prendre position par rapport à certains grands défis : biodiversité et problèmes environnementaux, biotechnologies et manipulations du vivant. Introduction Chapitre 1 Origines de la vie 1.1 Évolution biologique 1.2 Évolution chimique Chapitre 2 Niveaux d’organisation Chapitre 3 Cytologie 3.1 Définitions 3.2 Structures cellulaires chez les eucaryotes : animaux et plantes 3.3 Métabolisme cellulaire 3.4 Théorie des endosymbiontes 3.5 Membrane plasmique 3.6 Diversité cellulaire 3.7 Technologie cellulaire Chapitre 4 Bases moléculaires de la génétique 4.1 Découverte de la molécule d’ADN 4.2 Composition moléculaire de l’ADN et de l’ARN Chapitre 5 Cycle cellulaire 5.1 Cycle cellulaire 5.2 Chromosomes 5.3 Caryotype 5.4 Cancer Chapitre 6 Reproduction 6.1 Plusieurs modèles de reproduction asexuée 6.2 Reproduction sexuée (méiose, spermatogenèse et ovogenèse, cycle hormonal) 6.3 Fécondation 6.4 Contraception 6.5 Infections sexuellement transmissibles et par le sang Chapitre 7 Systématique 7.1 Notion d’espèce 7.2 Classifier (phylogénétiquement ¹ trier) Chapitre 8 Écologie HOSL/KREC/RAEC 1  INTRODUCTION 2 Le terme biologie vient du grec, « bios » vie et « logos » science. En effet, la biologie vise à comprendre les structures et phénomènes du monde vivant à différents niveaux, de la molécule à la biosphère, en tenant compte de son évolution passée et future. L’étude du vivant est donc vaste et complexe. Actuellement, la biologie s'est diversifiée en de multiples sciences dont voici une liste non exhaustive : - Anatomie - Evolution - Pathologie - Botanique - Génétique - Physiologie - Cytologie - Taxinomie (= classification) - Zoologie - Ecologie - Microbiologie - Ethologie - Embryologie - Hygiène - Biol. Moléculaire Chapitre 1 Origines de la vie Quelle est l’origine de la vie ? Comment la vie a-t-elle évoluée pour former la multitude d’organismes simples ou plus complexes que nous connaissons aujourd’hui ? De tout temps ces questions ont animé les biologistes et dans un sens plus large l’Homme. ► p.406-409 ► vidéo : https://www.youtube.com/watch?v=fgQLyqWaCbA Exercice D’après la vidéo, répondez aux questions suivantes : 1) Qui est le père de la théorie de l’évolution ? 2) Quel est le mécanisme qui permet l’évolution biologique ? HOSL/KREC/RAEC 2 3) De quand datent les premières cellules, sous quelles 3 formes ont-elles été retrouvées ? 4) « La vie émerge des molécules. », qu’est-ce qui différencie les atomes (en bas) de la cellule (en haut) ? 5) Quel est le « Take home message » de cette vidéo ? Selon les scientifiques, l’origine et le développement de la vie sont expliqués par la théorie de l’évolution. Dans un premier temps l’évolution chimique a permis l’apparition des premières molécules du vivant à partir de matière inorganique présente sur la Terre primitive. Ces molécules se sont ensuite organisées pour former les premières cellules vivantes. Ces cellules ont ensuite été soumises aux mécanismes de l’évolution biologique pour donner naissance à la multitude d’organismes que nous connaissons aujourd’hui. 1.2 L’évolution biologique La théorie de l’évolution biologique est basée sur le concept de sélection naturelle postulé par Darwin à partir d’observations simples1 : Observation N0 1 : La variation individuelle. Dans une population donnée, de nombreux caractères héréditaires varient d’un individu à l’autre. Observation N0 2, 3 et 4 : La surnatalité les ressources limitées conséquence : la lutte pour la vie, la compétition entre ind. Toute population a le potentiel de trop se reproduire. C’est à dire de produire un nombre de descendants supérieur au nombre qui peut survivre et se reproduire étant donné les ressources limitées du milieu. Cette surnatalité entraine inévitablement une lutte pour la survie entre les différents membres de la population. 1 N. Campbell and J. Reece 2007 HOSL/KREC/RAEC 3 Le succès reproductif inégal 4 A partir de ses observations au sujet de la variation des caractères héréditaires et de la surnatalité Darwin a conclu que les individus possédant les caractères les mieux adaptés à leur milieu de vie engendrent généralement beaucoup plus de descendants féconds que les autres. Conséquence : L’évolution par l’adaptation Le succès reproductif inégal peut adapter une population à son environnement. Au fil des générations, en effet, les caractères héréditaires qui favorisent la survie et le succès reproductif tendent à augmenter la fréquence de certains caractères héréditaires dans une population. La population est donc en constante évolution. Au fur et à mesure de ces évolutions, il est possible que des individus, descendants d’un même ancêtre commun, deviennent si différents l’un de l’autre que l’on considère deux espèces phylogénétiques différentes. D’après les postulats de Darwin et l’études des fossiles retrouvés, en remontant dans le temps les formes de vie deviennent de plus en plus simples. Toutes les espèces auraient une origine commune : LUCA (Last unique common ancestor). Les descendants de LUCA, ont donc subi les mécanismes de la sélection naturelle pour se diviser en trois lignées évolutives qui ont abouti aux trois domaines qui regroupent actuellement tous les êtres vivants : Les bactéries, les archées et les eucaryotes. (► p. 409, figure 409.1) HOSL/KREC/RAEC 4 Les ancêtres de ces trois domaines ont ensuite évolué pour donner naissance à de nouvelles espèces et ainsi de suite jusqu’à nos jours. Mais d’où vient LUCA ? HOSL/KREC/RAEC 5 1.2 L’évolution chimique 6 Exercice Chimiquement de quoi êtes-vous constitués ? Il y a plus de 4 milliards d’années, des composés chimiques inorganiques présents sur la terre primitive se sont assemblés pour former des molécules essentielles à la vie : acides aminés, acides nucléiques et acides gras. ► p.37, Figure 37.1 et 37.4 ► vidéo : https://www.youtube.com/watch?v=H8WJ2KENlK0 Les acides aminés et acides nucléiques ont ensuite donné naissance à des macromolécules, des polymères, càd des molécules constituées de la répétition de nombreuses sous-unités (si les unités étaient des wagons, le polymère que l’on pourrait former serait un train). Ainsi apparurent les protéines (faites d’acides aminés) et les acides ribonucléiques (ARN) (formés de nucléotides) qui se sont retrouvés emprisonnés dans des vésicules d’acides gras appelés liposomes. La proximité de protéines et de molécules d’ARN à l’intérieur des liposomes a ensuite permis l’apparition de mécanismes de réplication. Les structures ainsi formées - nommées protobiontes - sont considérés comme les ancêtres des premières cellules vivantes. Les protobiontes ont ensuite évolué en améliorant leurs capacités métaboliques et leur potentiel de stockage et de réplication de l’information, notamment grâce à l’apparition de l’acide désoxyribonucléiques (ADN), pour donner naissance aux premières formes de vie sur terre : les procaryotes2. Cette théorie est corroborée par différentes expériences et observations qui, bien que controversées, constituent les meilleurs éléments de preuves d’une évolution chimique que nous possédions à ce jour. 2 Organisme unicellulaire dépourvu de noyau HOSL/KREC/RAEC 6 L’expérience de Stanley Miller et Harold Urey (1953), notamment, démontre que, dans des conditions 7 semblables à celle de la terre primitive, des molécules inorganiques peuvent former des molécules organiques (càd dont l’élément chimique constitutif est le Carbone C). ► p.407 Expérience de Miller et Urey Exercice Lisez l’encadré de la page 407 sur l’expérience de Miller et Urey et répondez aux questions. En ce qui concerne la formation des protobiontes, lorsqu’on mélange des acides gras dans de l’eau, ils enveloppent spontanément des protéines et des acides nucléiques dans des liposomes. De plus, si l’on mélange en solution des nucléotides en présence d’ARN, ceux-ci sont capables de s’apparier à un brin d’ARN pour le répliquer. La théorie de l’évolution chimique prétend donc qu’une succession de réactions chimiques et de phénomènes physiques expliquent l’apparition des protobiontes qui auraient évolué pour former les premiers procaryotes. Ces procaryotes ont ensuite été soumis aux mécanismes de l’évolution biologique pour finalement engendrer LUCA. La descendance de LUCA a ensuite donné naissance à la multitude d’organismes simples ou complexes, uni- ou pluricellulaires que nous connaissons aujourd’hui. En conclusion, « En biologie, rien n’a de sens, si ce n’est à la lumière de l’évolution »3 selon Dobzhansky La théorie de l’évolution nous permet de comprendre, non seulement l’origine de la vie, mais aussi d’expliquer et de dater l’apparition de nouvelles espèces. Il est intéressant de constater que la diversité de la vie cache en fait une unité étonnante, surtout au niveaux moléculaire et cellulaire de l’organisation biologique. Par exemple, le langage génétique que constitue l’ADN est commun à tous les organismes des bactéries aux animaux en passant par les plantes. Les concepts d’évolutions chimique et biologique permettent donc d’expliquer à la fois l’unité du monde vivant mais aussi sa grande diversité. 3 Theodosius Dobzhansky HOSL/KREC/RAEC 7 Chapitre 2 LES NIVEAUX D’ORGANISATION DU VIVANT 8 Pour mieux comprendre et étudier le vivant il s’agit de définir ses différents niveaux d’organisation. ► p. 12 – niveaux d’organisation Sur le schéma suivant sont rassemblés les différents niveaux d’organisation du vivant. HOSL/KREC/RAEC 8 4 4 N. Campbell and J. Reece 2007, p 4-5 HOSL/KREC/RAEC 9 Prenons un autre exemple concernant l’humain : Lorsque nous pratiquons du sport, des organites 10 spécifiques de nos cellules musculaires, les mitochondries, produisent de l’énergie à partir des molécules de notre alimentation. Cette énergie permet au tissu musculaire de se contracter. 5 5 E. N. Marieb and K. Hoen, 2010, p.4 HOSL/KREC/RAEC 10 Chapitre 3 CYTOLOGIE 11 Les premières formes de vie étaient des cellules très simples : les procaryotes. Comme mentionné au chapitre 1, au cours de l’évolution ces cellules se sont complexifiées pour donner trois domaines : les bactéries, les archées et les eucaryotes. Dans ce chapitre, nous nous concentrerons sur les structures cellulaires des eucaryotes plus précisément des animaux (métazoaires) et des plantes. Puis, nous étudierons les structures cellulaires des bactéries. Finalement, nous présenterons les virus, une structure acellulaire capable d’infecter une cellule vivante. ► p. 14-36 – cytologie 3.1 Définitions La cytologie est l’étude des cellules. Une cellule est la plus petite unité structurelle et fonctionnelle d’un être vivant capable de se reproduire. 3.2 Structures cellulaires chez les eucaryotes : animaux et plantes ► p. 30 -34 – composants des cellules Activité Lisez les pages 30-34 du livre et complétez le tableau distribué. 1) Légendez les schémas 2) Donnez la fonction des organites https://www.youtube.com/watch?v=URUJD5NEXC8 HOSL/KREC/RAEC 11 Exercice 12 A vous de distinguer ces organites… et de trouver l’intrus. A. B. C. D. E. F. G. H. HOSL/KREC/RAEC 12 3.3 Métabolisme cellulaire 13 Plusieurs mécanismes biochimiques permettent aux cellules de survivre, de se reproduire et de remplir leurs fonctions. Nous en étudierons deux : - la synthèse des protéines ; - la respiration cellulaire. 3.3.1 Rôle des protéines Les protéines sont des macromolécules indispensables au fonctionnement de notre organisme. Observons quelques exemples : La kératine est la protéine qui compose …………………………………… L’actine et la myosine servent à ……………………………………. L’hémoglobine permet le transport de ……………………………………….. dans le sang. Les anticorps sont des protéines produites par …………………………….. au cours d’une réaction immunitaire. Elles reconnaissent les corps étrangers et participent à leur élimination. L’insuline est une protéine messagère. C’est une hormone chargée de réguler ………………………………… de sucre dans le sang. Certaines protéines sont des enzymes « les ouvriers » du corps, elles catalysent certaines réactions biochimiques. L’amylase salivaire, par exemple, est sécrétée dans notre bouche lorsque nous mangeons pour digérer les sucres. La mélanine est la protéine responsable de la ………………………………… è En bref les protéines sont partout, mais comment notre corps les synthétise-t-il ? La structure primaire d’une protéine est, en fait, une chaîne d’acides aminés (la protéine est donc un polymère vu au pt 1.2). Chaque protéine est composée d’une chaîne spécifique d’acides aminés. L’enchaînement des acides aminés est dicté par les gènes de l’ADN, logé au cœur de nos cellules. La protéine est ainsi l’expression d’un gène. HOSL/KREC/RAEC 13 3.3.2 Synthèse des protéines 14 6 Exercice Créez la légende de la figure ci-dessus représentant la synthèse des protéines dans la cellule. https://www.youtube.com/watch?v=af4rFoOnzq0&t=112s 6 Stolaf.edu HOSL/KREC/RAEC 14 3.3.3 Quelles sont les conséquences pour notre corps si une protéine n’est pas synthétisée 15 7 correctement ? 7 http://www.chtimuco.fr/comprendre-la-mucoviscidose/ HOSL/KREC/RAEC 15 3.3.4 Respiration cellulaire 16 Les animaux sont des organismes hétérotrophes, ils ont besoin de nourriture organique pour assurer leurs fonctions vitales. Dans les mitochondries, une partie de cette matière organique sera convertie en liaisons phosphates dans la molécule d’ATP. Ces liaisons sont riches en énergie directement utilisable par la cellule pour effectuer un travail, comme la contraction musculaire par exemple. Les végétaux possèdent également des mitochondries et sont donc également capable de produire de l’ATP. Cependant, ils n’ont pas besoin d’absorber de la matière organique puisqu’ils sont capables d’en produire à partir de CO2 et d’eau grâce à l’énergie lumineuse. De ce fait, ils sont qualifiés d’autotrophes. ► p. 64 Figure 64.1 Relation entre la respiration cellulaire et la photosynthèse Equation bilan : HOSL/KREC/RAEC 16