2.1 La diversité des êtres vivants (biodiversité) et son évolution
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ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 2.1 29/09/16 La diversité des êtres vivants (biodiversité) et son évolution Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 3 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 2.1.1 Évolution et pression du milieu, exemple de la prédation 2.1.1.1 Évolution et facteurs de milieu Mise en relation de documents et de connaissances rédaction type 2b: La phalène du bouleau est un papillon qui passe ses journées immobile, les ailes déployées sur les tronc d'arbres et les murs. Il existe 2 phénotypes alternatifs, papillon blanc tacheté de noir (forme claire) et papillon entièrement noir (forme sombre). Sujets 2.b: Livre Nathan page 131 et Hatier page 100. Comment expliquer l'évolution récente des fréquences alléliques chez la phalène du bouleau ? Document 1: Évolution récente des fréquences alléliques chez la Phalène du bouleau Un gène présentant 2 allèles D (sombre dominant) et d (clair récessif) gouverne la couleur du papillon. Observation 1960 1995 Phénotype mélanique 0,94 0,18 Phénotype clair 0,06 0,82 Allèle d 0,25 0,91 Allèles D 0,75 0,09 Document 2: évolution historique des populations de phalènes: Jusqu'au XIXème siècle, la forme claire prédominait dans les populations britanniques. La première forme sombre fut observée en 1848 à Manchester, grande ville industrielle. La fréquence de cette forme s'est rapidement accrue dans cette région alors que la forme claire restait prédominante en région rurale. Dans le même temps, les lichens donnant une couleur claire aux troncs d'arbres disparaissaient progressivement des zones industrielles en raison de leur sensibilité à la pollution. Document 3: une étude de terrain: En 1955, période de mise en place d'une législation antipollution, une étude de terrain dans une région industrielle (troncs noirs) et dans une région rurale (troncs blancs) s'est déroulée dans les conditions suivantes: 1- on piège des papillons autochtones pour évaluer la fréquence des 2 formes naturellement. 2- un grand nombre de papillons issus d'élevages sont marqués, relâches, et recapturés quelques jours plus tard. 3- on place le même nombre de phalènes sur des troncs d'arbres et on observe la prédation par les oiseaux Région industrielle Phénotype clair Région rurale mélanique clair mélanique % dans la population naturelle 11 89 100 0 % de phalènes d'élevage recapturées 25 52 12 6 % de phalènes tuées par les oiseaux 74 26 14 86 Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 4 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 Analyse de document, type 2a Différentes espèces de renoncules sont fréquentes dans les prairies de nos régions. La comparaison de différents types de prairies montre la présence d'espèces différentes. 1. Vous proposerez une explication à la différence constatée entre le type de renoncules d'une pelouse et celles d'un champ voisin. Document : Les 2 photographies ont été prises à la même date, le champ et la pelouse sont sur le même sol et sont exposées de la même manière. La pelouse est tondue tous les 15 jours pendant la période de croissance de l'herbe, le champ est coupé à 2 reprises. Hauteur des fleurs < 10 cm Hauteur des fleurs ~ 40 cm Renoncule du champ Renoncule de la pelouse Les antibiotiques ont longtemps été très efficaces contre les bactéries. Très utilisés en médecine et dans l'élevage, ils ont progressivement perdu leur efficacité, certaines bactéries résistant à leur action. 2. Vous proposerez une explication à l'apparition de cette résistance en vous appuyant sur la théorie de l'évolution. Lorsqu'ils disposent de nourriture en grande quantité, la plupart des êtres humains mangent plus que nécessaire et grossissent par accumulation de graisse. 3. En vous appuyant sur la théorie de l'évolution, vous expliquerez comment cette caractéristique (le stockage rapide de graisses) a pu se répandre parmi les populations humaines. Les auteurs de science fiction imaginent parfois l'espèce humaine dans le futur avec une grosse tête liée à un développement cérébral plus important qu'actuellement. 4. En vous appuyant sur la théorie de l'évolution, vous montrerez en quoi le fonctionnement actuel de nos sociétés ne permettrait pas une telle évolution. Les aliments consommés dans nos sociétés sont moins durs que ceux consommés antérieurement. s'appuyant sur cet état de fait, on imagine parfois que l'être humain, n'utilisant plus ses dents, aura de moins en moins de dents au fil des générations. 5. En vous appuyant sur la théorie de l'évolution, vous montrerez en quoi cette idée n'a pas de fondement biologique. Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 5 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 2.1.2 Évolution et hasard Préalable, Aide à la rédaction d'une analyse de croisement : 1- déterminer la dominance/récessivité ou codominance 2- rechercher systématiquement les phénotypes génotypes gamètes 3- utiliser des tableaux de croisements quand au moins un individu n'est pas homozygote pour le gène étudié (homozygote = 2 allèles identiques) 4- utiliser toujours les mêmes conventions (voir ci-dessous) Les allèles: Deux allèles d’un même gène symbolisés par une même lettre, la lettre choisie est la première lettre du mot désignant l’allèle récessif. · l’allèle récessif est désigné par une minuscule sans autre signe b= souris blanche · L’allèle dominant est désigné par la lettre choisie en minuscule associée à un + b+ = souris grise Les cas de codominance sont symbolisés en associant les 1ères lettres des 2 allèles codominants Exemple: les groupes sanguins Les allèles a et b sont codominants, la symbolisation sera ab Le phénotype: Le symbole de l’allèle qui s’exprime est placé entre crochets. 2 lettres associées en cas de codominance. ex: [b]: phénotype d’une souris blanche ex: [b+]: phénotype d’une souris grise ex : [ab] phénotype d’un individu de groupe sanguin ab Le génotype (les allèles présents dans une cellule) Chaque chromosome est matérialisé par un trait, la lettre de l’allèle porté par ce chromosome est notée au dessus ou en dessous du trait. Dans un gamète haploïde (1 seule version du gène) : ex : a 1 gène ex: ab 2 gènes sur le même chromosome ex : ex : Xa ab 1gène sur le chromosome X 2 gènes sur 2 chromosomes différents Dans une cellule diploïde (2 versions du gène) : ex: A 1 seul gène, 1 seule paire de chromosomes : individu hétérozygote pour ce gène. a ex: AB 2 gènes sur 2 paires de chromosomes différents (indépendants), individu hétérozygote pour les 2 gènes. a b ex: AB 2 gènes sur 1 paire de chromosomes différents (liés), individu hétérozygote pour les 2 gènes a b ex: XA ou XA hérédité liée au chromosome X seul a Y X Le tableau (échiquier) de croisement : Il doit comporter : - les génotypes de gamètes - les génotypes et les phénotypes des descendants Exemple : gène groupe sanguin A et B dominants sur O. A et B codominants. croisement génotype père A génotype mère A B O gamètes paternels A/ ou B/ gamètes maternels A/ ou O/ Gamètes paternels A B Gamètes maternels A A//A [A] B//A [AB] O A//O [A] B//O [B] Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois génotypes phénotypes 6 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 Analyse de document RÉDACTION type 21: Le cochon d'Inde est un petit mammifère originaire des prairies d'Amérique du Sud. Différentes lignées stables (donnant une descendance présentant toujours les mêmes caractéristiques) ont été sélectionnées en particulier au niveau de la couleur du pelage, lignée blanche et lignée noire. Un groupe de ces animaux s'est échappé de son lieu d'élevage. Il est constitué de 3 animaux noirs (2 mâles et une femelle ) et d'une femelle blanche. Deux couples se forment et ont chacun un petit (génération F1). Ces individus F1 se croisent et donnent 2 individus F2. On précise que ce caractère n'est pas porté par les chromosomes sexuels. D'après les résultats de croisement présentés ci-dessous, quelle chance/risque y a t' il que l'allèle blanc disparaisse de la population en F2 ? Document 1: croisement 1 P Mâle noir Document 2: croisement 2 X femelle noire P Mâle noir X femelle blanche ê F1 ê 100 % [N] F1 100 % [N] Utilisez le vocabulaire de génétique dans vos explications (phénotype, génotype, gène, allèle, dominant, récessif, homo/hétérozygote). Analyse de document REDACTION type 21: La mucoviscidose est la maladie héréditaire la plus fréquente (une naissance sur 2000). Elle se caractérise notamment par une insuffisance respiratoire qui résulte de l’épaississement des sécrétions des bronches. Les individus hétérozygotes représentent un individu sur 22 dans la population générale. En vous appuyant sur le croisement II2 par II3, montrez le rôle du hasard dans l'évolution d'une population d'une génération à la suivante. Des données quantitatives sont attendues. I 1 2 3 Homme 4 femme non atteint II 1 III 2 3 2 1 4 3 5 4 atteint Arbre généalogique relatif à la transmission de la mucoviscidose 5 Analyse de document REDACTION type 21: En vous appuyant sur le croisement I1 par I2, montrez le rôle du hasard dans l'évolution d'une population d'une génération à la suivante. Des données quantitatives sont attendues. L’épithélioma adenoïdes cysticum est une maladie héréditaire humaine qui se traduit par la présence sur le visage de petits nodules colorés. Le reste du corps porte également des petites tumeurs de dimensions variables. 2 1 I II 1 III 1 3 2 2 4 3 5 6 4 7 5 8 6 7 9 8 arbre généalogique relatif à la transmission de l’épithélioma adenoides cysticum Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 7 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 2.1.3 Évolution et concurrence Mise en relation de documents et de connaissances rédaction type 2b: Lors de son voyage dans les îles Galapagos (ouest de l'Amérique du sud), Darwin s'est intéressé en particulier à différentes populations de pinsons (genre Geospiza). Compte tenu des éléments à votre disposition, proposez une explication à la fréquence des différents types de becs observée dans les îles de Santa cruz, Daphne et Los Hermanos. Document 1 : Les pinsons et leur nourriture. On trouve, dans l'archipel des Galapagos, quatorze espèces de pinsons de Darwin, dont beaucoup différent très visiblement par la taille et la forme du bec. Ces caractères sont liés au choix des aliments et à l'efficacité de l'alimentation. Espèce Taille du bec G magnirostris Gros bec 2 sec 7 sec 4à6 0 Bec moyen 7 (ouverture partielle) 15 sec 1à2 2à5 Petit bec non consommé G fortis G fuliginosa Temps pour ouvrir un Temps pour Nombre de Graines non fruit de Tribulus c. manger les graines graines mangées consommées Document 2 : Localisation des différentes espèces. Plus récemment, des observations ont été reprises concernant certaines espèces habitant les îles de Santa cruz, Daphne et Los Hermanos ayant des ressources en graines sensiblement identiques (travaux de Schuter et al). Localisation des différentes espèces de pinsons Géospiza fortis Géopsiza fuliginosa Santa cruz oui Daphne oui Los Hermanos oui oui Document 3 : Fréquence de différents phénotypes dans les populations de pinsons des îles de Santa cruz, Daphne et Los Hermanos. Compte tenu des ressources en nourriture, les scientifiques ont pu calculer quelle devrait être la fréquence des différentes tailles de becs dans les populations (courbe de « densité calculée »). Ils ont ensuite déterminé la fréquence réelle de ces différentes tailles de bec (histogrammes de «densité observée »). Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 8 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 2.2 29/09/16 Le brassage génétique et sa contribution à la diversité génétique intraspécifique 2.2.1 La méiose , étape essentielle du brassage génétique 2.2.1.1 Rappel : évolution du matériel nucléaire lors de la mitose Analyse de document SANS REDACTION : L'étude de l'évolution de la quantité d'ADN et du nombre de chromosomes par cellule a permis de mieux comprendre les mécanismes de transmission de l'hérédité d'une cellule à ses descendantes lors d'une mitose. QC : Vous classerez les étapes de la mitose visibles ci-dessous dans l'ordre chronologique. Différentes étapes d'une mitose (dans le désordre) cellule de lys Haemanthus katherinae Doc 1 Doc 2 Doc 3 Doc 4 Doc 5 Construit sur la base d’un document extrait et modifié de « biologie et physiologie cellulaire » de Berkaloff Hermann éditeur Analyse de document REALISATION DE TABLEAU: En vous appuyant sur vos connaissances, complétez le tableau pour indiquer l'évolution du nombre de chromosomes et du nombre de chromatides par cellule en relation avec l'évolution de la quantité d'ADN (cellule de peau humaine, 2n chromosomes = 46 chromosomes). Quantité d’ADN Évolution de la quantité d’ADN dans une cellule lors d'une division cellulaire conforme q temps 1 Avant 1 1 2 2 3 3 Après 3 chromosomes chromatides Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 9 Sur 37 ACTIVITES ELEVES TS 19/02/11 2.2.1.1 Mitose, chromosomes et chromatides Phase Rappel : information Doc 1 Doc 2 Doc 3 Doc 4 Doc 5 Interphase Interphase (fin phase S) Prophase (début) Prophase Métaphase Anaphase Télophase 2n 2n 2n 2n 2n 4n 4n 1 1 1 1 1 1 2 Chromosomes total par cellule 4 = 2n 4 = 2n 4 = 2n 4 = 2n 4 = 2n 8 = 4n 4 = 2n Chromatides par cellule 4 = 2n 8 = 4n 8 = 4n 8 = 4n 8 = 4n 8 = 4n 4 = 2n Nombre de paquets de chromosomes 1 1 1 1 1 2 2 Nombre de chromosomes par paquet 4 = 2n 4 = 2n 4 = 2n 4 = 2n 4 = 2n 4 = 2n 4 = 2n Chromatides par paquet 4 = 2n 8 = 4n 8 = 4n 8 = 4n 8 = 4n 4 = 2n 4 = 2n État du chromosome (simple ou dupliqué) Chromosomes total sur la photographie Exemple 2n = 4, n=2 Nombre de cellules Bilan: Lors d'une mitose normale, le nombre de chromosomes/chromatides est soit de 2n soit de 4n, jamais moins. ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 2.2.1.2 Les étapes de la méiose Travail pratique REALISATION DE SCHEMA : Matériel disponible: microscope coupes de fleurs de lys (formation de gamètes donc méiose) Sur les lames proposées, identifiez les principales étapes de la méiose, faire vérifier. chaque étape visible en utilisant 3 paires de chromosomes. Les classer dans l'ordre. Schématiser Analyse de document SANS REDACTION : Les photographies ci-dessous correspondent à différentes étapes de la méiose. Replacer les photographies dans l'ordre chronologique. A B C D F G H I E Analyse de document REALISATION DE TABLEAU: Quantité d’ADN Évolution de la quantité d’ADN dans une cellule au cours de la formation des spermatozoïdes q temps 1 2 3 4 En vous appuyant sur vos connaissances, indiquez sous forme de tableau l'évolution du nombre de chromosomes et du nombre de chromatides par cellule en relation avec l'évolution de la quantité d'ADN. Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 11 Sur 37 ACTIVITES ELEVES TS 19/02/11 2.2.1.2 1ère division de Méiose chromosomes et chromatides Phase Analyse de document SANS REDACTION: Interphase Interphase (fin phase S) Prophase 1 (début) Prophase 1 Métaphase 1 Anaphase 1 Télophase 1 1 1 1 1 1 1 2 Chromosomes, total par cellule 6 = 2n 6 = 2n 6 = 2n 6 = 2n 6 = 2n 6 = 2n 3=n Chromatides par cellule 6 = 2n 12 = 4n 12 = 4n 12 = 4n 12 = 4n 12 = 4n 6 = 2n Nombre de paquets de chromosomes 1 1 1 1 1 2 2 Nombre de chromosomes par paquet 6 = 2n 6 = 2n 6 = 2n 6 = 2n 6 = 2n 3=n 3=n Chromatides par paquet 6 = 2n 12 = 4n 12 = 4n 12 = 4n 12 = 4n 6 = 2n 6 = 2n État du chromosome (simple ou dupliqué) Exemple 2n = 6, n=3 Nombre de cellules Chromosomes, total par cellule Chromatides par cellule Nombre de paquets de chromosomes Nombre de chromosomes par paquet Chromatides par paquet Nombre de cellules Bilan: Lors de la première division de méiose, le nombre de chromosomes est divisé par 2 entre la cellule mère et chaque cellule fille et passe de 2n à n. ACTIVITES ELEVES TS 19/02/11 2.2.1.2 2ème division de Méiose chromosomes et chromatides Phase Analyse de document SANS REDACTION: Prophase 2 (début) Prophase 2 Métaphase 2 Anaphase 2 Télophase 2 1 1 1 1 2 Chromosomes, total par cellule 3=n 3=n 3=n 6 = 2n 3=n Chromatides par cellule 6 = 2n 6 = 2n 6 = 2n 6 = 2n 3=n Nombre de paquets de chromosomes 1 1 1 2 2 Nombre de chromosomes par paquet 3=n 3=n 3=n 3=n 3=n Chromatides par paquet 6 = 2n 6 = 2n 6 = 2n 3=n 3=n État du chromosome (simple ou dupliqué) Exemple 2n = 6, n=3 Nombre de cellules Chromosomes, total par cellule Chromatides par cellule Nombre de paquets de chromosomes Nombre de chromosomes par paquet Chromatides par paquet Nombre de cellules Bilan: Lors de la deuxième division de la méiose, le nombre de chromosomes par cellule reste identique (n). Finalement la méiose est une double division d'une cellule diploïde conduisant à la production de 4 cellules haploïdes. ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 2.2.2 29/09/16 Brassage de gènes indépendants par répartition aléatoire des chromosomes homologues 2.2.2.1 Raisonnement théorique Analyse de document REALISATION DE SCHEMA: 1 1 = Paire N° 1 Chromosomes d'origine paternelle Chromosomes d'origine maternelle Les chromosomes d'une même paire venant de 2 individus différents, on peut admettre qu'ils sont généralement différents. Nous admettrons ce fait dans la suite du raisonnement et le marqueront par des couleurs. Lors de la méiose, les chromosomes d'une même paire se répartissent au hasard dans les cellules filles. Cette répartition au hasard conduit à la formation de gamètes contenant des assemblages de chromosomes différents, ces gamètes sont donc génétiquement différents (voir activité sur les cochons d 'inde ou l'arbre généalogique). Exemple : 2 chromosomes 1 paire de chromosomes 2 gamètes différents possibles En utilisant le symbolisme utilisé dans le schéma ci-dessus, schématisez toutes les cellules haploïdes pouvant être produites à partir d'une cellule à: 4 chromosomes (2 paires) faire vérifier avant de poursuivre 6 chromosomes (3 paires) faire vérifier avant de poursuivre pour les rapides 8 chromosomes (4 paires) faire vérifier avant de poursuivre Analyse de document REALISATION DE TABLEAU: Présentez le résultat sous forme de tableau puis en déduire une formule pour calculer le nombre de gamètes différents pouvant être produits à partir d'une cellule diploïde à 2n chromosomes. Enfin calculer le nombre de gamètes différents produits par un être humain (46 chromosomes) par ce mécanisme. 2.2.2.2 Du raisonnement théorique à un premier niveau du réel Prenons le cas à 1 paire de chromosomes : plaçons 2 gènes distincts sur cette paire. Combien de gamètes différents seront produits ? Notion de gènes liés Prenons le cas à 2 paires de chromosomes : plaçons 2 gènes distincts, 1 sur chacune des paires. Combien de gamètes différents seront produits ? Notion de gènes indépendants Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 14 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 2.2.2.3 Brassage interchromosomique chez la drosophile Mise en relation de documents et de connaissances rédaction type 2b: Les biologistes souhaitent savoir si 2 gènes de la drosophile sont localisés sur le même chromosome (liés) ou sur des chromosomes différents (indépendants). En vous appuyant sur les documents proposés, donnez une réponse argumentée à cette question. Symboles à utiliser: caractères/gènes étudiés è sauvage mutant 1- type d’ailes longues vestigiales (courtes) symbole vg+ vg 2- couleur du corps gris ébène symbole eb+ eb Document 1: Photographie de chromosomes d'une drosophile femelle et d'une drosophile mâle Document 2: Croisement de drosophiles homozygotes des 2 souches Des drosophiles homozygotes pour les gènes étudiés (souches pures) ont été croisées (parents P). Leur descendance (individus F1) est uniforme et identique au parent de type sauvage. Document 3: Croisement de drosophiles de F1 par des doubles homozygotes récessifs Ce croisement donne une deuxième génération (F2) avec les résultats suivants 25% [Vg+ eb+] Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois [25% Vg eb] [25% Vg+ eb] [25% Vg eb+] 15 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 2.2.3 29/09/16 Brassage de gènes liés en prophase de 1ère division de méiose 2.2.3.1 brassage intrachromosomique chez la drosophile Analyse de document SANS REDACTION: Des drosophiles homozygotes pour les gènes étudiés (souches pures) ont été croisées (parents P). Leur descendance (individus F1) est uniforme et identique au parent de type sauvage. caractères/gènes étudiés è sauvage mutant 1- type d’ailes longues vestigiales (courtes) symbole vg+ vg 2- couleur des yeux symbole rouge pr+ pourpre pr Utilisez les symboles du tableau pour réaliser cet exercice. Faire corriger chaque réponse avant de passer à la question suivante on croise les individus obtenus en F1 par un homozygote récessif, les résultats obtenus sont les suivants : 43,5% [Vg+ pr+] 43,5% [ Vg pr] 6,5% [Vg+ pr] 6,5%[ Vg pr+] Analysez les 2 croisements décrits et proposez une explication aux phénotypes observés. Appeler après l'analyse du premier croisement pour faire vérifier votre démarche. 2.2.3.2 Brassages chromosomique, analyse pratique Travail pratique REALISATION DE TABLEAU: Matériel disponible: lame avec drosophiles issues d'un croisement test (hétérozygote par homozygote récessif) Des drosophiles homozygotes à ailes vestigiales et corps noir ont été croisées avec des drosophiles homozygotes à aile longues et corps jaune (individu « sauvage »). Ce croisement a donné une génération F1 avec 100% de drosophiles à ailes longues et corps jaune. Un croisement test a été réalisé sur les individus F1. Le résultat de ce croisement test se trouve sur les plaques qui vous sont proposées. gène contrôlant la longueur des ailes gène contrôlant la couleur du corps F1 de phénotype [Vg+, b+] allèle Vg+ = ailes longues allèle b+ = corps jaunâtre allèle Vg = ailes courtes (vestigiales) allèle b = corps noir L'objectif du TP est de déterminer la localisation des 2 gènes l'un par rapport à l'autre (même chromosome ou chromosomes différents). Vous réaliserez une analyse statistique simple du résultat de ce croisement (calcul de fréquence de chaque phénotype). Les résultats sont attendus en pourcentage sous forme de tableau en utilisant les codes imposés. Codage des résultats : Code 1 2 3 4 Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois Phenotypes [Vg+,b+] [Vg+,b] [Vg,b+] [Vg,b] 16 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 2.3 29/09/16 Diversification génétique et diversification des êtres vivants 2.3.1 Des anomalies de la méiose et leurs conséquences 2.3.1.1 Anomalies de nombre Analyse de document REALISATION DE SCHEMA: Certains caryotypes présentent trop ou trop peu de chromosomes par rapport au nombre attendu compte tenu du nombre de chromosomes de l'espèce. Cette différence peut être due à une anomalie de déroulement de la méiose. Réaliser un schéma des étapes d'une méiose anormale suivie d'une fécondation normale pouvant aboutir à un des caryotypes présentés ci-dessous. Document 1: Caryotypes anormaux (à gauche trisomie 21, à droite syndrome de Turner) Document 2: déroulement normal de la formation d'une cellule œuf (une paire de chromosomes représentée) Cellule germinale de testicule Cellule germinale d’ovaire DM1 DM1 DM2 DM2 fécondation 1ère mitose de la cellule oeuf Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 17 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 2.3.1.2 anomalies de la structure d'un chromosome : Les familles multigéniques anagène/phylogène Travail pratique REALISATION DE SCHEMA (arbre): Les gènes d'une famille multigénique sont issus d'un gène ancestral par duplication puis mutation. Ainsi les gènes codant pour plusieurs globines du sang intervenant dans le transport du dioxygène sont issus d'un même gène ancestral. Dans cet exemple, on constate une conservation de la fonction initiale de la protéine après duplication et mutations. Proposez un protocole permettant de construire l'histoire évolutive de ces molécules. A partir des données extraites du logiciel phylogène, construire l'arbre illustrant l'histoire des molécules myoglobine, beta, delta, gammaA, gammaG et epsilon. Matériel disponible: ordinateur avec logiciel phylogène fichier comportant les séquences de différentes globines (protéines du sang) globines.pir Éléments techniques : Ouvrir la collection des primates Ouvrir le tableau de séquences globines.pir Attention, dans la fenêtre d'ouverture de fichier, le logiciel n'affiche spontanément que les fichiers ALN. Dans la zone de choix « types de fichiers », il faut sélectionner *.pir pour voir le fichier sur les globines. Utiliser les fonctions indiquées ci-dessous pour : déterminer le nombre de différences entre les différentes molécules (fonction aligner puis sélectionner les molécules intéressantes puis matrice des distances) afficher le nombre de différences (fonction matrice des distances) : Construire l'arbre sur votre feuille pour les molécules qui vous intéressent faire vérifier par l'enseignant vérifier avec la fonction arbre du logiciel Travail pratique : Les gènes d'une famille multigénique sont issus d'un gène ancestral par duplication puis mutation. Ainsi les gènes codant pour plusieurs hormones hypophysaires sont issus d'un même gène ancestral. Dans cet exemple, on constate une modification de la fonction initiale de la protéine. Matériel disponible: ordinateur avec logiciel anagène fichier des séquences de plusieurs hormones hypophysaires hypophyseVasotocine.edi 1- (10 points) Vous réaliserez la comparaison des 3 hormones dont la séquence est contenue dans le fichier proposé de manière à argumenter le fait qu'il s'agit d'une famille multigénique et à montrer des mutations ayant permis leur différenciation. L'hormone ADH sera utilisée comme référence. Faire vérifier 2- (5 points) Vous présenterez vos résultats sous la forme de votre choix. 3- (5 points) Résumez les principaux éléments permettant de dire qu'il s'agit d'une famille multigénique. Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 18 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 2.3.1.3 Anomalies de structure des chromosomes La technique de Multicolore-FISH (M-FISH) utilise des sondes complexes d’ADN générées par PCR et marquées avec de la fluorescence (“sondes painting”). Ces sondes ont une affinité élevée avec les chromosomes complets et sont les plus appropriées pour diagnostiquer des réarrangements chromosomiques par exemple: Répétition d'un morceau de chromosome = duplication Déplacement d'un morceau de chromosome = translocation Perte d'un morceau de chromosome = délétion Elles sont également utilisées pour l’établissement de la carte génétique de points de rupture observés dans de nombreux types de tumeurs. Ce type de sonde est conçu pour différencier chacun des chromosomes individuellement, ou détecter simultanément les 46 chromosomes humains complets. Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 19 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 2.3.2 Mécanismes de diversification suite à une modification du génotype 2.3.2.1 Diversification du vivant : gènes de développement et mise en place de pattes chez les tétrapodes Les tétrapodes, vertébrés avec pattes, ont évolué à partir de vertébrés sans pattes de type poisson. D'après les éléments à votre disposition présentez par un texte court le type de mutation et les conséquences de la mutation ayant abouti au développement de pattes chez les tétrapodes. Document 1 : TP séquences de gènes impliqués dans le développement des vertébrés (utiliser anagène) Les gènes Hox, présents chez tous les animaux à symétrie bilatérale sont des gènes de développement. Ils contrôlent la mise en place des organes suivant l’axe antéro-postérieur de l’animal. Parmi eux, le gène Hox D13. Matériel disponible: Logiciel anagène + fiche technique Séquence du gène Hox D13 de la souris (Mus musculus) Fichier HoxD13 MusMusculusADN.edi à l'emplacement indiqué Séquence du gène Hox D13 du poisson zèbre (Danio rerio) Fichier HoxD13 DanioRerioADN.edi à l'emplacement indiqué Document 2 : Expression du gène Hox D13 gène lors de la formation des membres postérieurs chez l’embryon du poissonzèbre et celui de la Souris. Lors du développement embryonnaire des deux animaux, la formation des membres débute par l’apparition d’un bourgeon (phase 1), qui s’allongera pour devenir un pli (phase 2). Dans une première phase, pour le membre comme pour la nageoire, l’expression des gènes Hoxd9 et 10 conduit à la formation d'un os (humérus du membre antérieur des tétrapodes). Dans une deuxième phase, l’expression des gènes Hoxd11 et 12 conduit à la formation de 2 os (radius cubitus du membre antérieur des tétrapodes). Enfin chez les tétrapodes, l'expression de longue durée du gène Hoxd13 (2 jours contre 4 heures chez le poisson zèbre) conduit au développement de la main. Une durée insuffisante d'expression du gène Hoxd13 conduit à la disparition de certaines parties de la main (phalanges), une absence d'expression de ce gène (individu double mutant) conduit à une absence de formation de la main. squelette d'une souris (groupe des Tétrapodes, vertébrés munis de 4 membres) squelette d’un poisson Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 20 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 2.3.2.2 Mise en évidence du complexe (ensemble de gènes) homeobox (hox) chez la drosophile Analyse de document historique INFORMATION: Exemples de phénotypes de la drosophile Drosophile normale Arthropode, Insecte, Diptère. Une tête avec une paire d'antenne, un thorax composé de 3 segments portant 3 paires de pattes, une paire de balanciers sur le second segment et une paire d'ailes sur le troisième et enfin un abdomen avec 8 segments. Mutation antennapedia Mutation qui fait apparaître une paire de pattes au niveau des antennes. Cette mutation fut observée pour la première fois en 1948. Cette mutation provoque l'expression du gène antennapedia au niveau de la tête ce qui provoque l'apparition de pattes à la place des antennes. Mutation ultrabithorax On observe sur cette mouche 2 paires d'ailes, les balanciers ayant été transformés en ailes. L’inactivation du gène ultrabithorax ne permet pas le développement des balanciers, des ailes se développent à la place. Modifié de INRP Ces mutations provoquant le remplacement d'un organe par un autre se trouvant normalement ailleurs dans l'anatomie de l'animal ont été qualifiées de mutations homéotiques. Le terme "homeosis" a été utilisé pour la première fois par le naturaliste William Bateson en 1894 pour désigner le phénomène de transformation d'un organe en un autre. L'existence de mutations homéotiques révèle qu'il existe des gènes sélectionnant le destin des cellules lors du développement (gènes de développement). Lieux d'expression des gènes du complexe Hox (couleurs) et intensité de l'expression (intensité de la couleur) chez la drosophile Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 21 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 2.3.2.3 Le rôle du complexe de gènes Hox chez les vertébrés Mise en relation de document avec rédaction de texte type 2b D'après les données fournies, proposez un rôle pour les gènes hoxc6 au cours du développement des vertébrés. En conclusion, proposez un moyen de tester votre hypothèse sur une abeille. Les traits verticaux marquent le début de l'activité du gène indiqué après le trait. La fin d'activité de Hoxc6 et Hoxc8 se situe à hauteur de S1. C T L S indiquent les différentes types de vertèbres. Document 1: Squelette et activité de gènes du complexe Hox chez la souris. Souris (mouse) Document 2: Squelette et activité de gènes du complexe Hox chez la poule. Poule (chick) Document 3: Squelette et activité de gènes du complexe Hox chez le python Python Document 4: Comparaison de la composition des protéines codées par le gène Hoxc6 chez différents animaux Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 22 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 2.3.3 29/09/16 Mécanismes de diversification suite à une modification du génome Diversification du vivant : Échange de gènes et mise en place du placenta chez les mammifères. Réalisez un tableau montrant que le gène codant pour la syncitine, protéine de mammifères placentaires, est probablement issu du génome d'un virus ayant infecté les primates au cours de leur histoire. Document 1 : TP Structure de la syncitine Matériel disponible: Ordinateur dont logiciel anagène avec fiche technique d'anagène Séquence de la syncytine 1 : AnagèneDonnees\1Genetique\Diversification\TransfertParVoieVirale\Syncytine1.edi. Document 2 : La mise en place du placenta. Comme leur nom l’indique, les placentaires ont en commun d’avoir un placenta. Cette innovation évolutive permet le développement embryonnaire au sein même de l’organisme maternel Dans l’espèce humaine et chez les grands primates, l’embryon juste avant sa nidation dans la paroi utérine est constitué par un massif cellulaire, à partir duquel se formera l’organisme, et d’une couche cellulaire externe, le trophoblaste. L’embryon s’implante dans la paroi utérine grâce à son trophoblaste qui prolifère. Surtout, les membranes des cellules du trophoblaste fusionnent et sont à l’origine du placenta par la suite. Dans ce trophoblaste, les chercheurs ont identifié deux protéines, les syncytines 1 et 2, impliquées dans la fusion cellulaire. Document 3 : Rétrovirus et cycle viral Certains virus, parasites intracellulaires obligatoires de très petite taille doivent pénétrer dans une cellule hôte . Ils disposent pour cela de protéines fusiogènes (permettant la fusion de la membrane de la particule virale avec celle de la cellule hôte). Le rétrovirus MSRV est un virus qui a été trouvé chez des personnes atteintes de sclérose en plaque. Document 4 : TP Structure la protéine d'enveloppe du virus MSRV (qui infecte les grands primates) Matériel disponible: Ordinateur dont logiciel anagène avec fiche technique d'anagène Séquence protéique de la protéine de l’enveloppe du rétrovirus MSRV et de la syncytine humaine Fichier Syncytine1-VirusMSRV.edi à l'emplacement indiqué Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 23 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 Diversification des êtres vivants : L’apparition d’une nouvelle espèce, Spartina anglica Les spartines sont des plantes de la famille des poacées (nouveau nom des graminées), se développant le plus souvent sur les vasières salées du littoral. En vous appuyant sur les documents proposés, schématiser les principales étapes conduisant à la formation de Spartina anglica. Prendre soin de faire apparaître en rouge l'ensemble des structure et en vert l'ensemble des événements entrant en jeu et de leur associer en bleu les qualificatifs importants. Document 1 : Les espèces de spartines. Jusqu’à la fin du XIXe siècle, une seule espèce de Spartine, Spartina maritima, peuplait les vasières des côtes de la baie de Southampton, au sud de l’Angleterre. L’introduction par l’homme d’une autre espèce de Spartine (Spartina alterniflora, en provenance d’Amérique) fut rapidement suivie par l’apparition, vers 1870, d’une nouvelle espèce hybride Spartina x townsendii, qui se reproduisait uniquement de façon asexuée (les nouveaux individus se formaient à partir des tiges souterraines rampantes d’une plante mère). Vers 1880, on vit émerger une nouvelle espèce appelée Spartina anglica, issue de S.x townsendii, et qui, cette fois, se reproduisait de façon sexuée, par l’intermédiaire de graines. Spartina anglica s’est rapidement propagée sur les côtes européennes et elle est aujourd’hui introduite sur plusieurs continents. Document 2 : Quelques caractéristiques des différentes espèces de spartines. Espèce Nombre de chromosomes Chromosomes par gamète Spartina maritima 60 30 fertile Spartina alterniflora 62 31 fertile Spartina x townsendii 61 Stérile (Pas de reproduction sexuée) Spartina anglica Spartina anglica 122 61 fertile Document 3 : Hybridation polyploïdisation Chez les végétaux, le pollen d’une espèce est fréquemment déposé sur le pistil d’une fleur d’une autre espèce. Un tel croisement (appelé hybridation) conduit occasionnellement à l’apparition de plantes hybrides qui, le plus souvent, sont stériles et se maintiennent par reproduction asexuée, en effet, la méiose est généralement impossible car certains chromosomes se retrouvent sans chromosome homologue. Parfois, cependant, chez quelques individus hybrides, un doublement de nombre de chromosomes se produit au cours d’une mitose où il y a un comportement normal des chromosomes mais où il n’y a pas de division du cytoplasme. Cette mitose anormale peut se dérouler dès le développement de la cellule œuf ou plus tardivement dans les organes qui contribueront à la formation des fleurs. Les chromosomes se retrouvent ainsi en double exemplaire dans la cellule ce qui implique une méiose toujours possible (chaque chromosome a un chromosome homologue). Les chromosomes étant multipliés, on parle de polyploïdisation. Chez un tel hybride, la méiose se déroule normalement et conduit à des gamètes viables. Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 24 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 2.3.3.1 Le rôle du complexe de gènes Hox chez le vertébrés, gènes d'identité segmentaire Sur la base des documents proposés, argumentez l'idée que c'est la combinaison de l'activité des gènes du complexe hox qui confère son identité à un segment. Document 1: gènes Hox activés en fonction de la position des cellules dans l'organisme Gènes du complexe Hox activés en fonction de la position des cellules dans l'organisme (souris) Document 2: Observation de mutants pour le gène Hox11 au niveau des vertèbres lombaires En rouge nombre de vertèbres lombaires Phénotype au niveau des vertèbres de 3 types de souris Souris sauvage (a) Mutant b Mutant c Génotype pour Hoxa11 Hoxa11+/Hoxa11+ Hoxa11+/Hoxa11- Hoxa11-/Hoxa11Génotype pour Hoxd11 Hoxd11+/Hoxd11+ Hoxd11-/Hoxd11- Hoxd11-/Hoxd11Somite (segment) 30 Vertèbre lombaire Vertèbre lombaire Vertèbre lombaire Somite 31 Vertèbre sacrée Somite 32 Vertèbre sacrée Vertèbre sacrée Vertèbre lombaire Somite 33 Vertèbre sacrée Vertèbre sacrée Vertèbre sacrée Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois Vertèbre lombaire Vertèbre lombaire 25 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 2.3.4 29/09/16 Mécanismes de diversification suivis d'une modification du génome/génotype 2.3.4.1 Diversification des êtres vivants : les Lichens Par écrasement, préparer une lame de manière à mettre en évidence que le lichen est un être vivant issu de la symbiose entre une algue et un champignon. Faire vérifier. Dessiner un fragment montrant les 2 êtres vivants. Faire vérifier. Document 1 : TP Structure d'un lichen Les lichens sont constitués de 2 types de cellules : - des cellules allongées et disposées en files nommées hyphes. Ce type de cellule se rencontre habituellement chez les champignons. - des cellules arrondies, isolées et chlorophylliennes (vert vif). Ce type de cellule se rencontre habituellement chez les algues. Matériel disponible: Microscope 2 par poste pinces fines 1 par poste scalpel ou équivalent 1 par poste préparations de lichens en coupe verticale lichens frais lames lamelles chiffons 1 par poste 1 par poste 1 par poste 1 par poste Coupe de thalle de lichen au microscope et schématisation d'une coupe du thalle Document 2 : Particularités des deux types de cellules. 1- 2a. Les hyphes 1- Elles représentent 90% de la masse du lichen. 2- Elles sont dépourvues de chlorophylle, ne peuvent pas réaliser la photosynthèse. 3- En conséquence, elles sont hétérotrophes (ne peuvent fabriquer leurs molécules organiques qu’à partir de molécules organiques déjà fabriquées). 4- Elles produisent des molécules organiques importantes pour le lichen à partir des molécules organiques issues de la photosynthèse réalisée par les cellules chlorophylliennes: - mannitol et arabitol qui sont deux glucides permettant de limiter la dessiccation du lichen. - acides lichéniques qui protègent les cellules chlorophylliennes d’un excès de lumière. 5- Elles sont en relation directe avec l'atmosphère et le substrat (le support de leur fixation) où elles captent l'eau et les sels minéraux nécessaires à la photosynthèse réalisée par le cellules chlorophylliennes. 2- 2b- les cellules chlorophylliennes 1- Elles représentent 10 % du lichen 2- Elles possèdent des chloroplastes contenant la chlorophylle et peuvent ainsi réaliser la photosynthèse . 3- En conséquence, elles sont autotrophes : elles élaborent des molécules organiques à partir de matière minérale uniquement (CO2 eau et sels minéraux fournis par les hyphes) et grâce à l’énergie lumineuse, 4- Elles produisent les molécules organiques nécessaires au champignon. Document 3 : Les nouvelles propriétés liées à l'association des 2 types de cellules. L'association lichénique apporte des propriétés que l'on ne trouve pas chez l'un ou l'autre des 2 types de cellules : - la reviviscence : la capacité de passer rapidement, réversiblement et à répétition de l'état sec à l'état hydraté ; - le pouvoir lithogène : qui leur permet de s'installer en pionnier sur des substrats difficiles ; - la résistance aux températures extrêmes : l'assimilation peut encore être active à - 40 °C ; - l'originalité des voies métaboliques avec l'élaboration de substances spécifiques, les métabolites secondaires encore appelées acides lichéniques protégeant les cellules chlorophylliennes de l’excès de lumière et des glucides permettant de résister à la sécheresse. Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 26 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 2.3.4.2 Diversification des êtres vivants :Les modalités d'acquisition du chant chez les oiseaux Documents fournis par V Palomares Lycée de Tournon. Réaliser un tableau de comparaison des différences ressemblances entre les chants d'oiseaux présentés en exemples. Document 1. L’élaboration d’un chant L’unité de base est la note, l’unité suivante est la syllabe, composée de plusieurs notes. Deux ou plusieurs syllabes regroupées forment une phrase. La syntaxe d’un chant correspond à la durée et à l’ordre des notes, syllabes ou phrases. Phrase Note Syllabe Suite à l’éclosion, on constate une évolution du chant en trois étapes : - Emission des premiers chants, ou subsongs, série de sons désordonnés et doux, analogue au babillage des bébés humains . - Emission d’un chant ressemblant au chant des adultes, ou plastic song. - Etape de cristallisation avec expression des variations normales de volume, de durée et de syntaxe. Ce chant sera alors conservé toute la vie, même si l’oiseau se déplace, sans possibilité de modifier le répertoire de chants de l’individu. Babil doux (faible hauteur de son) et continu subsongs Babil continu et chant proche de celui des parents Caractéristique de l'espèce Document 2. TP : Différents chants de pinsons des arbres selon les régions. Matériel disponible: Ordinateur dont logiciel Audacity + une banque de chants d'oiseaux B1 : chant d’un pinson des arbres en Allemagne (Augsburg) – XC100541 B2 : chant d’un pinson des arbres en Allemagne (Feldbeg, Forêt Noire) – XC57273 B10 : chant d’un 1er pinson des arbres en Espagne (Catalogne) – XC76890 B14 : chant d’un pinson des arbres en France (Moirans - Isère) – XC89960 Fiche technique Audacity (voir ci-dessous + dossier SVT sur le bureau) Document 3. Type de chant de jeune pinson des arbres selon ses conditions d'élevage Le pinson des arbres est une espèce exclusivement forestière, cherchant prioritairement à nicher dans la forêt où il est né. Dans les grands massifs forestiers, les populations sont stables et constituent des foyers d’émigration, l’excédent de population se déplaçant ailleurs à l’issu de la période de reproduction. Dans les bosquets isolés, la population n’est pas durable et correspond à des individus immigrés, pouvant changer d’origine chaque année. Le territoire d’étude choisi (Midi-Pyrénées) a été marqué par une importante déforestation au cours des derniers siècles au profit de terres agricoles ; malgré la présence de quelques forêts de grande superficie, la couverture forestière se retrouve ainsi très fragmentée. Résultats de l’étude : - chaque grande forêt héberge un dialecte particulier, restant identique d’année en année. - lorsqu’un bosquet est voisin d’un grand massif forestier, le chanteur en a le même dialecte. - lorsqu’un bosquet est équidistant de plusieurs massifs forestiers, cela devient aléatoire et d’une année sur l’autre le dialecte peut changer. - Exploitation des fichiers mp3 sur Audacity pour ouvrir plusieurs fichiers mp3 : cliquer sur Fichier importer Audio (ou Ctrl+Shift+I) : choisir le fichier mp3 (rechercher les fichiers au niveau de leur emplacement sur l’ordinateur) NB : dans le cas où le fichier est ouvert par Ouvrir, une nouvelle fenêtre s’ouvre à chaque ouverture de fichier, ce qui rend difficile leur comparaison… pour comparer des sons issus de différents fichiers mp3, ouvrir différents fichiers puis passer de stéréo à mono (2 e étape = en haut à droite sélectionner 1 canal d'entrée) pour l’ensemble des fichiers. Pour ne lire qu’un seul fichier parmi les divers fichiers visibles à l’écran, cliquer sur « solo » dans l’encart à gauche de l’oscillogramme ; dans le cas contraire toutes les pistes non muettes (en bleu sur le logiciel) sont lues en même temps ! … Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 27 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 2.3.5 Diversification et spéciation Le goéland argenté (Larus argentatus) et le goéland brun (Larus fuscus) sont 2 espèces d'oiseaux présentes en France. En Europe, les deux espèces sont distinctes. Elles ne se reproduisent pas entre elles et sont tout à fait différentes d'aspect et de comportement. Cependant, lorsqu'on se déplace vers l'est à travers la Russie et la Sibérie, on ne trouve pas de goélands argentés, mais le goéland brun s'éloigne de plus en plus du type européen et se rapproche graduellement, lorsqu'on arrive au détroit de Behring, du goéland argenté. De la même façon, si l'on voyage vers l'ouest à travers l'Atlantique, on ne rencontre pas de goélands bruns, mais on constate que le goéland argenté que l'on ne trouve que dans les régions septentrionales de l'Amérique du Nord, en vient progressivement à ressembler au goéland brun. En Sibérie orientale, il existe une forme de goéland quasi intermédiaire entre le goéland brun et le goéland argenté. Les différentes races se croisent toutes entre races adjacentes sauf aux deux extrémités de la boucle, où les deux formes sont des espèces distinctes sans croisement. On peut retracer pas à pas la formation des deux espèces en suivant les sous-espèces se rapprochant l'une de l'autre par gradation tout autour de l'hémisphère nord. Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 28 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 2.4 Un regard sur l'évolution de l'Homme 2.4.1 L'homme au sein des primates L'homme appartient au groupe des primates. Parmi ces primates quelles sont les espèces les plus proches d'Homo sapiens ? Pour déterminer la plus ou moins grande proximité entre les espèces, il est possible de s'appuyer en particulier sur des données anatomiques ou moléculaires. À l'aide du logiciel phylogène, et en vous appuyant sur les caractères anatomiques mis à votre disposition, vous réaliserez un arbre phylogénétique des primates suivants : chimpanzé gibbon gorille homme saki et tarsier. Ajouter le Toupaïe qui sera utilisé comme espèce extérieure au groupe (espèce extragroupe) vous indiquant donc les états ancestraux des caractères étudiés. L'arbre doit comporter les états dérivés (nouveaux) caractérisant chaque branche. Les étapes du travail : Construire une matrice (un tableau) de comparaison Polariser la matrice (déterminer les états ancestraux et les états dérivés et les colorer) Classer les espèces Garder le logiciel ouvert pour la suite Afin de préciser la proximité entre l'homme, le chimpanzé, le gibbon et le gorille vous comparerez les séquences du gène codant pour la NAD à l'aide du logiciel anagène en utilisant l'homme comme espèce de référence. Sur votre feuille, réaliser l'arbre phylogénétique des primates à partir des données obtenues avec phylogène et anagène. L'arbre doit comporter les données justifiant la position adoptée pour chacune des espèces. Liste du matériel disponible: Un ordinateur avec le logiciel phylogène et le logiciel anagène Collection des primates dans phylogène fichier seq-ADN.edi Une fiche d'aide (ou aide en ligne) Aide technique: Aide en ligne sur http://acces.ens-lyon.fr/evolution/logiciels/phylogene/documentation-2011-2012/index.html Accès aux données: une collection doit être ouverte pour accéder aux données (liste des collections en bas de le première page) Réaliser une matrice: - cliquer sur construire - sélectionner les animaux en cliquant sur l'image en bas de l'écran (pour enlever du tableau cliquer à nouveau ) - sélectionner les caractères en cliquant sur leur nom en bas à gauche (pour enlever du tableau cliquer à nouveau) - remplir le tableau en cliquant sur chaque case et en utilisant l'information en bas et à droite - vérifier le tableau et le rectifier si nécessaire (obligatoire pour pouvoir polariser) Polariser : - définir l'extragroupe (espèce extérieure au groupe étudié) - colorer les états ancestraux (existant à l'extérieur du groupe) en cliquant sur le bouton correspondant - colorer les états dérivés (apparus dans le groupe) en cliquant sur les cases restantes - vérifier la polarisation Classer les espèces Cliquer sur classer, Cliquer sur l'icone au niveau de la fenêtre de gauche cliquer sur les caractères souhaités Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 29 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 2.4.2 Le chimpanzé, parent proche de l'Homme. Comparer les génotypes de chimpanzé et humain. Comparaison des caryotypes de l'homme et du chimpanzé: • 13 paires de chromosomes sont identiques morphologiquement chez l'homme et le chimpanzé • le caryotype humain se distingue de celui du Chimpanzé par le nombre de chromosomes (2n = 46 chez l'Homme - 2n = 48 chez le Chimpanzé). Si l'on observe les caractéristiques des chromosomes, on peut faire l'hypothèse d'une fusion de deux chromosomes distincts chez le chimpanzé pour constituer le chromosome 2 humain • la comparaison des chromosomes de certaines paires permet de mettre en évidence différentes modalités d'évolution génétique: inversion d'un fragment de chromosome dans la région voisine du centromère (chromosomes 4, 5, 12, 17, 18); délétion d'un fragment chromosomique (chromosomes 1, 13); remaniements plus importants (chromosomes 9) A l'aide du logiciel lignée humaine, comparez l'anatomie de l'homme et du chimpanzé. Faire un tableau récapitulatif des différences. Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 30 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 2.4.2.1 Comparaison entre êtres vivants actuels: comparaison Pan troglodytes (chimpanzé) Homo sapiens (être humain) État dérivés propres aux Hominines (lignée humaine) D'après classification phylogénétique du vivant Le guyader, belin éditions Capacité crânienne ~ 1500 cm3 Glissement du trou occipital sous la calotte cranienne Bassin élargi et court Prémaxillaire à redressement vertical Arcade dentaire parabolique Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 31 Sur 37 ACTIVITES ELEVES TS 19/02/11 2.4.2.2 L’ évolution humaine, les critères d’appartenance à la lignée humaine liés à la station bipède. Livre Bordas page 40-41 Hatier page 46-48 Singes anthropoides caractéristique le centre de gravité être humain conséquences caractéristique muscles fessiers servant uniquement pour la locomotion - muscles fessiers peu développés - bassin haut et long - main nécessaire au maintien de l’équilibre (support pour le déplacement) conséquences - muscles fessiers pour la locomotion et le maintien de la position verticale - muscles fessiers très développés - bassin large et évasé - libération de la main le trou occipital sa position - besoin de muscles puissants pour tenir la tête - importante zone d’insertion des muscles à l’arrière de la tête - muscles peu puissants pour tenir la tête - zone d’insertion musculaire peu importante la colonne vertébrale sa courbure X X les membres postérieurs dont pied antérieurs dont main courts fémurs en position verticale fonction locomotrice et préhensile stature bipède avec brachiation (déplacement avec l’aide des bras) à fonction locomotrice fonction locomotrice et préhension pouce opposable pas de voute plantaire longs fémurs en position oblique fonction locomotrice stature bipède plantigrade + longs que les jambes (appui) longue spécialisée dans la préhension pouce non opposable voute plantaire et talon courte pouce très opposable Sujet 2.1: D'après les 3 premières lignes de ce tableau, comment peut on justifier que les singes anthropoïdes ne soient pas inclus dans la lignée humaine 5TEXTE COURT°?. ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 2.4.3 29/09/16 Le crâne humain, un exemple d'attribut évoluant au cours du temps Vous allez, au cours de cette séance : - élaborer un protocole de mesure d’angle facial pour évaluer le prognathisme - effectuer une mesure d’angle facial. Cette mesure d’angle facial est utilisée par les paléontologues pour identifier un crâne. L’angle facial : un critère utilisé pour distinguer les espèces de la lignée humaine: Pour les espèces du genre Homo, la face est verticale alors que chez les homininés plus anciens cette face est inclinée et la mâchoire est très avancée. L'inclinaison de la face est l'un des critères permettant de distinguer les espèces de la lignée humaine, il est possible de la mesurer en déterminant l’angle facial (fig.1). Fig. 1 : angle facial d’un crâne de chien Les étapes du travail de détermination d'un crâne inconnu: Dans un premier temps, il est nécessaire de disposer de valeurs de référence mesurées sur des crânes connus des différentes espèces. Dans un second temps, par comparaison avec les valeurs de référence, il est possible de déterminer l'espèce du crâne inconnu. La méthode de mesure employée: Pour mesurer un angle facial et comparer cette mesure avec les résultats obtenus sur d'autres crânes, nous allons choisir sur le crâne 4 points facilement identifiables pour tracer 2 droites D1 et D2 définissant l'angle. Une droite D1 approximativement horizontale, une droite D2 donnant la direction de la face.Nous réaliserons ensuite une projection orthogonale de ces points sur un plan de manière à effectuer la mesure de l'angle sur ce plan. Cette projection peut être réalisée à l'aide d'un aquarium, d'un transparent et d'un faisceau laser (fig 2.). Pour cela, le plan de symétrie du crâne doit être parallèle au transparent sur lequel sont reportés les points et le laser doit être perpendiculaire à ce même transparent (vérification à effectuer à l’aide d’une équerre). Fig. 2 : méthode de mesure par Projection orthogonale Liste du matériel disponible: crâne numéroté crâne sans mâchoire inférieure gommettes autocollantes laser support vertical transparent transparents + feutres non permanents support de hauteur réglable scotch Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 1 par groupe de 3 1 par groupe de 6 5 par groupe 1 par groupe 1 par groupe 2 par groupe 1 par groupe 1 par classe 33 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 Travail à réaliser Mesurer l’angle facial sur deux crânes et rédiger un protocole expérimental Important : Vous allez concevoir un protocole de mesure. Votre protocole devra satisfaire les trois critères suivants : - être pertinent par rapport à la question posée : il mesure bien un angle facial; il est applicable à tous les crânes; - être reproductible : les différentes mesures réalisées sur un crâne conduisent au même résultat ; - être communicable, c’est-à-dire rédigé (texte et/ou schéma) de manière suffisamment précise pour être lu, compris et réalisé par un autre groupe d'élèves. 1. Pour élaborer votre protocole : choisissez, sur le crâne à votre disposition, 3 ou 4 points permettant de tracer 2 droites D1 et D2 dont l’angle permet d’estimer le prognathisme puis réalisez la mesure. 2. Détaillez votre protocole de mesure en utilisant éventuellement les schémas de crane mis à votre disposition, puis expliquez comment vous avez choisi ces 3 ou 4 points. Donner au moins deux critères qui vous ont permis de choisir ces points. (ne pas détailler l'usage de laser, du support élévateur … ? centrer votre explication sur les points choisis). 3. Réaliser votre protocole et conserver le résultat de votre mesure. 4. Pour vérifier la communicabilité de votre protocole : donnez votre protocole et votre crâne à un autre groupe qui va réaliser votre protocole. Faites de même avec son crâne et son protocole. Attention au point ci dessous (différent du travail de mesure réalisé précédemment) : Faites vérifier la position des points au groupe qui a écrit le protocole avant de réaliser la mesure. Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 34 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 2.4.3.1 Quantifier le prognathisme, la mesure de l'angle facial TPCrâne conception du tp.odt L'évolution du crâne dans la lignée humaine est caractérisée par une augmentation de l'angle facial (diminution de l'avancement de la mâchoire = prognathisme). Vous déterminerez la position des points O, P, M et N, puis, par projection, vous tracerez les droites OP et MN afin de déterminer l'angle facial. Vous ajouterez les points B et Q afin de déterminer le rapport Hauteur sur longueur (BP/NQ). Après avoir identifié le crâne, et en vous appuyant sur les différents cranes proposés, vous expliquerez le choix des points retenus par les paléontologues pour réaliser la mesure de l'angle facial. Liste du matériel disponible: crâne numéroté 1 HSS 2 HSN 3 HE 1 par groupe de 3 4 chimpanzé 5 HH crâne sans mâchoire inférieure gommettes autocollantes laser support vertical transparent transparents + feutres non permanents support de hauteur réglable scotch 6 A Afarensis 7 A robustus 1 par groupe de 6 5 par groupe 1 par groupe 1 par groupe 2 par groupe 1 par groupe 1 par classe B est le point de rencontre des sutures fronto-pariétales et sagittale. P est le point le plus haut du trou auditif N est le point de rencontre de la suture des os nasaux et du frontal Q est le point postérieur le plus proéminent de l’occiput. O est le point le plus bas de l’orbite oculaire M est le point le plus proéminent de l’os maxillaire supérieur entre les alvéoles des deux incisives supérieures centrales Protocole de mesure : 1- Localiser les points sur le crâne, tels que définis ci-dessus et ci-contre 2- Le crâne est posé dans l’aquarium, son plan de symétrie parallèle à la face de l’aquarium sur laquelle a été préalablement fixé le transparent 3- Viser les points indiqués à l’aide du rayon laser émis par le stylo, fixé sur la potence. 4- Noter la projection des ces points sur le transparent. 5- Mesurer la hauteur et la longueur, puis calculer le rapport. Le rayon lumineux doit être bien perpendiculaire à la glace de l’aquarium. La mesure s’effectue conventionnellement sur le profil gauche. Localisation des points de référence Tableau 1 : valeurs de référence des paléontologues : les valeurs d'angle sont données à 1 degré près ; les valeurs du rapport H/L sont à 5% près Critères Espèces Australopithecus (boisei, afarensis, et gracilis) Inclinaison de la face Rapport hauteur / longueur de crâne Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 56° à 75° 0,58 à 0,67 Homo habilis Homo erectus 65° à 68° 75° à 81° 0,48 à 0,66 0,46 à 0,54 Homo neanderthalensis Homo sapiens 71° à 89° 0,45 à 0,63 82° à 88° 0,59 à 0,64 35 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 2.4.3.2 relation entre mécanismes de l’évolution et génétique: Mutations de gènes intervenant dans les durées de développement (hétérochronie) Mise en relation de documents et de connaissances rédaction type 2b: Sujet 2.2: Livre Nathan page 138-139. Les scientifiques considèrent que l'Homme et les grands singes descendent d'un ancêtre commun. Les grands singes auraient conservé un développement du crâne du même type que cet ancêtre commun alors que la lignée humaine serait un descendant de cet ancêtre commun ayant conservé des caractéristiques du jeune individu. A l'aide des documents proposés(Nathan TS), argumentez cette affirmation. Document 1: Document 3: Les neurones se multiplient pendant la phase embryonnaire et la phase fœtale. La croissance cérébrale entraîne la croissance du crâne. Document 2: Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 36 Sur 37 ACTIVITÉS ÉLÈVES TS 29/09/16 GENETIQUE TS SUJETS DE TYPE 1 1. Sous forme d’un exposé clair, organisé et illustré, expliquez les mécanismes créateurs de la diversité génétique intraspécifique au cours de la reproduction sexuée. NB : les mutations ne sont pas à considérer comme des mécanismes de reproduction sexuée. On limitera les illustrations aux phases essentielles. 2. L'homme appartient au groupe des primates. Comme tous les êtres vivants, Homo sapiens est issu de l'évolution d'autres espèces. Tout en présentant les principales caractéristiques de l'espèce humaine, vous proposerez une explication à l'apparition de cette espèce en Afrique de l'Est. 3. Présentez le brassage génétique au cours de la méiose et de la fécondation. Vous illustrerez votre exposé en prenant deux couples d’allèles (A,a), (B,b) situés respectivement sur 2 paires différentes de chromosomes. 4. Après avoir présenté les généralités sur les mécanismes de l'évolution des espèces, vous utiliserez un exemple basé sur l'histoire des primates pour illustrer de manière détaillée un de ces mécanismes. Vous conclurez par une définition de la notion d'espèce. Un ou plusieurs schémas d'illustration sont attendus. 5. Chaque individu d’une population est unique. Vous montrerez que la méiose conduit à des combinaisons alléliques nouvelles, à l’origine de l’unicité des individus; vous appuierez votre exposé sur des schémas soigneusement légendés. 6. Montrez comment la méiose conduit à des gamètes génétiquement différents, en partant d’un schéma d’une cellule diploïde à 4 chromosomes et 3 gènes (chacun sous deux formes alléliques). Chaque étape essentielle du brassage génique sera illustrée par un schéma. 7. L’idée d’évolution biologique implique l’existence de mécanismes introduisant chez les êtres vivants des innovations génétiques qui doivent être transmises de générations en générations. Vous exposerez les principales modalités de modifications héréditaires du génome d’une espèce et vous indiquerez comment l ’environnement peut intervenir pour conserver ou éliminer la diversité ainsi obtenue. 8. L’innovation génétique conditionne la diversification des espèces et donc l’évolution des êtres vivants. Exposez les principaux événements, sources de cette innovation. 9. Après avoir présenté les généralités sur les mécanismes de diversification des espèces, vous utiliserez un exemple basé sur un des mécanismes de diversification pour montrer de manière détaillée comment une espèce peut évoluer en une (ou deux) autre(s) espèce(s). Vous conclurez par une définition de la notion d'espèce. Un ou plusieurs schémas illustrant l'exemple détaillé sont attendus. 10. Montrez comment, chez les organismes à reproduction sexuée, la méiose contribue à la diversité des génotypes individuels. Chaque étape essentielle sera illustrée par un schéma. L'étude se limitera au cas d'une cellule à 2n = 4 chromosomes et deux gènes a et b portés par des chromosomes différents. Un des parents possède les allèles a1, a2 et b1, b2 l'autre parent possède les allèles a3, a4 et b3, b4. 11. Expliquez, à partir de 3 couples d’allèles judicieusement placés sur les chromosomes, comment la méiose assure un brassage des gènes. Votre exposé devra s’appuyer sur des schémas pour lesquels des symboles précis représenteront les allèles choisis. 12. Sans détailler les mécanismes créateurs de diversité, vous présenterez les principaux mécanismes naturels pouvant expliquer l'évolution d'une espèce. Votre exposé s'appuiera sur des exemples précis et sera illustré. 13. Des anomalies de la méiose peuvent conduire à des caryotypes différents des caryotypes habituels. Après avoir expliqué le fonctionnement normal de la méiose, vous présenterez 2 types d'anomalies liés à un dysfonctionnement de la méiose. Votre exposé s'appuiera sur des exemples précis et sera illustré. 14. Selon François Jacob, « la sexualité est considérée comme une machine à faire du différent ». Justifier cette affirmation en exposant les conséquences génétiques de la méiose dans le cas où 3 couples d’allèles (A,a), (B,b), (D,d) sont répartis sur 2 paires de chromosomes. La réponse sera illustrée par des schémas. 1- Regrouper les sujets présentant une grande ressemblance biologique/géologique et donner un intitulé au groupe ainsi constitué. 2- Lister les mots clés pour cet intitulé. Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois au niveau de l'aspect 37 Sur 37
