collection Lycéesérie Accompagnement des programmes

Sciences de la vie et de la Terreclasse de première scientifique

Ministère de la Jeunesse, de l’Éducation nationale et de la RechercheDirection de l’enseignement scolaire

applicable à la rentrée 2001

Centre national de documentation pédagogique

© CNDP, juillet 2002ISBN : 2-240-00853-9

ISSN : 1624-5393

Suivi éditorial : Christianne Berthet

Secrétariat d’édition : Nicolas Gouny

Maquette de couverture : Catherine Villoutreix

Maquette : Fabien Biglione

Mise en pages : Atelier Michel Ganne

Ce document a été rédigé par le groupe d’experts sur les programmes de Sciences de la vie et de la Terre :

PrésidentBernard CALVINO professeur des universités, ESPCI, Paris

MembresJean-Paul DUBACQ maître de conférences, ENS, Paris

Philippe GILLET professeur des universités, ENS, LyonRoger PRAT professeur des universités, Paris VI

Marc TARDY professeur des universités, université de Savoie, Le Bourget-du-LacGérard VIDAL maître de conférences, ENS, Lyon

Rosine BOYADJIAN professeur, lycée Victor-Hugo, ParisRaymond CIRIO professeur, lycée climatique d’altitude, Briançon

Colette PORTHA-PONCEBLANC professeur, lycée Paul-Valéry, ParisBéatrice SALVIAT professeur, lycée Louis-le-Grand, Paris

Marie-Claude YON-COTTON professeur, lycée François-Ier, Vitry-le-François

Bernard GISSOT IA-IPR académie de CréteilJean-Claude HERVÉ IA-IPR honoraire

Dominique ROJAT inspecteur général de l’Éducation nationale

Coordination : Anne-Laure Monnier, bureau du contenu des enseignements (direction de l’enseignement scolaire).

Sommaire

Sciences de la TerreStructure, composition et dynamique de la Terre

Structure et composition chimique de la Terre interne ........................................................................... 7

La lithosphère et la tectonique des plaques .................................................................................................. 9

Divergence et phénomènes liés ............................................................................................................................ 11

La machinerie thermique de la Terre ............................................................................................................... 13

La classe de terrain, une démarche scientifique .......................................................................................... 15

Annexe ............................................................................................................................................................................ 16

Sciences de la vieDes phénotypes à différents niveaux d’organisation du vivant

Du génotype au phénotype, relations avec l’environnement ................................................................ 21

La morphogenèse végétale et l’établissement du phénotype ................................................................. 23

La régulation de la glycémie et les phénotypes diabétiques .................................................................. 26

Les parts du génotype et de l’expérience individuelle dans le fonctionnement

du système nerveux .................................................................................................................................................. 29

Sciences de la TerreStructure, composition

et dynamique de la Terre

Structure et composition chimique

de la Terre interne

■ 3 semaines.

En classe de seconde, les élèves ont abordé la Terrecomme un élément du système solaire. Cette per-ception sert de point de départ à une approchedétaillée de la structure et de la composition de laTerre interne. Le choix de l’expression « Terreinterne» invite à se placer encore dans une percep-tion globale de la Terre solide en ne traitant pas icila partie la plus superficielle (hydrosphère) et les particularités qui lui sont associées.

Origine, différenciation et structure interne de la Terre

Le premier volet de cette partie concerne l’étude despropriétés physiques de la Terre. La classe de qua-trième a permis aux élèves de s’approprier un modèlesimplifié de la Terre. Le but de cette partie est decompléter les connaissances acquises par les élèvespar les notions géophysiques qui ne leur étaient pasencore accessibles. Les ondes sismiques, quel que soitleur point d’émission, se propagent dans toute laTerre. L’étude de leur propagation et de leur émer-gence (lieu et temps d’arrivée) renseigne sur lesmilieux traversés et leur répartition. Plusieurs para-mètres de ces ondes sont mesurables ou calculables àpartir des mesures en surface : type (P ou S), vitesse.L’étude de ces paramètres permet de mettre en évidence les notions inscrites au programme:– la Terre est structurée en enveloppes concen-triques : la croûte (continentale ou océanique), le manteau et le noyau ;– les enveloppes ont des masses et des masses volumiques différentes ;– les enveloppes sont séparées par des discontinuitésphysiques et/ou chimiques.

Limites (ne sont pas exigibles)1

– La tomographie sismique.– L’étude détaillée des météorites.

Pour préciser le modèle de la Terre, les notions issuesde la sismologie sont complétées par l’étude du comportement mécanique des roches (cassant ouductile). On distingue la lithosphère et l’asthéno-sphère par le comportement de la péridotite man-tellique : cassante dans la lithosphère, ductile dansl’asthénosphère.Pour être complet, le modèle de la Terre ainsi établidoit être muni de la description de l’évolution desparamètres physiques avec la profondeur à l’inté-rieur de la Terre. Pour appréhender l’état de lamatière à l’intérieur de la Terre, deux approchesfournissent des informations :– les données concernant l’évolution de la tempéra-ture à l’intérieur de la Terre et l’existence de coucheslimites thermiques sont importantes et seront réuti-lisées lors de l’étude de la convection dans le chapitre sur la machinerie thermique (voir p. 13) ;– de la même façon, pression et masse volumiqueaugmentent avec la profondeur dans le manteau.Le modèle géophysique qui vient d’être construitpermet le réinvestissement des connaissancesacquises en classe de seconde, pour relier la structuredifférenciée observée actuellement, à la formation dela planète Terre au sein du système solaire.L’exploitation des météorites, étudiées en seconde,permet de comparer la chimie des chondrites à cellede la Terre pour démontrer :– que la composition des chondrites correspond à lacomposition moyenne de la Terre (dite « Terre globale») ;– que la Terre s’est différenciée en un noyau métal-lique essentiellement formé de fer et en une enveloppe externe silicatée.

Limites (ne sont pas exigibles)– Les mécanismes de la différenciation*2.

Structure et composition chimique de la Terre interne 7

1. Les paragraphes intitulés «Limites » ont pour but de préciser les connaissances et savoir-faire exigibles pour chaque partie duprogramme de première scientifique.2. Les « Limites » indiquées par un astérisque (*) complètent celles inscrites dans le texte du programme.

Sciences de la vie et de la Terre – Classe de première scientifique8

Composition chimique de la Terre– des échantillons naturels aux matériaux inaccessiblesLe second volet de cette partie concerne l’étude chi-mique de la Terre. L’examen de collections de rocheséchantillonnées en surface montre une très grandevariabilité, mais en première approximation, ondémontrera qu’il suffit de prendre en compte troispôles principaux organisés autour de «roches repré-sentatives » : les péridotites du manteau, les grani-toïdes de la croûte continentale et les basaltes ougabbros de la croûte océanique. L’objectif essentielest de bien établir la distinction entre croûte conti-nentale, croûte océanique et manteau.Toute roche est formée de minéraux, de verre oud’un mélange des deux. Le verre et les minérauxsont formés d’atomes liés entre eux. Si la structureest organisée en un réseau présentant des proprié-tés géométriques stables dans l’espace, c’est un miné-ral cristallisé. Dans le cas contraire, c’est un verre.Les élèves doivent percevoir les deux niveaux d’organisation : à l’échelle de la roche et à celle du

minéral. L’utilisation d’analyses en masse d’oxydeest à éviter car elle introduit une inutile représenta-tion virtuelle des faits, puisque la plupart des miné-raux ne sont pas des oxydes. On préfère plutôt pré-senter l’analyse chimique globale de la Terre ou cellede la Terre silicatée (hors noyau) ou celle de rochesen pourcentage massique des éléments.Pour parvenir à connaître la chimie du noyau, il estnécessaire de construire des modèles à partir de rai-sonnements fondés sur des hypothèses tenantcompte de toutes les contraintes physiques établiesau chapitre précédent. Connaissant les proportionsde chaque élément dans les enveloppes externes, ilest possible de calculer des valeurs approchées de laproportion de ces éléments dans le noyau.Le pourcentage massique des éléments permet demettre en évidence la notion d’éléments majeurs :ce sont les éléments les plus représentés dans lesminéraux de la croûte et du manteau, ainsi que dansle noyau.

Limites (ne sont pas exigibles)– La connaissance des diverses structures minérales.

La lithosphère et la tectonique

des plaques

■ 2 semaines.

Cette partie aborde le modèle fédérateur des sciencesde la Terre à partir duquel s’organisent la plupartdes axes de recherche actuels. Le modèle étudié enclasse de quatrième, rappelé mais non redémontré,sert de point de départ pour poser les grandes ques-tions sur l’activité de la Terre qui seront traitées pourune part en classe de première S (cinématique,convection, divergence, points chauds) et pour uneautre part en terminale S (convergence).

Découpage de la lithosphère en plaques

L’organisation de la partie externe de la Terre endeux enveloppes concentriques montrant un comportement mécanique différent a été vue au cha-pitre précédent. La lithosphère est rigide et cassante,l’analyse de la distribution des séismes à la surfacedu globe montre que ceux-ci se répartissent suivantdes bandes très longues et étroites se relayant surtoute la surface du globe. Ces zones à forte défor-mation divisent la surface de la Terre en calottessphériques rigides : les plaques.L’observation d’une courbe hypsométrique (relevédes reliefs positifs et négatifs) cumulée montre unedistribution bimodale des altitudes correspondantaux deux types de croûte définis plus haut. Lesplaques lithosphériques peuvent être formées d’unseul type de croûte (continentale ou océanique) oucomporter les deux types.La distribution des plus forts reliefs se superpose àla distribution des séismes et souligne les limites deplaques.

Mouvements relatifs des plaques : divergence, convergence et coulissage

La cinématique qui fait l’objet de cette partie estabordée pour faire percevoir aux élèves la cohérence

du modèle global de la tectonique des plaques. Lesdéformations intenses aux limites de plaques sont laconséquence de leurs déplacements. Des observa-tions géologiques directes – par forage – permet-tent de dater les premiers sédiments déposés sur lacroûte océanique. Parmi les premiers argumentsvenant à l’appui des théories mobilistes lors de laconstruction du modèle de la tectonique desplaques, on trouve :– la faible épaisseur des sédiments déposés sur lesfonds océaniques ;– le jeune âge des plus vieux sédiments marins (en effet, la plus vieille croûte océanique date d’environ 180 millions d’années).Les premières observations permettent de dégagerles principes de base de la cinématique :– conservation du volume de la terre ;– disparition des plaques ;– création des plaques.

Pour aller plus loin, d’autres observations précisessont nécessaires.L’analyse plus détaillée de l’âge des premiers sédi-ments reposant sur la croûte montre une répartitionsymétrique par rapport à une limite de plaquesregroupant uniquement des séismes ayant une composante en extension. Les sédiments les plusrécents sont au plus près de l’axe de symétrie. Lesdonnées du magnétisme permettent de faire desobservations du même type (symétrie des anomalies).Enfin, certaines plaques océaniques, la plaquePacifique en particulier, portent des alignements devolcans. L’hypothèse selon laquelle ces volcans sontproduits à partir d’une source profonde, fixe parrapport à la plaque, est cohérente avec l’hypothèsed’un écartement des plaques à partir de l’axe desdorsales. L’alignement et l’âge des volcans sont desindicateurs du mouvement de la plaque au-dessus deces points considérés comme fixes – les pointschauds – qui seront étudiés en détail par la suite .La famille d’observations et les raisonnements ci-dessus fournissent uniquement des données devitesse moyenne des plaques pour les 180 dernièresmillions d’années. Il est souhaitable que les élèves

La lithosphère et la tectonique des plaques 9

Sciences de la vie et de la Terre – Classe de première scientifique10

puissent mettre en relation à bon escient les mesuresde vitesses instantanées faites aujourd’hui à l’aide dusystème GPS. Le principe des mesures sera abordéle plus simplement possible : il suffit que les élèvescomprennent que les balises au sol sont uniquementdes balises de réception, que les satellites possèdentdes émetteurs qui envoient un signal dans les lon-gueurs d’ondes micrométriques (qui traversent lesnuages) et qu’il est nécessaire de recevoir le signald’au moins quatre satellites pour faire une mesureprécise de position. Il est inutile d’entrer dans lesdétails du codage des signaux émis, de l’orbitogra-phie des satellites, des dérives d’horloge et de leursconséquences sur la précision des mesures.Toutefois, les élèves doivent prendre conscience dufait que la précision atteinte par les mesures GPSscientifiques est de l’ordre de quelques millimètres.Ceci impose une mesure de position au moins tousles trois ans et idéalement au bout de dix ans pourobtenir une valeur de vitesse dont l’erreur relativesoit acceptable. Des ellipses d’erreurs sont en géné-ral présentées sur les documents présentant lesmesures de vitesses GPS.Les plaques lithosphériques s’écartent depuis l’axe

des dorsales océaniques dans les zones de diver-gence. La surface de la Terre restant constante, dansles zones de convergence, une surface identique delithosphère (aux déformations près) disparaît versl’intérieur de la Terre ou est incorporée dans leschaînes de collision.Les plaques lithosphériques se déplacent sur unesphère et leurs mouvements relatifs impliquent descoulissages entre deux plaques voisines (failles trans-formantes). Il est possible de mettre en évidence cescoulissages en observant le décalage de marqueurssymétriques au voisinage d’une dorsale.

À la fin de cette partie (voir p. 16), les élèves dispo-sent de deux schémas illustrant en carte et en coupeles principes de base de la tectonique des plaques.Ces documents les suivront en classes de première etterminale scientifiques : ils seront enrichis et com-plétés au fur et à mesure des chapitres traitant spé-cifiquement de la divergence (classe de première S)et de la convergence (classe terminale S).

Limites (ne sont pas exigibles) – Les détails des techniques de positionnement GPS.

Divergence et phénomènes liés

■ 3 semaines.

Formation et divergence desplaques lithosphériques au niveaudes dorsales océaniques. Activités tectoniques et magmatiques associées

TectoniqueCette partie du programme présente la géologiedes océans et en particulier la dynamique des dorsales océaniques qui sont le lieu où l’on peut comprendre la divergence des plaques lithosphé-riques. Les dorsales océaniques sont des reliefssous-marins allongés et segmentés par des faillesqui les décalent de quelques centaines de kilo-mètres (failles transformantes).Les dorsales sont des zones actives du globe ter-restre caractérisées par des séismes à foyers super-ficiels (moins de dix kilomètres de profondeur) etdes failles normales qui attestent des mouvementsen extension.L’étude de la géométrie des dorsales est limitée àcelle des failles normales conjuguées délimitant desgrabens.

Limites (ne sont pas exigibles)– L’analyse comparative entre dorsales rapides etdorsales lentes avec leurs caractéristiques morphologiques et tectoniques*. – Les mécanismes de la rupture des roches à l’origine des réseaux de failles normales*.

MagmatismeLes dorsales sont le lieu de la création de la croûteocéanique constituée de basaltes et de gabbros.Basaltes et gabbros sont issus de la solidificationd’un magma produit par la fusion partielle despéridotites du manteau.L’imagerie géophysique et/ou l’étude des flux ther-miques montrent qu’il existe une remontée de l’asthénosphère à l’aplomb des dorsales.

Limites (ne sont pas exigibles)– Le principe et les modes de construction desimages de la tomographie sismique*.

Cette remontée de l’asthénosphère génère unedécompression adiabatique (sans perte de chaleur)à l’origine de la fusion partielle du manteau asthénosphérique.On profite de cet exemple pour présenter l’une destrois causes de la fusion partielle : la décompression,les deux autres causes (augmentation de tempéra-ture et hydratation) étant étudiées en terminale.Basaltes et gabbros ont des compositions chi-miques différentes des péridotites dont ils sontissus. En effet, lors de la fusion partielle des péridotites,une différenciation chimique se produit. La péri-dotite est composée d’olivine, de pyroxène (miné-raux ferro-magnésiens) et de plagioclase (minéralalumino-calcique).Le plagioclase fond en premier. Le liquide mag-matique aura donc une composition chimique plusriche en calcium et aluminium que la péridotiteinitiale. Ce liquide, en se solidifiant, donnera desbasaltes et gabbros. La péridotite résiduelle seraenrichie en olivine et pyroxène.En définitive, la composition chimique des basalteset gabbros dépend en premier lieu du taux defusion partielle des péridotites. Les liquides sont collectés dans une chambre magma-tique où ils pourront partiellement cristalliser. Leschambres magmatiques désignent des espaces dequelques kilomètres cubes au sein desquels on distingue une bouillie cristalline (mélange de liquidemagmatique et de cristaux) et une lentille sommitaleentièrement liquide.La cristallisation lente, en profondeur, produit desgabbros, de texture grenue.Le refroidissement rapide, en surface, produit desbasaltes, roches de texture microlitique. (Voir figures A et B, p. 16 : « Schéma légendéd’une dorsale rapide ».)

Limites (ne sont pas exigibles)– Les mécanismes de différenciation chimique parcristallisation fractionnée*. – Les modèles de fonctionnement des chambresmagmatiques et en particulier la périodicité desinjections de croûte nouvelle, les variations de vitesse de refroidissement de liquides et les processus de convection interne aux chambresmagmatiques*.

Divergence et phénomènes liés 11

Sciences de la vie et de la Terre – Classe de première scientifique12

En s’éloignant de cette zone à flux thermique élevé,les roches de la croûte océanique se refroidissent etse déforment sous l’action de la tectonique exten-sive : à la surface de la croûte, la déformation estcassante, les roches sont fracturées ; plus en profondeur, les roches se déforment de façon souple.La circulation de l’eau de mer s’accompagne d’unrefroidissement. La diminution de la températureet la circulation des fluides sont à l’origine de ladéstabilisation des minéraux magmatiques initiaux(plagioclase et pyroxène) et de la cristallisationde minéraux hydratés, stables à plus basse tempé-rature (amphiboles et chlorites).(Voir figure C, p. 18 : « Grille d’évolution de lacroûte océanique ».)

Des boucles de circulation convective hydrother-male affectent la croûte océanique dans sonensemble et les péridotites peuvent elles-mêmesêtre hydratées et à l’origine des serpentinites. Cette notion est réinvestie en classe terminale S.

Limites (ne sont pas exigibles)– Les interactions chimiques et les échangesioniques entre eau de mer et croûte océanique*.– Les mécanismes de précipitation et de formationdes substances métalliques et des amas sulfurés*.– Les interactions entre circulation des fluides,déformations et cinétique des transformationsminéralogiques*.

La croûte océanique est formée au niveau de ladorsale océanique.Le refroidissement progressif, lié d’une part àl’éloignement de la dorsale et d’autre part à lacirculation des fluides, conduit à un épaississementprogressif de la lithosphère océanique aux dépensde l’asthénosphère. La base de la lithosphère correspond approxima-tivement à l’isotherme 1 200 °C qui s’éloigne de lasurface de la croûte océanique lorsqu’on s’éloignede la dorsale. Cette limite se superpose approxi-mativement à la différence de comportementmécanique (rigide ou plastique) entre la litho-sphère et l’asthénosphère sous-jacente.(Voir figure D, p. 18 : «Schéma de la lithosphèrequi s’épaissit ».)

La densité de la lithosphère océanique augmente jus-qu’à atteindre et dépasser celle de l’asthénosphère.C’est une lithosphère océanique froide, épaisse,dense et hydratée (croûte et partie supérieure dumanteau) qui sera impliquée dans les processus desubduction qui seront détaillés en terminale S.

Marges passives des continents La formation des océans débute par l’extension etla rupture de la lithosphère continentale. Les riftscontinentaux sont des fossés d’effondrementlongs, étroits et limités par des failles normales. Unrift continental est constitué de bassins sédimen-taires comblés par des sédiments fluviatiles,lacustres ou détritiques. Les rifts continentauxsont également le siège d’une activité volcaniqueimportante et d’une activité sismique. Failles nor-males, sédimentation continentale et volcanismesont trois marqueurs géologiques de la rupture dela lithosphère continentale.

Limites (ne sont pas exigibles)– Les caractéristiques géochimiques des sériesmagmatiques liées au rifting continental*. – Les mécanismes de formation et de propagationdes failles dans la croûte continentale*.

Lorsque l’amincissement continental est devenuimportant, les marges passives se forment, qui sontla zone de transition entre croûte continentale etcroûte océanique. Les marges passives forment les bordures stables des continents. La croûte continentale y est découpée par des failles normalesqui délimitent des blocs basculés.

Limites (ne sont pas exigibles)– L’étude exhaustive de la diversité des séries sédimentaires continentales*.

Depuis le rifting continental jusqu’à la formationd’une marge passive, les séries sédimentaires sontles produits et les témoins de l’amincissement pro-gressif de la lithosphère. L’affaissement progressif(subsidence liée à l’étirement) continu ou discon-tinu du socle continental fracturé est à l’origine del’accumulation de séries sédimentaires épaisses.C’est l’occasion de développer l’étude des rochessédimentaires. L’interprétation de ces séries permetde reconstituer l’histoire précoce de la rupturecontinentale et de la formation de l’océan.En terminale S, les témoins déformés de ces margespassives seront recherchés dans les chaînes de collision continentale.Cette partie du programme de première S est l’oc-casion de présenter les relations de chronologie rela-tive entre tectonique extensive et sédimentation endistinguant les sédiments anté-, syn-, et post-rift.

Limites (ne sont pas exigibles)– Les mécanismes physiques à l’origine de la subsidence des bassins sédimentaires*.

La machinerie

thermique de la Terre

■ 1 semaine.

Le but de cette partie du programme est d’accom-pagner les élèves vers une approche très simple dela convection du manteau comme la conséquencede ses propriétés thermiques et mécaniques (rhéo-logiques). Il n’est pas question de rentrer dans les aspects phy-siques du problème, mais de faire la relation entrel’énergie interne de la Terre accumulée lors de laformation de la planète et de sa différenciation(première partie), la chaleur produite par désinté-gration radioactive des éléments dans l’ensemblecroûte-manteau et la convection du manteau.

Dissipation de l’énergie interne de la Terre

Dans ce chapitre, on s’intéresse à l’énergie interneémise par la Terre. Il n’est pas nécessaire de déve-lopper précisément les origines de la chaleur interne ;il est suffisant de considérer que la source principalede chaleur est la désintégration de certains isotopesradioactifs.L’émission d’énergie est mise en évidence par lesmesures du flux de chaleur à la surface de la Terre.Ces mesures ne sont pas aisées à réaliser et n’existentpas en très grand nombre à la surface de la Terre.Toutefois, des cartes réalisées par interpolation desdonnées montrent l’aspect du flux de chaleur interneémis par la planète. Ce flux est la manifestation de ladissipation de la chaleur interne. La distribution duflux de chaleur n’est pas homogène et son organisa-tion (zones à flux très élevé et zones à flux faible)induit l’hypothèse d’un mécanisme dynamiqueinterne contrôlant la dissipation de chaleur à l’inté-rieur de la Terre.

Convection du manteau terrestreDu fait des propriétés thermiques et rhéologiquesdu manteau, la dissipation de la chaleur qui estproduite par désintégration radioactive de certains

éléments se fait par convection du manteau. Lesroches du manteau sont à l’état solide et ont uncomportement plastique (ductile) qui permet lesdéplacements de matière. Ces mouvements deconvection assurent le transport de la chaleur et sadissipation en surface.Les conséquences de cette activité interne se manifestent en surface par :– la fabrication de lithosphère au niveau desremontées de matière dans les zones d’accrétionocéanique ;– la disparition de plaques lithosphériques cou-plées aux zones de descente de matière ;– le couplage entre le mouvement des plaques et lesmouvements de convection du manteau sous-jacent.

Les remontées de matière chaude sont associéesaux anomalies de flux positives et correspondentaux dorsales océaniques ; de façon symétrique, lesdescentes de matière sont associées aux courantsdescendants de matière plus froide.

Points chaudsLe système de convection qui concerne tout levolume du manteau ne peut expliquer le magma-tisme isolé des îles océaniques.On présente les points chauds comme les mar-queurs d’une importante dynamique interne de laTerre, indépendante des limites de plaques. Laremontée de panaches de matière chaude depuis lemanteau profond jusqu’au niveau de la lithosphèreest l’occasion de montrer qu’il existe des déplace-ments verticaux de matière très importants dans laTerre. Ces panaches sont à l’origine de productions mas-sives de laves dans les océans ou sur les continents.Si un panache se forme à l’aplomb d’un domaineocéanique, il est à l’origine de plateaux océaniquesépais.

Limites (ne sont pas exigibles)– La nature chimique de ces basaltes de plateauxocéaniques*.

La machinerie thermique de la Terre 13

Sciences de la vie et de la Terre – Classe de première scientifique14

Si un panache se forme à l’aplomb d’une croûtecontinentale, il se forme d’épaisses coulées de lavesconnues sous le nom de « trapps ».Ce magmatisme présente des caractéristiques chimiques différentes de celles des dorsales.

On insiste sur le fait que ces points chauds sont despoints fixes au-dessus desquels les plaques litho-sphériques peuvent se déplacer. En conséquence, cespoints chauds peuvent servir de référentiel (chrono-logique) pour les déplacements des plaques.

Limites (ne sont pas exigibles)– La nature chimique des basaltes des plateauxocéaniques.– La nature chimique et pétrographique destrapps.– Les mécanismes de formation des panaches*.– Les processus de blocage (stockage) despanaches sur les différentes discontinuités duglobe*.– La géométrie et les structures thermiques despanaches*.

La classe de terrain, une démarche scientifique 15

■ 1 séance.

En géologie…La classe sur le terrain permet à l’élève d’appréhen-der le réel et l’amène à choisir :– les limites de son objet d’étude ;– les objets qui ont du sens (dégager l’essentiel del’accessoire) ;– les roches à échantillonner.

Objectifs essentiels de la classe de terrain– Ancrer la géologie dans la réalité de son objet, laTerre : voir, observer, choisir, récolter, expérimenterpour comprendre.– Accéder à la maîtrise de méthodes et à l’utilisationd’outils.– Apprendre à distinguer les faits observés et décritsde leur interprétation.– Inciter à la réflexion critique sur les méthodes, lessavoirs, leur évolution et donc leurs limites.– Discuter la notion de modèle, son utilité et sa précarité.– Acquérir des connaissances.– Susciter l’imagination, source de nouvellesréflexions.

Pratiquer la classe de terrain pour qu’elle soit démarche scientifique– Poser le problème : tenir compte des prérequis denos élèves, proposer éventuellement un ou desmodèles qui permettent d’envisager une solution.– Récolter les données, observer :• présenter le cadre des observations

conceptuel (quelle est la question qui justifie lavenue sur site ?),géométrique (quelle est l’échelle de l’observa-tion?) ;

• observer et commenter les affleurements à l’échelleréelle, déterminer les relations entre les objets ;

• repérer les roches dans leur contexte, échantillon-ner après sélection, s’approprier les données ;• décrire et dessiner, éventuellement photographier ;• comparer les descriptions des élèves entre elles etavec des descriptions de géologues (insister sur l’évo-lution des transcriptions liées aux outils nouveauxet aux modélisations successives qui influent sur laperception des faits).– Raisonner :• pour donner une interprétation, des faits en appli-quant les principes de la géologie, en réinvestissantdes connaissances ;• à partir de ces interprétations pour vérifier ouinvalider le modèle proposé en solution au problèmeénoncé ;• afin de rechercher des données complémentairesimpliquées par le modèle.– Imaginer, le cas échéant, des solutions alterna-tives au modèle retenu, les moyens de les tester, etmettre en œuvre ces moyens.– Communiquer : exprimer dans un langage scienti-fique et grammaticalement correct le problème poséet la solution envisagée, les données récoltées, leurinterprétation, le résultat de leur confrontation aumodèle. Les modes de représentations scientifiques(dessins, schémas) seront soignés, titrés et légendés.– Valider la classe de terrain par un compte renduou un exercice récapitulatif.– Évaluer les connaissances et les compétencesacquises par des exercices à l’occasion desquelscelles-ci sont réinvesties pour la solution de pro-blèmes nouveaux.

En biologie végétale…Le terrain est l’occasion de décrire les objets dansleur contexte et d’appréhender les paramètres deleur environnement.Les données récoltées sont exploitées en classe et ser-vent de base à la partie du programme traitant dela morphogenèse végétale.

La classe de terrain,

une démarche scientifique

Sciences de la vie et de la Terre – Classe de première scientifique16

Commentaires sur les figures A et B

Il ne faut pas confondre la dorsale et l’axe de la dor-sale. La dorsale est une structure très vaste, un bom-bement morphologique symétrique à l’échelle d’unocéan (large de plusieurs milliers de kilomètres).

L’axe d’une dorsale est la partie centrale, active decette structure où se produisent les phénomènes vol-caniques et tectoniques responsables de la créationde lithosphère océanique nouvelle. La tectonique estactive sur une largeur de 20 km environ.

Figure ACoupe simplifiée d’une dorsale océanique montrant la croûte et le manteau océaniques, la lithosphère et l’asthénosphère.

Figure BCoupe synthétique montrant les divers éléments structuraux et lithologiques typiques des dorsales rapides, àproduction continue de croûte océanique.

AN

NEX

E

Annexe 17

AN

NEX

ELa figure A permet de mettre en place la notion delithosphère et d’asthénosphère au niveau des dor-sales océaniques.La figure B, qui est un détail d’une zone axiale dedorsale rapide, permet de visualiser ces processusaxiaux.La lithosphère et l’asthénosphère doivent être dis-tinguées selon des critères rhéologiques, c’est-à-direrelatifs au comportement mécanique. Cette distinc-tion est apparue très tôt aux géologues qui ont compris dès le début du XXe siècle, en étudiant lerebond post-glaciaire et la charge des deltas sous-marins, que sous une enveloppe superficielle capablede ployer élastiquement doit nécessairement existerune enveloppe plus chaude capable de fluer, c’est-à-dire de s’écouler. Ce fluage se fait à l’état solide.

Figure AOn remarque l’augmentation progressive des pro-fondeurs de part et d’autre de l’axe de la dorsalerésultant du processus de subsidence thermique.Dans les conditions proches de la surface de la Terre(jusqu’à 100 km de profondeur), le comportementdes roches du manteau est essentiellement sous lecontrôle de la température. Au-dessous de 1200 °C,le manteau supérieur, constitué de péridotites appau-vries, se trouve dans les conditions lithosphériques.Au-dessus de cette température, il est dans les condi-tions asthénosphériques. L’isotherme 1 200 °C est donc la limite fondamentale qui conditionne le comportement de la partie externe de notre globe.Du fait du refroidissement progressif des roches dela lithosphère océanique à mesure de leur migra-tion de part et d’autre de l’axe des dorsales, l’iso-therme des 1 200 °C tend à s’enfoncer progressive-ment et symétriquement de part et d’autre de l’axede la dorsale et la lithosphère s’épaissit ainsi jusqu’àatteindre 80-100 km d’épaisseur sous les océans lesplus âgés. La température générale s’abaissant, ladensité moyenne augmente et la plaque s’enfoncedans l’asthénosphère. Les fonds marins s’approfon-dissent régulièrement depuis les bords de l’axe de ladorsale jusqu’aux plaines abyssales, de 2 500 à4000 m.La lithosphère est l’enveloppe supérieure rigide,mais aussi élastique à long terme, qui transmet lescontraintes. Ainsi une force appliquée à une limitede plaque lithosphérique est transmise de procheen proche aux autres limites sans que la plaque nese déforme significativement (on constate qu’il n’y aen effet pas – ou peu – de séismes intraplaques). Elleest élastique puisqu’elle peut reprendre sa formeaprès une déformation faible à grande longueurd’onde (charge glaciaire par exemple). En revanche,elle subit des dommages permanents dans le cas decollisions. La croûte continentale et la croûte océa-

nique, toujours à des températures inférieures à1200 °C, se trouvent donc systématiquement dansles conditions de la lithosphère.Dans l’asthénosphère, les roches restent essentielle-ment solides, mais au sommet de cette enveloppe, dufait de la température élevée et de la pression encorerelativement faible, une infime portion du manteausupérieur est fondue (moins de 1 %, c’est la LVZ (Low Velocity Zone), sauf à l’axe des dorsales où lemagma tend à se concentrer. Dans l’asthénosphère,du fait de la température plus élevée, une contraintefaible engendre un mouvement de fluage et l’en-semble du manteau peut donc s’écouler lentementà l’état solide (processus de convection du manteau).On le voit, le comportement est donc totalement différent de celui de la lithosphère.

Figure BLa quantité de magma produite à l’axe des dorsalesrapides est importante, de ce fait la croûte est épaisseet toujours continue. Celle-ci résulte de la cristalli-sation de magmas extraits du manteau remontantsous l’axe selon un gradient adiabatique (la remon-tée est assez rapide pour que le manteau n’échangepas de chaleur). La fusion partielle et l’extractioncommencent vers 60 km de profondeur. Après lafusion, les zones du manteau concernées quittent lazone sub-axiale selon les trajectoires indiquées,presque horizontalement. Les magmas sont collec-tés sous l’axe et se rassemblent par injection de sillsdans une zone à très haute température, autrefoisappelée chambre magmatique, qui est en fait unassemblage serré de cristaux baignant dans lemagma (terme souvent employé, à la suite deA. Nicolas : la « bouillie cristalline »). Les donnéessismiques nous montrent qu’existe souvent un réser-voir de magma (qu’on peut considérer commecontenant 100 % de liquide) au sommet de labouillie cristalline. Il est de faible épaisseur (50-200 m) et d’une largeur pouvant atteindre 1 km.Il peut être continu sous un segment entier (del’ordre de plusieurs dizaines de kilomètres). Unsecond réservoir pourrait exister au niveau duMoho, à la base de la bouillie cristalline. Les gab-bros proviennent de la cristallisation complète dela bouillie cristalline de la zone axiale, la cristallisa-tion se fait du toit (plus froid, car refroidi par l’hy-drothermalisme) vers le bas. Les filons du complexefilonien en s’injectant les uns dans les autres mon-trent que la dorsale est le siège d’une expansioncontinue. Ils sont extraits de la lentille de magmasommitale.La croûte et le manteau sont des entités litholo-giques dont la composition minéralogique et chi-mique diffèrent. La croûte océanique provient de lacristallisation des magmas extraits du manteau.

Sciences de la vie et de la Terre – Classe de première scientifique18

Figure CDiagramme pression-température simplifié présentant les transformations minéralogiques qui accompa-gnent l’évolution (refroidissement, hydratation) des roches de la croûte océanique au fur et à mesurequ’elles s’éloignent de la dorsale.

plagioclase + pyroxène + eau ➔ amphibole hornblendeplagioclase + hornblende + eau ➔ chlorite + actinote

0,5

25 km

1

GPa

200

chlorite+

actinote+

albite(pôle sodique

du plagioclase)

plagioclase+

amphibolehornblende

+eau

plagioclase+

pyroxène+

eau

400 600 800 1000 1200 °CAN

NEX

E

Figure DSchéma de la lithosphère qui s’épaissit tandis que la croûte océanique «magmatique» (basaltes, complexe filo-nien, gabbros) garde une épaisseur constante. D’après Nicolas A., Les Montagnes sous la mer, Éditions BRGM,1999 (www.brgm.fr).

Sciences de la vieDes phénotypes à différents niveaux

d’organisation du vivant

Du génotype au phénotype,

relations avec l’environnement

Du génotype au phénotype, relations avec l’environnement 21

■ 6 semaines.

Cette partie du programme nécessite la maîtrisedes connaissances de la classe de seconde concer-nant la structure de l’ADN.Un des objectifs fondamentaux de cette partie estde mettre en place les modalités élémentaires del’expression des gènes et donc la façon dont ilsinterviennent dans la réalisation du phénotype. Unsecond objectif est de montrer la complexité desrelations entre génotype et phénotype et de casserl’idée d’un déterminisme strict entre allèle et phénotype macroscopique.

La diversité des phénotypesÀ l’aide d’exemple(s), on identifie les différenteséchelles de définition du phénotype (macrosco-pique, cellulaire, moléculaire). Cette étude per-met de constater des différences dans les structuresdes protéines concernées par les phénotypes alter-natifs étudiés ; les phénotypes alternatifs sont lesvariations d’un même caractère présentées pardivers individus de la même espèce.Les liens complexes pouvant exister entre les dif-férents niveaux de définition du phénotype sontainsi établis. Dans ce chapitre, on s’attache à laprécision du vocabulaire de manière à ne pas uti-liser des expressions comme « gène d’unemaladie ».L’éventuelle présentation d’un arbre généalogiquepermet seulement de sensibiliser au caractère héré-ditaire des phénotypes envisagés, mais l’analyseprécise de cet arbre est exclue.On met en parallèle phénotype moléculaire etséquence nucléotidique : la notion d’allèle vue enclasse de seconde est réinvestie. On souligne ainsiqu’un allèle s’exprime par la synthèse d’un polypeptide.Il est nécessaire de familiariser les élèves avec lastructure primaire d’une protéine, dont dépend sastructure spatiale. La structure primaire est biendéfinie et l’on précise qu’il existe une vingtained’acides aminés.

Limites (ne sont pas exigibles)– La structure secondaire (hélice alpha et feuilletbêta) des protéines*.– Les problèmes de génétique des populations : la répartition géographique de divers phénotypes*.– L’étude précise et la construction d’arbres généa-logiques*.

Des protéines actives dans la catalyse : les enzymes

L’activité des protéines contribue à la réalisationdu phénotype : l’étude des enzymes correspond àune illustration de ce fait.L’activité catalytique ainsi que la double spécificitédes enzymes sont étudiées expérimentalement.L’examen de la variation de la vitesse initiale dela réaction en fonction de la concentration initiale de substrat a permis de comprendre histo-riquement la formation du complexe enzyme-substrat.La notion de site actif, résultant de la structurespatiale de la protéine, est précisée : on distinguesite de reconnaissance, en liaison avec la spécificitéde substrat, et site catalytique, en liaison avec laspécificité d’action.Les variations de l’activité enzymatique en fonctiondes conditions de l’environnement peuvent être àl’origine d’une certaine plasticité du phénotype. Lesconditions du milieu (température, pH, etc.) peu-vent modifier la structure spatiale de la protéine etl’enzyme peut devenir non fonctionnelle.Des changements de la structure primaire suite àune mutation peuvent également modifier la struc-ture spatiale de la molécule et dans ce cas l’enzymesynthétisée peut être non fonctionnelle. Le phéno-type macroscopique ou cellulaire est alors altéré.

Limites (ne sont pas exigibles)– L’étude de l’allostérie.– L’étude des coenzymes.– La discussion sur les limites de la spécificité desenzymes*.

Sciences de la vie et de la Terre – Classe de première scientifique22

– La nature des liaisons enzyme-substrat au niveaudu site actif*.– Les lois de la cinétique enzymatique.

La synthèse des protéinesIl s’agit de mettre en place les deux grandes étapesde la synthèse : transcription et traduction.Le brin transcrit sert de matrice à la constructionde l’ARN messager (ARNm), construction cataly-sée par l’ARN polymérase.La synthèse protéique est localisée dans le cyto-plasme et décrite de manière très simple : les ribo-somes sont présentés comme des outils de cettesynthèse ; le codon initiateur oriente la lecture dumessage contenu dans l’ARNm et la traductions’arrête au codon STOP.Les élèves apprennent à utiliser le code génétique.Ce code génétique est universel, non ambigu etdégénéré (le doublet initial peut être seul détermi-nant) ; la nature dégénérée du code a pour consé-quence sa redondance.

Limites (ne sont pas exigibles)– La notion de gène morcelé.– Le contrôle de la transcription.– La maturation des ARN.– La maturation et le devenir des protéines.– La notion d’ARNt*.– La structure du ribosome*.

Complexité des relations entre gènes, phénotypes et environnementUn premier niveau de complexité résulte de la pré-sence de deux allèles d’un même gène dans les cel-lules diploïdes. Un même gène peut exister sous laforme de nombreux allèles.Les notions de dominance et de récessivité (envi-sagées en troisième) peuvent être discutées ; seulesles notions d’homozygotie, d’hétérozygotie, d’allèle conduisant à une protéine fonctionnelle ounon, sont nécessaires.Un second niveau de complexité résulte du faitqu’un phénotype peut dépendre de l’expression deplusieurs gènes.Pour un même phénotype macroscopique, plusieurs génotypes sont possibles.Avec un nombre limité d’exemples, on montre quele phénotype macroscopique dépend non seule-ment des gènes mais aussi de facteurs environne-mentaux ; il s’agit seulement de dresser un constat,les phénomènes explicatifs ne sont pas évoquésmais il s’agit de comprendre qu’un même génotypepeut conduire à des phénotypes macroscopiquesdifférents. On remet ainsi en question le caractèreunivoque du lien direct qui pourrait être encorefait entre la possession de deux allèles d’un gène etle phénotype macroscopique.

Limites (ne sont pas exigibles)– Les différentes mutations*.– La restitution d’exemples*.– L’interprétation d’un arbre généalogique*.– Les modes de régulation des facteurs extérieurssur l’expression des gènes*.

La morphogenèse végétale

et l’établissement du phénotype

■ 5 semaines.

Ce chapitre s’appuie sur les connaissances acquisesen classe de seconde et permet de réinvestir lesnotions sur l’organisation de la cellule végétale, lecontrôle génétique de la division cellulaire et lastructure de la molécule d’ADN.L’ensemble du programme de première S s’articuleautour de la relation existant entre le génotype et lephénotype d’une espèce. On a déjà établi dans lepremier chapitre et chez les animaux, la complexitédes relations entre gène, phénotype et environne-ment. Il s’agit ici, chez les végétaux, de prolonger etd’approfondir ces relations et donc de comprendre :– que l’établissement du phénotype met en jeu unensemble de processus biologiques gouvernés parle génome (mitose, métabolisme cellulaire, actiondes hormones, mise en place des structures de l’organisme) ;– que la diversité phénotypique des végétaux estsoumise à la variabilité de facteurs biotiques etabiotiques.On conforte ainsi l’idée que le phénotype mor-phologique chez les végétaux résulte, comme chezles animaux, de l’expression du génotype et de samodulation par l’environnement.Cette partie du programme donne l’occasion demettre en œuvre de très nombreuses manipula-tions. Certaines d’entre elles concernant la crois-sance demandent un temps supérieur au tempsimparti aux travaux pratiques. La stratégie péda-gogique doit être adaptée à ces contraintes.

La diversité morphologique des végétaux

Cette première partie introductive a pour objectifd’observer et de décrire la diversité morphologiquedes végétaux. On souligne dans chacun des cas,sans approfondir les mécanismes, la relation entrela morphologie du végétal, les caractéristiquesgénétiques de l’espèce et les conditions environ-nementales.

Pour cela, on s’appuie sur trois exemples qui peu-vent être rencontrés, notamment au cours de la sortie de terrain :– la diversité du port ou de la morphologie desvégétaux en fonction de leur espèce et donc deleurs propres caractéristiques génétiques ;– la variation morphologique végétale au seind’une même espèce sous l’influence des conditionsenvironnementales ;– la convergence de formes et de structures de cer-tains organes dans des espèces différentes soumisesaux mêmes conditions environnementales.

Limites (ne sont pas exigibles)– Les mécanismes de l’adaptation d’une espèce àdes conditions de milieu*.

La morphogenèse : division et croissance cellulaire

La diversité morphologique et ses relations avec legénotype et les conditions environnementalesayant été constatées à l’échelle de l’organisme, onva rechercher, observer et décrire les processuscytologiques qui sont liés à la réalisation archi-tecturale du phénotype morphologique.Ainsi la mitose, la croissance en longueur et la dif-férenciation cellulaire sont reconnues dans des ter-ritoires spécialisés comme des événements cellulairesliés à la morphogenèse. D’un point de vue pratique,le méristème radiculaire et les territoires associéssemblent les mieux appropriés pour montrer la loca-lisation des zones de mitose, de croissance et dedifférenciation. Mais on peut aussi comparer cette organisation àcelle des apex caulinaires responsables de la mor-phogenèse des parties aériennes. La notion de crois-sance indéfinie peut être abordée à cette occasion.Au cours de la vie du végétal, tant que les méris-tèmes restent fonctionnels, la croissance et l’orga-nogenèse se poursuivent bien que la plupart des cel-lules soit différenciée.

La morphogenèse végétale et l’établissement du phénotype 23

Sciences de la vie et de la Terre – Classe de première scientifique24

Limites (ne sont pas exigibles)– La description détaillée des structures des méristèmes.– La description détaillée des cellules différenciées.– Les mécanismes de la différenciation cellulaire etde l’organogenèse.– La morphogenèse des feuilles.– Le contrôle du fonctionnement des méristèmes etla croissance en épaisseur.

La mitose : un processus commun aux cellules eucaryotes

La mitose a été vue précédemment comme un pro-cessus étroitement lié à la croissance. On va lui donner ici son sens génétique. Le cycle cellulaire permet au cours de l’interphase une réplication semi-conservative de la molécule d’ADN fondée sur la com-plémentarité des bases azotées dans la cellule mère.La réplication semi-conservative de l’ADN a étémise en évidence chez les procaryotes par Meselsonet Stahl ; elle sert de support pédagogique à la des-cription de la réplication de l’ADN abordée dans leprogramme chez les cellules eucaryotes.La mitose assure au niveau cellulaire une répartitionà l’identique de l’information génétique dans les cel-lules filles. Pour donner la dimension commune auprocessus de la mitose chez les eucaryotes, on a lapossibilité de choisir un exemple de cycle cellulaireparmi les espèces animales.À l’interphase, des synthèses permettent aussi l’accroissement du matériel cytoplasmique qui seraréparti équitablement entre les deux cellules filles aucours de la mitose.

Limites (ne sont pas exigibles)– La description détaillée des phases de la mitose*.– Les différences entre mitose animale et mitosevégétale*.– Le contrôle du cycle cellulaire.– Les mécanismes de la mitose (formation et fonc-tionnement des fibres du fuseau achromatique, formation du phragmoplaste…)*.– L’organisation des chromosomes*.

Contrôle de la croissance cellulaire dans la tige par une hormone : l’auxine

L’élongation cellulaire ayant été mise en évidenceprécédemment, on recherche dans un premier tempsles particularités structurales de la paroi cellulaireprimaire (plasticité) et la propriété physiologique(pression de turgescence) conditionnant la possibi-lité de grandissement. En effet, pour permettrel’élongation cellulaire, ces particularités structurales

et physiologiques sont nécessairement requises aumême moment.Sur le plan structural, la paroi cellulaire est essentiel-lement composée de polysaccharides dont la cellulose, les pectines et les hémicelluloses. On sensibilise à la complexité de l’architecture molécu-laire de la paroi et à la possibilité de sa déforma-tion sous l’action de forces de pression.Les expériences de turgescence et plasmolyse prati-quées sur des cellules adultes peuvent être utiliséespour mettre en évidence l’existence d’une pressionqui s’exerce sur la paroi cellulaire. Sur ces cellulesadultes, cette pression provoque des déformationsréversibles (élastiques) de la paroi secondaire. Sur descellules jeunes, cette pression est à l’origine de défor-mations irréversibles (plastiques) de la paroi primaireindispensable au grandissement. L’utilisation de pro-toplastes permet de mieux comprendre l’importancedes relations entre pression intra-cellulaire et paroi.L’élongation ayant été expliquée, on oriente larecherche vers les facteurs susceptibles de la favori-ser. Les observations peuvent être réalisées sur deshypocotyles ou des coléoptiles, organes dontl’agrandissement est lié uniquement à l’élongationdes cellules.On introduit ainsi le contrôle de la croissance par unfacteur d’origine interne : l’auxine. La mise en évi-dence d’une hormone végétale (l’auxine) agissant àpartir de l’apex sur l’élongation peut être réalisée surdes coléoptiles (expériences historiques : Went,Thimann). Ces expériences permettent de mettre enévidence deux zones distinctes du coléoptile : la zoneémettrice d’auxine située dans l’apex et la zone récep-trice située plus bas dans le coléoptile. L’auxine estune hormone végétale, messager chimique émis pardes cellules sécrétrices qui transmet son informationà distance à d’autres cellules cibles pourvues de récep-teurs spécifiques. La production d’auxine est ensuitereplacée dans le cadre plus général de la planteentière. Les mécanismes d’action de l’auxine sont trai-tés simplement sur documents, sans démonstration.On indique sa double action : à court terme sur laplasticité de la paroi et à plus long terme sur l’ex-pression des gènes du métabolisme (action de l’auxinesur la transcription et l’expression d’enzymes assurantla formation des polysaccharides, matériaux néces-saires à la croissance de la paroi cellulaire).Avec cette action à long terme de l’auxine, on a denouveau souligné le contrôle de la morphogénèsepar le génotype.

Limites (ne sont pas exigibles)– Les mécanismes de synthèse et de construction dela paroi (synthèse de la cellulose, construction de laparoi et diversité des molécules qui la composent).– Les mécanismes détaillés des échanges hydriques,les notions de potentiel hydrique et de pressionosmotique.

La morphogenèse végétale et l’établissement du phénotype 25

– Les mécanismes moléculaires détaillés de l’actionde l’auxine sur la paroi.– Les mécanismes de transport de l’auxine*.

Le développement du végétal : influence de la répartition deshormones en interaction avec l’environnementLa dernière partie de ce chapitre traite de l’actionassociée des facteurs internes (hormones) et des fac-teurs externes (environnement) sur la morphogenèse.On se place dans deux situations : plante entière etcultures in vitro.Sur la plante entière, deux types d’interaction sontdéveloppés :– Une interaction entre les hormones de croissanceet l’intensité lumineuse à l’origine de la croissanceorientée (phototropisme).On montre que sous l’action d’un éclairement uni-latéral, l’auxine s’accumule par migration latéraledu côté le moins éclairé. L’élongation différentielleest liée à un mécanisme de redistribution de l’auxineà l’intérieur des tissus.D’autres tropismes, comme le gravitropisme res-ponsable de la croissance verticale des végétaux,peuvent aussi être pris comme exemples de la répar-tition inégale des hormones.– Le développement harmonieux de rameaux laté-raux est sous le contrôle antagoniste de l’auxine et

des cytokinines en provenance des racines. Les expé-riences sur la dominance apicale permettent d’introduire cette notion.De la même façon, la formation de nouvelles racinesest principalement sous le contrôle de l’auxine.En culture in vitro, une organogenèse provoquéeassocie la totipotence (propriété de dédifférencia-tion) des cellules végétales et leur réponse aux hor-mones (considérées ici comme facteurs de croissancevégétale). En milieu de culture favorable et stérileet sous l’action de diverses hormones végétales, onstimule la caulogenèse et la rhizogenèse d’explantset de cals pour obtenir de jeunes plantes morpholo-giquement identiques. L’importance des concentra-tions d’auxine sur la rhizogenèse peut être abordéeà partir d’expérimentations sur le bouturage (actionde «poudres à boutures» à base d’auxine).En conclusion, un bilan peut être construit sur l’éta-blissement du phénotype morphologique chez lesplantes. Il traduit le fait que le phénotype morpho-logique d’une plante est le résultat des interactionsentre l’expression du génotype et son contrôle parl’action associée de facteurs internes (hormones) etexternes (environnement). Ces relations sont prisesen compte aujourd’hui dans les pratiques culturales.Elles témoignent de l’intérêt des études biologiquesfondamentales pour les progrès des pratiques horticoles et agricoles.

Limites (ne sont pas exigibles)– Les mécanismes d’action des cytokinines.

La régulation de la glycémie

et les phénotypes diabétiques

■ 3 semaines.

En classe de seconde, il a été vu que l’organismepeut s’adapter à des variations de l’environnement.L’exemple choisi (l’effort musculaire) a permis demontrer la participation et la coordination dedeux systèmes, respiratoire et circulatoire, pourassurer l’approvisionnement nécessaire en dioxy-gène et en glucose des cellules musculaires. La miseen réserve du glucose sous forme de glycogènedans ces mêmes cellules a été soulignée.Ce thème de première S aborde pour la premièrefois au lycée la régulation hormonale d’une fonc-tion physiologique, qui intègre la contribution defacteurs génétiques multiples et de nombreux facteurs environnementaux. Seule la régulation à court terme est envisagée.

L’homéostat glycémiqueLa glycémie (un des paramètres du milieu inté-rieur) est maintenue stable à court terme malgrédes variations importantes quotidiennes chez unepersonne de phénotype non diabétique (du pointde vue physiologique). La glycémie oscille en per-manence autour d’une valeur physiologique voi-sine de 1 g. L-1 qui est la grandeur de consigne.Cette valeur est ajustée en permanence, alors queles apports alimentaires glucidiques et les besoinstissulaires en glucose varient considérablement aucours de la journée. Ceci suggère la mise en œuvred’un système de régulation.Le glucose est un nutriment dont l’apport est irré-gulier et dont l’utilisation peut être immédiate ouretardée. Il peut être stocké : le foie joue un rôlemajeur comme organe assurant la gestion desréserves glucidiques. Le fonctionnement des cel-lules musculaires et des cellules du tissu adipeuxcontribue aussi à cette régulation mais de façonmoins directe.L’ajustement permanent de la glycémie nécessite laprésence de capteurs sensibles aux variations de lavaleur de la glycémie : ce sont des détecteursd’écarts. Ces capteurs de la glycémie sont des

cellules endocrines situées dans les îlots deLangerhans du pancréas et sont de deux sortes : lescellules α et les cellules β. Chaque type cellulaireémet un messager chimique, sécrétion endocrine,appelé hormone: l’insuline par les cellules β et le glu-cagon par les cellules α. C’est l’occasion de définirune hormone dans un organisme animal.Le message hormonal est codé par la concentra-tion plasmatique de l’hormone. À chaque instant,cette concentration plasmatique dépend de lavitesse de sécrétion des hormones et de celle deleur dégradation (demi-vie).Les hormones n’agissent que sur les cellules cibles,c’est-à-dire des cellules qui expriment des récep-teurs spécifiques à ces hormones.Le pancréas endocrine produit deux hormones auxeffets antagonistes dont le mode d’action estdéfini :– l’insuline agit sur toutes les cellules de l’orga-nisme sauf les cellules nerveuses ; cependant, cer-taines cellules de l’hypothalamus impliquées dansle contrôle de l’appétit sont pourvues du récepteurde l’insuline. Elle augmente l’utilisation cellulairedu glucose : elle est donc hypoglycémiante. Elleactive la pénétration du glucose dans les cellules etson catabolisme intracellulaire. Elle permet le stoc-kage du glucose sous forme de glycogène dans lefoie et dans les cellules musculaires squelettiques(glycogénogenèse). Elle permet également au foiede synthétiser des triglycérides à partir du glucose.Ces lipides sont aussitôt exportés vers le tissu adi-peux (déviations pathologiques : le foie gras d’oieou de canard, le foie des alcooliques) ;– le glucagon agit essentiellement sur les celluleshépatiques. Il est hyperglycémiant et favorise lalibération du glucose par le foie dans la circulationgénérale (glycogénolyse).La glycémie (valeur de consigne relativement stable= 1 g. L-1) est la grandeur réglée du système réglé(compartiment plasmatique). Le système réglant uti-lise des capteurs enregistrant les écarts de la glycé-mie et l’ensemble des organes et mécanismes quisont amenés à réagir pour corriger ces écarts. Lescellules α et β sont les détecteurs d’écarts et en même

Sciences de la vie et de la Terre – Classe de première scientifique26

La régulation de la glycémie et les phénotypes diabétiques 27

temps elles constituent le système de commande dela régulation en adaptant leur sécrétion hormonaleà la situation. Les écarts à la valeur de consigne sontcorrigés automatiquement (boucle de rétro-actionnégative ; régulation en constance).

Limites (ne sont pas exigibles)– Les mécanismes de transfert transmembranairedu glucose.– Les autres paramètres stimulateurs de la sécré-tion d’insuline et du glucagon.– L’augmentation de la capture des acides aminéset la synthèse des protéines sous l’effet de l’insuline.– Les autres hormones qui interviennent dans larégulation de la glycémie.– La régulation de la prise alimentaire et la physiologie du jeûne prolongé.– Les mécanismes de la lipogenèse.– Les boucles de régulation plus complexes sous-tendant des processus de régulation à long terme*.

Les phénotypes diabétiquesLes phénotypes diabétiques sont la conséquence dedérèglements pathologiques du système de régu-lation glycémique. Au niveau métabolique, lesphénotypes diabétiques (diabètes sucrés) sont défi-nis par une hyperglycémie chronique. Il n’y a pasun diabète sucré mais des diabètes sucrés dont lescauses sont différentes.On distingue deux grands types de diabète :– le diabète de type 1 est caractérisé par la des-truction totale des cellules β (pas d’insuline pro-duite) et l’augmentation du nombre des cellules α ;on constate une recomposition du pancréas ;– le diabète de type 2 est caractérisé par unedouble pathologie, affectant les cellules cibles del’insuline (insulino-résistance) et les cellules β(déficit de sécrétion de l’insuline).

Facteurs génétiques et facteurs environnementauxIl faut insister sur l’importance des études épidé-miologiques pour l’identification de ces facteurs,et leur importance relative dans le déterminismedes diabètes.L’exemple type est celui du risque de diabète chezles vrais jumeaux : si l’un deux est atteint de dia-bète de type 1, l’autre n’a que 40 à 50 % de risqued’être atteint. Dans le cas du diabète de type 2, lerisque d’être atteint pour le deuxième est de 90 %.Le génotype n’est donc pas seul en cause ; des fac-teurs environnementaux interviennent.

Facteurs génétiques– Un gène = un diabète ? Il existe des diabètesmonogéniques dans le type 2 seulement, mais ils

sont rares et donc non représentatifs de la majoritédes cas de type 2 (5 % des cas, au plus). Ce sontles diabètes dits « Mody » (maturity onset diabetesof the young) : les cinq formes différentes identi-fiées à l’heure actuelle correspondent à cinq gènesdifférents. Ces diabètes sont intéressants dans lamesure où ils illustrent la variété des gènes affec-tés (gènes des enzymes du métabolisme du glu-cose – glucokinase, gènes des facteurs de trans-cription nécessaires pour la différenciation de lacellule β ou la synthèse de l’insuline).– Plusieurs gènes = un diabète ? C’est l’immensemajorité des cas : 95 % des types 2 et tous lestypes 1. Ce sont des diabètes dits polygéniques :des associations complexes entre plusieurs gènesmutés sont responsables de la maladie. La muta-tion d’un seul d’entre eux n’est pas suffisante pourdéclencher ces pathologies (notion de gène de susceptibilité).Dans la plupart des cas, il ne suffit pas de posséderla combinaison génique pour développer automati-quement la maladie : il faut y adjoindre l’effet de unou plusieurs facteurs d’environnement qui auront lerôle de facteur déclenchant (analogie avec un cade-nas à combinaisons multiples).Dans le cas des types 1, des études épidémiolo-giques ont montré une corrélation entre la présence de certains gènes et les phénotypes diabétiques (DR3 et DR4) ; ces gènes sont doncqualifiés de gènes de susceptibilité. Plus de 90 %des patients de type 1 possèdent ou DR3 ou DR4,alors que dans la population saine ce pourcentagen’est que de 40 à 50 %. Si on recherche la présencesimultanée de DR3 et DR4, on la trouve chez 30à 50 % des diabétiques alors que sa fréquencen’est que de 6 % dans la population saine.Dans le cas des type 2, l’identification des gènesaffectés est fondée sur les données de la physiolo-gie : tout gène dont le produit est impliqué dansla régulation de la sécrétion de l’insuline et/ou l’effet cellulaire de l’insuline, de la croissance etdifférenciation des cellules β devient un gène candidat. L’identification de ces gènes repose surla connaissance des modèles animaux de diabète(modèles spontanés, modèles issus de manipula-tions génétiques).À l’heure actuelle, on connaît un certain nombre demutations mineures affectant le fonctionnement decertains gènes candidats, ces mutations étant impli-quées dans les fonctions biologiques précitées.Cependant, ces mutations à elles seules et prisesséparément ne suffisent pas à expliquer la maladie.

Facteurs environnementauxPour le diabète de type 1, les facteurs environnemen-taux restent mal définis : virus, certains constituantsalimentaires (certaines protéines du lait de vache),certains polluants des aliments (nitrosamines).

Sciences de la vie et de la Terre – Classe de première scientifique28

Pour le diabète de type 2, l’état nutritionnel(hyperphagie, surpoids) et le comportement(sédentarité) sont clairement en cause dans l’ap-parition de la maladie ; il présente donc un liendirect avec l’obésité.

Traitement des diabètes et médecine prédictivePour les deux types de diabète, les traitements res-tent pour l’heure symptomatiques (combattrel’hyperglycémie et l’hyperlipidémie chroniques, lagluco-toxicité) et ne permettent certainement pas deprévenir la maladie. Pour les deux types de diabète,la connaissance des facteurs de susceptibilité pro-

gresse actuellement. En l’absence de mesures effi-caces de prévention (la seule valable actuellementpasse par l’amélioration de l’alimentation dans lapopulation générale et principalement celle desjeunes, qui présentent un risque important de dia-bète de type 2), l’identification des sujets à risquese met en place et peut soulever des problèmes sur leplan éthique (embauche professionnelle, contratd’assurance).

Limites (ne sont pas exigibles)– L’étude détaillée du diabète de type 1.– L’étude détaillée des divers polymorphismesgéniques associés au diabète de type 2.

Les parts du génotype et de l’expérience individuelle dans le fonctionnement du système nerveux

■ 6 semaines.

L’étude du fonctionnement du système nerveux s’in-tègre au thème général des sciences de la vie : «Desphénotypes à différents niveaux d’organisation duvivant ». Les réflexes innés ou la perception dumonde extérieur ne sont pas spontanément envisagéspar les élèves comme des phénotypes d’un individuau même titre que ses autres caractéristiques. Il s’agitdonc de mener une réflexion aux différents niveauxd’organisation du vivant pour permettre une appré-hension du système nerveux sous cet angle général.Au collège comme en seconde, le message ner-veux n’est pas décrit et le rôle des centres nerveuxest à peine abordé. Il s’agit donc aussi de fournirles connaissances de base sur la communicationnerveuse et le rôle des centres nerveux.Cette partie du programme se termine par l’étudede la neuroplasticité, concept indispensable pourcomprendre la part de l’expérience individuellecomplétant la part du génotype dans le fonction-nement du système nerveux.Dans cette partie, les activités envisageables sontnombreuses et variées (observations microsco-piques, étude d’enregistrements, utilisation del’ExAO et de logiciels de simulation…). Ces acti-vités permettent de construire aisément les notionsessentielles du cours.En classe terminale scientifique, dans la partie repro-duction, les notions de message nerveux et d’intégrationseront réinvesties à propos du rôle de l’hypothalamus.

Les propriétés intégratrices des centres nerveux et le fonctionnement des neurones

Les circuits neuroniques médullaires mobilisésau cours du réflexe myotatiqueL’exemple imposé est celui du réflexe myotatique,phénotype comportemental d’un individu.

Ce réflexe est présenté sous ses deux aspects : l’aspect tonique responsable de la posture et l’as-pect phasique mis en évidence par les réflexes rotu-lien ou achilléen.L’interprétation des enregistrements par ExAO desélectromyogrammes des muscles mis en jeu aucours de ces réflexes oblige à utiliser sans ladétailler la manifestation électrique de la contrac-tion musculaire comme témoin de son activité.Au niveau cellulaire, la notion d’unité motrice estdéfinie.Finalement, l’objectif est de comprendre par uneétude expérimentale l’organisation des réseaux neuroniques responsables de ce réflexe ; c’est-à-direle phénotype à l’échelle cellulaire. L’innervation réciproque permet de placer les interneurones inhibiteurs.

Limites (ne sont pas exigibles)– L’étude détaillée du fuseau neuromusculaire.– L’étude détaillée du récepteur sensoriel et de laplaque motrice.– La structure et le fonctionnement des fibres musculaires.

Les potentiels d’action et les messages nerveuxL’étude de messages nerveux enregistrés au niveaudes fibres nerveuses en différents points du réseauneuronique permet de définir ces messages commedes trains de potentiels d’action codés en fré-quence. Les messagers ou potentiels d’action sontdes inversions de la polarisation membranairedéfinie par le potentiel de repos, caractéristique detoute cellule.L’étude du potentiel global de nerf permet de com-prendre le second mode de codage au sein du sys-tème nerveux : le recrutement variable du nombrede fibres nerveuses en fonction de l’intensité de lastimulation.L’étude du fonctionnement de la jonction neuro-musculaire peut permettre une première approche

Les parts du génotype et de l’expérience individuelle dans le fonctionnement du système nerveux 29

Sciences de la vie et de la Terre – Classe de première scientifique30

simple du fonctionnement synaptique (fonction-nement excitateur au coup par coup). Le neuro-transmetteur est le stimulus chimique de la cellulepost-synaptique. La localisation des vésicules pré-synaptiques et des récepteurs membranaires post-synaptiques au neurotransmetteur explique le sensde conduction du message nerveux.La complexité du fonctionnement des centres ner-veux s’explique par l’existence de synapses excita-trices et de synapses inhibitrices et par le fait queles synapses excitatrices ne fonctionnent pas aucoup par coup. La quantité de neurotransmetteurexcitateur libérée par un potentiel d’action pré-synaptique est insuffisante pour déclencher unpotentiel d’action post-synaptique.La notion d’intégration est démontrée à deuxéchelles différentes :– à l’échelle de l’organisme, par la réalisationsimultanée d’un réflexe myotatique et d’une acti-vité volontaire ou d’un réflexe myotatique et d’unréflexe nociceptif d’évitement ;– à l’échelle des motoneurones, par des enregis-trements et des expérimentations diverses. Aucours d’un réflexe achilléen ou rotulien, dans lamoelle épinière, l’activité des motoneurones res-ponsables du tonus des muscles impliqués estmodifiée. La fréquence des potentiels d’action desmotoneurones du muscle étiré est augmentée, alorsque celle des motoneurones du muscle antagonisteest diminuée voire annulée.Au niveau cellulaire, il importe d’abord de mon-trer l’organisation divergente et convergente des circuits neuroniques. La convergence auniveau d’un motoneurone permet d’interpréter la sommation spatiale.Cette notion ainsi que celle de la sommation tem-porelle sont au programme car indispensables àla compréhension de la notion d’intégration. Les mécanismes moléculaires et électriques de lasommation ne sont pas au programme : on netraite donc pas les notions de PPS et de seuil dedépolarisation du neurone.

Limites (ne sont pas exigibles)– Les notions de potentiel post-synaptique excita-teur et de potentiel post-synaptique inhibiteur.– Les mécanismes de la transduction (potentiel derécepteurs, potentiel générateur).– Les mécanismes ioniques liés à l’activité dessynapses.– La notion de seuil de dépolarisation du neurone.– Les gènes et les protéines responsables dephénotypes comportementaux.

La part du génotype dans le fonctionnement du système nerveuxL’existence des réflexes innés chez tous les indivi-dus d’une même espèce est une première raison de

rechercher un contrôle génétique de ces réflexes.L’ensemble des protéines permettant la mise enplace et le fonctionnement d’un réseau de neuronesimpliqué dans la réalisation d’un réflexe constituele phénotype à l’échelle moléculaire. De nombreuxgènes contrôlent ces protéines. Leur connaissancen’est pas l’objet de cette partie. Il s’agit seulementde comprendre que la part du génotype dans laréalisation d’un phénotype comportemental est forcément complexe et passe par l’expression detrès nombreux gènes pour la plupart inconnus.Seuls quelques exemples de mutations perturbant l’organisation des réseaux neuroniques sont connuset confirment la part du génotype (exemples :formes d’insensibilité congénitale à la douleur chezl’homme, désorganisation de circuits neuroniquesdu cortex du cervelet chez la souris…).

Le cortex sensoriel et la plasticitédu système nerveux central

L’objectif de cette dernière partie du programmeest de mettre en évidence l’influence de l’environ-nement sur l’établissement de certains aspects duphénotype comportemental. Le cortex peut servird’exemple pour construire le concept de neuro-plasticité. Cela nécessite de mettre en place sim-plement les éléments constitutifs du cortex d’unpoint de vue anatomique et fonctionnel. Le cor-tex sensoriel reçoit les informations sensoriellesissues de l’environnement. Les capteurs sensorielspériphériques génèrent une information nerveusequi va être transmise par des voies spécifiquespour chaque fonction sensorielle, jusqu’à des airesde projection corticale.À chaque fonction sensorielle correspond doncune aire de projection corticale spécifique. Le cor-tex a une organisation anatomique en six couchesparallèles à la surface du cortex et fonctionnelle encolonnes, chaque colonne constituant une unitéd’organisation. Tous les neurones d’une colonnerépondent à la même modalité de stimulationappliquée sur le même champ récepteur.La neuroplasticité est une propriété générale dusystème nerveux central et n’est pas spécifique ducortex. Historiquement, elle a été mise en évidenceavec les processus mis en jeu au cours du déve-loppement du système nerveux ainsi qu’au coursdes récupérations fonctionnelles intervenant aprèsune lésion. On peut lui donner de nombreusesdéfinitions ; la plus large en rapport avec le pro-gramme de première scientifique prend en comptel’établissement de changements structuraux main-tenus au cours du temps en rapport avec des varia-tions de fonction ou de fonctionnement du systèmenerveux (plasticité structurale), ou encore les pro-cessus affectant durablement le fonctionnement

Les parts du génotype et de l’expérience individuelle dans le fonctionnement du système nerveux 31

des réseaux neuronaux, y compris à l’échelle desrelations intercellulaires (plasticité fonctionnelleenvisagée au niveau synaptique).L’objectif de cette étude est double :– Objectif scientifique, en s’appuyant par exemplesur la mise en évidence expérimentale de cettenotion de plasticité à partir de l’étude de la repré-sentation des vibrisses de rongeurs au niveau ducortex somatosensoriel. Chez le rat, chaque vibrissea sa propre aire de projection dans le cortex, un tonneau, que l’on peut visualiser parmarquage. La cartographie des tonneaux dans lecortex est déterminée par le positionnement anato-mique des vibrisses correspondantes, et l’on peutfacilement établir le lien entre l’ablation d’unevibrisse à la naissance et la disparition du tonneaucorrespondant. Cette modification du cortex soma-tosensoriel s’accompagne d’une réorganisation destonneaux des vibrisses avoisinantes. Ceux-ci vontoccuper l’espace laissé vacant, proportionnellementà leur utilisation, par compensation du déficit résul-tant de la non utilisation de la vibrisse disparue.

Une approche génétique chez la souris permet defaire le lien avec le génotype : des espèces mutantesde souris présentant un nombre surnuméraire devibrisses, présentent également un nombre surnu-méraire de tonneaux, la cartographie des tonneauxsurnuméraires étant strictement homologue à l’or-ganisation anatomique des vibrisses.– Objectif culturel, en permettant de faire comprendre à l’élève la part relative du génotypeet du phénotype dans la construction des réseauxde neurones et dans le maintien de leur fonction-nalité au cours du temps. Ces facteurs sont décisifsdans la construction du comportement, support dela personnalité individuelle, et permettent de fairecomprendre l’importance de l’influence de l’envi-ronnement (y compris l’apprentissage) dans laconstruction du caractère physiologique de cha-cun, qui contribue à en faire une personne unique.

Limites (ne sont pas exigibles)– Les détails de l’organisation anatomique du cortex cérébral.

Imprimé sur les presses de l’Imprimerie nationale27, rue de la Convention

75732 Paris Cedex 15Dépôt légal : juillet 2002