Master : « Métiers de l’Enseignement scolaire » U. E. FONDAMENTAUX ET POLYVALENCE Contenus scientifiques Hervé ALBERTIN IUFM-UJF Année universitaire 2010-2011 1 Nutrition animale (Homme essentiellement) I. I. II. III. IV. Dia. 3 Dia. Dia. Dia. Dia. 6 22 39 57 Dia. 61 Dia. Dia. 62 88 Dia. 105 Reproduction, croissance et développement chez les animaux Reproduction chez les végétaux Classification des êtres vivants Dia. Dia. Dia. 107 126 150 Nutrition végétale, écologie et développement durable Dia. 164 Nutrition végétale Ecologie, environnement, développement durable Dia. Dia. 165 178 Education à la santé et Reproduction humaine Dia. 211 Dia. Dia. Dia. Dia. 212 222 223 224 Dia. 243 Dia. Dia. Dia. 244 254 261 Digestion Respiration Circulation sanguine Adaptations de l’organisme à l’effort Fonctions de relation II. I. II. Fonction sensori- motrice Locomotion animale Reproduction et classification III. I. II. III. IV. I. II. V. I. II. III. IV. Education à la santé et alimentation Education à la santé et sommeil Education à la santé et articulations Reproduction humaine Géologie VI. I. II. III. Séismes Volcanisme Tectonique des plaques 2 Nutrition animale (Homme essentiellement) 3 Organisme Energie Energie (chaleur) Fonctionnement Maintien de la structure Matière Matière (eau, déchets) 4 Chapitre : Aliments et Alimentation 5 DIGESTION 6 Un processus en 8 étapes : - l’ingestion d’aliments - la propulsion du bol alimentaire - le broyage mécanique et le malaxage (dents, estomac) - l’imprégnation des aliments par les secrétions des glandes digestives (salive, sucs gastriques, sécrétions intestinales et pancréatiques) - la simplification moléculaire des aliments en nutriments par les enzymes - l’absorption des nutriments par la paroi de l’intestin grêle - la déshydratation des résidus dans le gros intestin - la défécation, évacuation des excréments par l’anus 7 La digestion permet : - d’une part, une simplification moléculaire des aliments en nutriments, molécules de base constitutives des aliments. Elle constitue une étape indispensable au passage de matière nouvelle (oses pour la famille des glucides, acides aminés pour la famille des protides, acides gras et alcools pour celle des lipides) dans le milieu intérieur (sang et lymphe) de l’organisme. L’eau, les minéraux, les vitamines ne subissent pas de digestion (molécules élémentaires) - d’autre part, une transformation des macromolécules spécifiques de l’aliment ingéré en molécules de nutriments non spécifiques, communes à l’ensemble du monde vivant. Ces molécules de nutriments élémentaires permettront à l’organisme, après leur absorption, de synthétiser ses propres macromolécules caractéristiques. Ainsi…, les acides aminés digérés de l’ovalbumine (protéine du « blanc » d’œuf) pourront être utilisés à la synthèse de l’hémoglobine humaine (hétéroprotéine, transporteur d’O2 dans le sang) 8 Les aliments progressent dans le tube digestif (bouche- œsophage- estomac- intestin grêlegros intestin- anus) grâce à une onde de contraction (péristaltisme) qui affecte sa paroi. Les glandes salivaires, le foie, le pancréas sont des glandes annexes connectées au tube digestif et non traversées par les aliments. Une glande digestive sécrète un suc (ensemble de substances en solution dans l’eau) qui participe directement à la simplification moléculaire de l’aliment en nutriments. Ainsi : - Les glandes salivaires sécrètent la salive - La glande gastrique sécrète le suc gastrique - Le pancréas sécrète le suc pancréatique -La glande intestinale sécrète le suc intestinal Le foie n’est pas une glande digestive proprement dite car la bile qu’il sécrète n’a pas une action de simplification moléculaire 9 La digestion mécanique consiste en une fragmentation des aliments via la mastication buccale et le brassage gastrique. Cette fragmentation mécanique facilite l’accès aux composés organiques complexes des catalyseurs enzymatiques spécifiques et ainsi la réalisation des réactions d’hydrolyse impliquées. La mastication buccale est essentiellement due à l’action des dents. La denture d’un omnivore Ŕex. l’Homme- se caractérise par 3 sortes de dents (incisives, canines, molaires) également développées. Chez l’Homme, les incisives (couronne aplatie à bord libre tranchant) coupent ; les canines (pointues) déchirent (elles ont par ailleurs un rôle dans la désocclusion des dents) ; les prémolaires et molaires (à tubercules arrondis) broient. Les caries dentaires résultent de l’action des bactéries présentes dans la bouche et qui transforment le sucre en acide lactique corrosif pour l’émail et l’ivoire des dents. L’ingestion de sucre et un brossage insuffisant des dents favorisent la formation des caries. Si la carie atteint la pulpe, les nerfs irrités provoquent le mal de dent. Incisive Maxillaire Canine Mandibule Prémolaire Molaire 10 A titre comparatif, les carnivores ont des incisives de très petite taille ; des canines coniques, longues, pointues (crocs) ; des molaires hautes, pointues « en dents de scie », tranchantes. Les végétariens sont caractérisés par une denture à croissance continue (incisives chez les rongeurs, molaires chez les ruminants). Les incisives sont bien développées, biseautées, coupantes ; les canines sont absentes ou peu développées ; les molaires sont abrasives avec une table d’usure. L’espace incisive Ŕ molaire constitue la barre. 11 La digestion chimique. Les aliments sont constitués pour la plupart de molécules complexes résultant de l’association de molécules simples. Ces aliments doivent nécessairement être dégradés pour libérer leurs molécules simples constitutives, seules à pouvoir être absorbées par l’organisme. La simplification moléculaire des aliments en leurs nutriments constitutifs est réalisée par l’EAU : réaction d’hydrolyse. L’eau coupe les liaisons qui unissent les molécules de base constitutives des aliments et les libèrent. L’ action des enzymes est essentielle. Ce sont des catalyseurs. Leur fonction est d’accélérer la réaction d’hydrolyse des aliments : - elles agissent en petite quantité et permettent d’économiser de l’énergie ; - elles sont spécifiques d’une substance donnée. L’affinité de l’enzyme pour son substrat est due à une zone particulière de l’enzyme, le site actif qui présente une certaine complémentarité de « forme » avec le substrat. Une molécule d’aliment se lie à l’enzyme au niveau de son site actif et c’est alors que se produit la coupure de cette molécule (simplification moléculaire) par une molécule d’eau ; - elles sont actives sous certaines conditions physico-chimique de température (corporelle) et de pH selon le lieu où elles interviennent. Les enzymes facilitent la fragmentation des longues molécules alimentaires en molécules unitaires absorbables : les nutriments qui passent, au niveau de l’iléon (dernière partie de l’intestin grêle) dans le milieu intérieur (sang/lymphe). 12 Dans la bouche, une action chimique s’opère grâce à la salive (issue des glandes salivaires) dont l’enzyme, la ptyaline, une amylase, catalyse l’hydrolyse de l’amidon, du glycogène. Dans l’estomac, en milieu acide dû à la sécrétion d’acide chlorhydrique, une enzyme, la pepsine, catalyse l’hydrolyse partielle des protéines. On obtient le chyme. Le duodénum reçoit : -La bile produite par le foie, stockée dans la vésicule biliaire. La bile ne renferme pas d’enzymes mais des émulsifiants qui facilitent la digestion des graisses par les enzymes appropriées ; -Le suc pancréatique constitué d’un cocktail d’enzymes transforme le chyle en chyme grâce à la trypsine (substrats: protéines), à l’amylase (substrats : amidon, glycogène), aux lipases (substrats : lipides) Le suc intestinal au niveau du jéjunum achève la digestion grâce à ces peptidases (substrats : peptides), sa maltase (substrat : maltose), sa saccharase (substrat : saccharose), sa lactase (substrat : lactose). Les nutriments, molécules unitaires, issus de l’hydrolyse des aliments via une catalyse enzymatique peuvent alors être absorbés au niveau de l’iléon. Les aliments minéraux ne subissent pas d’action enzymatique et sont absorbés comme nutriments. 13 Sucs digestifs Enzymes pH optimal Substrats alimentaires Produits formés Salive Amylase (Ptyaline) 7 Amidon, glycogène Maltose Suc gastrique Pepsine 2 Protéines (chaînes longues) Peptides (chaînes courtes) Trypsine 7-8 Protéines Peptides (chaînes courtes) Amylase 7 Amidon, glycogène Maltose Lipases 7-8 Lipides Acides gras, Glycérol Peptidases 8 Peptides Acides aminés Maltase 8 Maltose Glucose Lactase 8 Lactose Galactose, Glucose Saccharase 8 Saccharose Glucose, Fructose Suc pancréatique Suc intestinal Les molécules de la colonne « produits formés » en italique sont des nutriments. 14 L’absorption intestinale consiste en un passage des nutriments de l’intestin au milieu intérieur (sang, lymphe) : - l’essentiel de l’eau et des ions, les sucres simples, les acides aminés, les acides gras et le glycérol traversent la muqueuse intestinale vers les capillaires sanguins - une partie de l’eau et des ions, les lipides incomplètement simplifiés sont absorbés et transportés par le système lymphatique Si l’absorption a lieu essentiellement au niveau de l’iléon et de ses villosités (intestin grêle) pour les nutriments organiques, l’eau résiduelle et les minéraux sont absorbés par la muqueuse du gros intestin. Il en est de même du glucose issu de la digestion de la cellulose par les bactéries et de certaines vitamines produites par leur activité. Par ailleurs, la muqueuse gastrique absorbe certaines molécules comme l’éthanol. 15 L’absorption intestinale est facilitée par : - la longueur de l’intestin - l’augmentation de sa surface de contact par la présence : • des replis de la muqueuse • de ses multiples villosités • des microvillosités de chacune des cellules constitutives de la muqueuse en contact avec la lumière intestinale 16 17 18 L’assimilation des nutriments fait suite à leur absorption. L’assimilation consiste en l’utilisation des nutriments par les organes. Ainsi, les nutriments sont : - mis en réserve soit dans le foie et les muscles (pour le glucose sous forme d’un polymère, le glycogène), soit dans le tissu adipeux sous la peau (pour les lipides et le glucose excédentaire) - utilisés par les cellules soit pour obtenir de l’énergie (à partir du glucose et des acides gras), soit pour synthétiser de la matière nouvelle (des protéines, par exemple, par assemblage dans un ordre déterminé des acides aminés). Exemple : L’ingestion d’un verre de lait entier conduira à la digestion : - du lactose (sucre présent dans le lait) par la lactase en galactose et glucose - de la caséine (protéine du lait) par les protéases en acides aminés libres - des triglycérides par les lipases en acides gras et glycérol Les nutriments issus de la digestion des produits du lait (oses, acides aminés, acides gras, glycérol) ainsi que les constituants qui ne subissent pas de digestion (eau, minéraux dont le calcium et le phosphore, vitamine) sont absorbés au niveau intestinal par la circulation sanguine. Si les lipides sont stockés par le tissu adipeux, on peut imaginer, par exemple, que les fibres musculaires utiliseront … le glucose via la respiration cellulaire à une production d’énergie nécessaire à… la synthèse d’une protéine contractile (exemple actine ou myosine) par assemblage des acides aminés absorbés selon un plan de montage contrôlé par le génome de la 19 cellule, … que le calcium sera employé à la réalisation de la dite contraction. Toutes les molécules constitutives des aliments ne sont pas simplifiables en petites molécules absorbables par le milieu intérieur. Les molécules non digérées à l’issue de leur transit dans le tube digestif vont constituer des déchets ou selles et être évacués par défécation. Dans le gros intestin a lieu une très importante absorption d’eau ce qui a pour conséquence de provoquer une déshydratation de la matière fécale. L’urine est fabriquée par les reins. Le fonctionnement de l’organisme conduit à la production de déchets. Des déchets azotés (telle que l’urée) produits par le foie passent dans le sang et seront éliminés par les reins en solution dans de l’eau. L’eau nécessaire à l’élimination des déchets azotés est l’eau de boisson ingérée au niveau du tube digestif. Son trajet est donc le suivant : - intestin - vaisseaux sanguins - reins (formation de l’urine, pour partie : urée solubilisée dans l’eau) - uretères vessie (stockage) - urètre (canal de vidange). 20 En résumé… Digestion/Absorption 21 RESPIRATION 22 La respiration est l’ensemble des mécanismes qui permettent la libération de l’énergie des nutriments. Elle se manifeste par un échange de gaz entre l’individu et son milieu. Chez l’Homme, elle se traduit par : -La ventilation pulmonaire qui permet une entrée d’air dans les poumons lors de l’inspiration et sa sortie lors de l’expiration. -La respiration cellulaire qui correspond à l’utilisation du dioxygène de l’air pour extraire l’énergie contenue dans les nutriments. 23 Appareil respiratoire de l’Homme : - fosses nasales, - pharynx, - trachée, - poumons droit et gauche, - bronchioles, - alvéoles pulmonaires - côtes et muscles intercostaux/ diaphragme/plèvre L’arborescence terminale des bronchioles n’est pas accessible à l’œil nu. L’extrémité des bronchioles se termine par des alvéoles aux parois très amincies. Entre les alvéoles existe toute une ramification de capillaires sanguins. 24 Plèvre externe Plèvre interne Les poumons sont entourés de 2 feuillets : la plèvre. L’un colle aux poumons, l’autre adhère à la cage thoracique et au diaphragme. L’existence d’une pression négative entre les 2 feuillets solidarise l’ensemble cage thoracique -diaphragme aux poumons. La solidarité des 2 feuillets de la plèvre par un film liquidien empêche leur décollement. 25 INSPIRATION EXPIRATION Au cours de l’inspiration : le diaphragme s’abaisse et les muscles élévateurs des côtes se contractent ce qui provoque un accroissement de volume de la cage thoracique. Les mouvements des poumons suivent ceux du thorax et du diaphragme du fait de la solidarité imposée par la plèvre. Ces 2 mécanismes : accroissement du volume thoracique et solidarité poumonsthorax, créent au moment de l’inspiration, une dépression à l’intérieur des poumons permettant une entrée d’air. Il s’agit d’un mouvement actif. Au cours de l’expiration : le relâchement des muscles élévateurs des côtes et du diaphragme provoque une diminution de volume de la cage thoracique donc des poumons. L’air sort. Il s’agit d’un mouvement passif. Les mouvements respiratoires normaux sont des réflexes modulables par la volonté. Les centres nerveux sont situés dans le bulbe rachidien, eux-mêmes sous le contrôle de l’hypothalamus. 26 27 Un cycle respiratoire est constitué d’une inspiration suivie d’une expiration. Le rythme respiratoire exprime le nombre de cycles respiratoires par minute. Il est de 14 à 16 cycles par minute chez l’Homme adulte au repos. Au cours de chaque mouvement respiratoire simple, le volume courant (VC) est le volume d’air inspiré puis expiré (500 ml). Le volume d’une inspiration forcée à la fin d’une inspiration normale est le volume de réserve inspiratoire (VRI) (3100 ml). Le volume d’une expiration forcée à la fin d’une expiration normale est le volume de réserve expiratoire (VRE) (1200 ml). La capacité vitale est de 500 + 3100 + 1200 = 4800 ml. Un volume résiduel (VR) de 1200 ml n’est pas soumis aux flux inspiratoire et expiratoire. La capacité pulmonaire totale est de 4800 + 1200 = 6000 ml. 28 Différentes pathologies des voies respiratoires Toute effraction de l'un des deux feuillets de la plèvre entraîne immédiatement un décollement des feuillets : c'est le pneumothorax. Le poumon se rétracte en entrainant le feuillet interne. Lorsque le pneumothorax est complet, seul le poumon opposé respire. Un traumatisme thoracique peut entrainer un saignement dans la plèvre : c'est l'hémothorax. Le sang s’infiltre entre les deux feuillets et repousse le poumon. 29 L’asthme est dû à un œdème localisé dans les bronches conséquence d’une réaction du système immunitaire (granulocytes) à un allergène. Cet œdème provoque : - une diminution du diamètre des bronches ce qui entraîne une difficulté respiratoire aggravée par… - une contraction des muscles qui entourent les bronches. 30 31 Composition Air de l’air en % inspiré Air expiré N2 75% 75% Volume de gaz en ml par litre de sang O2 21% 16% O2 150 ml/l 200 ml/l 0,03% 5% CO2 530 ml/l 480 ml/l CO2 Volume de gaz en ml par litre de sang Sang arrivant aux poumons Sang sortant des poumons Sang arrivant au muscle Sang sortant du muscle O2 200 ml/l 150 ml/l CO2 480 ml/l 530 ml/l 32 - Au niveau des poumons : le sang s’enrichit en dioxygène et s’appauvrit en dioxyde de carbone. L’alvéole est donc le siège d’échanges gazeux : le dioxygène passe pour partie de l’air alvéolaire au sang et le dioxyde de carbone pour partie du sang à l’air alvéolaire. Le rôle de la ventilation est d’amener l’air au niveau des alvéoles pour qu’il y perde une partie de son dioxygène, s’enrichisse en dioxyde de carbone avant d’être rejeté. Par ailleurs, l’air expiré contient de la vapeur d’eau (1/2 litre éliminé/ jour) et est généralement plus chaud que l’air ambiant inspiré. - Au niveau des organes : le sang s’appauvrit en dioxygène et s’enrichit en dioxyde de carbone. Les cellules constitutives des organes sont donc le siège d’échanges gazeux : le dioxygène passe pour partie du sang aux cellules et le dioxyde de carbone des cellules au sang. L’organisme est donc le siège d’échanges gazeux qui alimentent les tissus en dioxygène et permettent le rejet du dioxyde de carbone. Les tableaux expriment les proportions des gaz dissous dans le sang en ml/100ml ou /l soit en teneur. Chaque gaz dissous exerce dans le sang une pression, dite pression partielle car ce n’est qu’une fraction de la pression exercée par l’ensemble des gaz dissous dans le sang (O2, CO2, N2). De part et d’autre de la surface d’échanges (membrane alvéolaire, membrane cellulaire), la pression partielle des gaz est différente et les échanges gazeux (pour chaque gaz) s’effectuent des 33 zones à haute pression vers les zones de basse pression selon le principe de la diffusion. Le sang : fluide assurant le transport du dioxygène et du dioxyde de carbone dans l’organisme - Le dioxygène est très peu soluble. 2% seulement de O2 est transporté sous forme dissoute. Les 98% restant sont transportés sous forme combinée à l’hémoglobine à l’intérieur des hématies : oxyhémoglobine. La forme combinée est réversible et s’établit en fonction de la teneur en dioxygène du sang : Pression O2 élevée (au niveau des poumons) Hémoglobine + O2 Oxyhémoglobine (rouge vif) Pression O2 faible (au niveau des organes) - Le dioxyde de carbone est 25 fois plus soluble que le dioxygène. 3 formes dans le sang : 30% dans le plasma : sous forme dissoute ET sous forme de bicarbonate 70% dans les hématies sous forme combinée à l’hémoglobine : carbhémoglobine Pression CO2 élevée (au niveau des organes) Hémoglobine + CO2 Carbaminohémoglobine (rouge sombre) Pression CO2 faible (au niveau des poumons) Le CO2 et l’O2 ne possèdent pas le même site de fixation sur l’hémoglobine. Par contre, le monoxyde de carbone (CO) possède le même site de fixation que l’O2 sur l’hémoglobine et de plus avec une affinité 200 fois plus grande d’où une asphyxie rapide en 34 présence de ce gaz dans l’atmosphère. La respiration, au niveau cellulaire, est un processus de décomposition progressif du glucose (ou des acides gras) par des réactions d’oxydation consommant du dioxygène. Cette voie est dite aérobie. Ce processus conduit à la production : - de CO2 - d’hydrogène qui se combine au dioxygène pour former de l’eau (H2O) - d’énergie dont la quantité varie selon les nutriments (1g de lipide libère 38 KJ, 1g de glucides et 1g de protides 17 KJ) sous la forme : de chaleur dissipée (environ 60%) ET de molécules utilisables par les cellules pour leurs travaux : l’ATP (environ 40%). La respiration cellulaire se déroule pour partie dans le hyaloplasme et pour partie dans les mitochondries. Il existe une voie anaérobie quand le dioxygène n’est pas ou n’est plus disponible, c’est la fermentation. Il s’agit d’un processus qui produit également de l’ATP et un déchet organique : l’acide lactique. Cependant, ce processus de dégradation incomplet de la matière organique possède un rendement environ 20 fois inférieur à celui de la respiration cellulaire. 35 . Atmosphère RESPIRATION PULMONAIRE ALVEOLE PULMONAIRE Hb + O2 SANG CO2 (dissous) CO2 (bicarbonate) HbO2 C6H12O6 6 O2 + *: ADP+P n’est pas précisé) Hb + CO2 HbCO2 C6H12O6 6 CO2 + 6 H2O + Chaleur + ATP* ATP (le nombre de molécules d’ATP formées CELLULE RESPIRATION CELLULAIRE 36 La respiration dans le monde animal Milieu Organes respiratoires aérien Poumons Trachées aquatique Peau Branchies Type de respiration Pulmonaire Trachéenne Cutanée Branchiale Fluide support des gaz respiratoires Air Eau Les caractéristiques communes aux poumons et branchies : - grande surface d’échanges - finesse des surfaces d’échanges - richesse de l’irrigation vasculaire 37 En résumé… Respiration 38 CIRCULATION SANGUINE 39 L’appareil circulatoire comprend une pompe (le cœur) et un réseau de vaisseaux (artères, capillaires, veines) qui véhiculent le sang dans un système clos. Le sang quitte le ventricule droit par l’artère pulmonaire, il parvient aux poumons où il s’enrichit en dioxygène et se décharge de son dioxyde de carbone. Il rejoint l’oreillette gauche par les veines pulmonaires (circulation pulmonaire). Lors de la contraction ventriculaire (systole), les valvules mitrales bloquent le reflux du sang vers l’oreillette gauche, il emprunte l’artère aorte pour irriguer tout le corps. Lors de la diastole (relâchement ventriculaire), la pression dans le ventricule est nulle ; dans l’aorte, la pression est toujours >0. Les valvules bloquent le retour du sang. Vers les organes, des ramifications font circuler le sang dans des vaisseaux de plus en plus fins : les capillaires viennent au plus près des cellules favorisant les échanges par une plus grande surface de contact. Chargé de nutriments au contact de l’intestin grêle, le sang rejoint le foie via la veine porte puis l’oreillette droite par les veines caves (circulation générale). Le circuit est bouclé. 40 Une pompe : le cœur, composé d’un muscle - le myocarde- structuré autour de 2 cavités indépendantes (cœur droit et cœur gauche) Le cœur est un muscle creux dont le rôle, par contraction, est de propulser le sang dans le corps dans un ensemble de conduits, les vaisseaux, organisés en un circuit fermé. Sa contraction automatique est due à l’activité d’un tissu interne : le tissu nodal. Les valvules sont des replis membraneux : - les valvules auriculo-ventriculaires (mitrale à droite, tricuspide à gauche) séparent chaque partie du cœur en deux, délimitant ainsi une oreillette et un ventricule -les valvules sigmoïdes séparent les ventricules des artères. Nota : il existe également des valvules au niveau des veines inférieures. Rôle : la forme des valvules impose un sens à la circulation du sang en l’empêchant de refluer en sens inverse L’approvisionnement du myocarde en dioxygène et en nutriments ne s’effectue pas par contact avec le sang qu’il propulse mais grâce à des vaisseaux spécifiques : les artères coronaires (branches de l’aorte qui fournissent au myocarde O2 et nutriments) et veines coronaires qui 41 éliminent dioxyde de carbone et autres déchets en se jetant dans l’oreillette droite. Le cœur a une activité rythmique qui se manifeste par les phases suivantes : - systole : contraction du myocarde des oreillettes ou des ventricules. Elle correspond à une période de travail * systole auriculaire (contraction des oreillettes) : sang chassé des oreillettes dans les ventricules (valvules auriculo-ventriculaires ouvertes, sigmoïdes fermées) * systole ventriculaire (contraction des ventricules) en 2 temps : systole isométrique : sang est mis sous pression dans les ventricules, fermeture des valvules auriculo-ventriculaires, systole isotonique : ouverture des valvules sigmoïdes et propulsion du sang dans les artères - diastole : relâchement du myocarde correspondant à une période de repos alternant avec la systole. On distingue : * la diastole auriculaire qui correspond à un afflux du sang dans les oreillettes * la diastole ventriculaire qui correspond à l’afflux du sang dans les ventricules * la diastole générale : relâchement général du myocarde, le sang afflue dans les oreillettes et les ventricules (valvules sigmoïdes fermées) - une révolution cardiaque ou (cycle cardiaque) commence à la contraction des oreillettes, se poursuit par celles des ventricules et se termine à la fin du temps de repos du cœur (diastole générale) - le rythme cardiaque correspond au nombre de cycles cardiaques en 1 minute : 70 cycles cardiaques/ minute en moyenne - le pouls est un durcissement passager des artères dû à la propagation d’une onde de choc (10 à 40 m/s) qui naît à chaque systole ventriculaire au niveau de la crosse aortique. Il permet 42 ainsi la mesure du rythme cardiaque. Une tuyauterie haute pression imperméable : les artères qui sont des conduits à paroi contractile et élastique dans lesquels le sang circule du cœur vers la périphérie de l’organisme. Pression artérielle : Pression exercée par le sang sur les parois des artères, variant en fonction : - du rythme cardiaque - de la force de la contraction cardiaque - de l’état de contraction des artères - du lieu de la mesure - de la quantité de sang circulant (volémie) : augmentation brutale après absorption importante et rapide de liquide, ou de sel (rétention) ou d’un dysfonctionnement des reins. 43 Une tuyauterie basse pression imperméable (retour au cœur) : les veines. Leurs parois sont minces, très souples et souvent pourvues de valvules anti reflux qui facilitent le retour veineux de la périphérie au cœur. 44 Des vaisseaux, perméables, de raccordement entre artères et veines : les capillaires sanguins. Dans l’appareil circulatoire, les capillaires sanguins sont les seuls vaisseaux au niveau desquels les échanges nutritionnels entre les cellules et le milieu intérieur (sang) et entre le milieu intérieur et le milieu extérieur sont possibles. La cause en incombe aux caractéristiques de ces vaisseaux qui, organisés en réseaux arborescents (les lits capillaires) assurent la continuité entre le système artériel (circulation périphérique /cœur) et le système veineux (circulation de retour/ cœur) : -La paroi du capillaire réduite à une seule couche de cellules facilite les échanges entre sang/milieu intercellulaire/cellules constitutives des organes -La vitesse de circulation du sang lente, au niveau de ces vaisseaux de très petit diamètre (quelques µm), favorise, là encore, les échanges précédemment décrits -Le nombre des capillaires Ŕ environ 5 milliards- constitue une surface d’échanges considérable au niveau des organes. Une surface d’échanges se caractérise par : sa grande surface / sa minceur / son humidité 45 (passage d’un composé chimique d’un compartiment à un autre toujours à l’état dissous). Circulation pulmonaire 2 circulations en série (ensemble du sang épuré et ré-oxygéné au niveau pulmonaire) Circulation générale (organisation en parallèle de sorte à approvisionner spécifiquement certains organes en fonction de leurs besoins). 46 Le chargement du sang : - en O2 s’effectue au niveau des capillaires pulmonaires (retour à l’oreillette gauche via les veines pulmonaires), - en nutriments au niveau des capillaires mésentériques de l’intestin grêle (une partie des lipides incomplètement simplifiés passent dans la lymphe canalisée dans les chylifères ou capillaires des vaisseaux lymphatiques). Son déchargement s’effectue au niveau des capillaires qui irriguent l’ensemble des organes Les déchets issus du fonctionnement de l’organisme sont transportés par le sang et éliminés par divers organes : - le CO2 (issu de la respiration cellulaire) passe dans le sang au niveau des cellules productrices, véhiculé par le sang sous forme dissoute, carbonatée ou combinée à l’hémoglobine, il est éliminé au niveau des capillaires pulmonaires - l’urée et l’acide urique, déchets azotés, véhiculés par le sang sont éliminés pour partie par les capillaires de la peau au niveau des glandes sudoripares (non représentées) via la sueur et majoritairement par les capillaires rénaux (non représentés) via l’urine. 47 Le sang (environ 5L) : - une phase liquide : le plasma (environ 60% du volume sanguin) Constituants du plasma sanguin Caractéristiques Rôles Eau 90% de la masse du plasma Solvant Urée, acide urique Déchets azotés Dégradation des corps azotés Gaz dissous O2 et CO2 Respiration Carbonates Nutriments Transport du CO2 Maintien de la pression osmotique Ions Lipides Glucides Protides Triglycérides Glucose Acides aminés Albumines Globulines Fibrinogène Hormones Nutriments Maintien de la pression osmotique et transport de certaines molécules Défense de l’organisme Coagulation du sang Régulation du fonctionnement de l’organisme et de la reproduction 48 Le sang (suite) : - une phase globulaire (environ 40%): • les hématies : 5 millions/mm3. Cellule sans noyau renfermant l’hémoglobine Transporteurs d’O2 et de CO2 ; les gaz sont fixés sur l’hémoglobine • les plaquettes : 150000 à 450000/mm3. Cellule sans noyau. Supports de la coagulation • les leucocytes : 4000 à 10000/mm3. Cellule nucléée à capacité de diapédèse Agents de défense du système immunitaire Agents spécifiques Agents non spécifiques 49 macrophages granulocytes lymphocytes Le don du sang est possible à condition d’avoir un groupe sanguin compatible avec celui du receveur en lien avec les agglutinines présents dans son plasma DONNEUR A (hématie) antiB (plasma) B (hématie) antiA (plasma) AB (hématie) O (hématie) antiA et antiB (plasma) OUI NON NON OUI NON OUI NON OUI OUI OUI OUI OUI NON NON NON OUI A R E C E V E U R B AB O Groupe O : donneur universel ; Groupe AB : receveur universel 50 La lymphe = sang Ŕ (hématies et plaquettes) La lymphe traverse les parois fines des capillaires et alimente les cellules de tous les organes = liquide interstitiel. Réintroduction de cette lymphe qui circule librement entre les cellules dans la circulation sanguine par réintégration dans : - les capillaires , - les vaisseaux lymphatiques. 51 52 Les affections du système circulatoire Hyper et hypotension Hypertension Plusieurs causes, non exclusives les unes des autres : - contraction trop importante des muscles lisses de la paroi due à une pathologie, une situation de stress …. - rigidification des parois artérielles qui perdent leur élasticité : vieillissement, action du sel … - volémie trop importante : trop grand volume de sang circulant dû à un mauvais fonctionnement des reins, à une concentration excessive en sel…. Hypotension Due à un manque de tonus des muscles des parois artérielles. Conséquences : artères trop dilatées provoquent une chute de la pression sanguine. Organes, dont le cerveau, sont mal irrigués d’où des sensations de fatigues, étourdissement … Athérosclérose Œdème Accumulation anormale de lymphe dans un organe donné ayant différentes causes : - inflammation due au système immunitaire (piqûre d’insecte, réaction allergique à un allergène, infection…) - déficience du système circulatoire : cœur plus assez puissant pour mettre en mouvement l’ensemble de la masse liquide sang + lymphe (œdème pulmonaire de la personne âgée) - gravité : lors d’une position debout statique prolongée les muscles des jambes ne remettent plus suffisamment en circulation le sang situé en dessous du genou = stagnation du sang dans les veines (avec risque de dilatation de ces dernières : varices) et de la lymphe dans les tissus (chevilles, jambes enflées). 53 En résumé… Circulation 54 En résumé… Elimination des déchets solubles (excretion) 55 Bilan Nutrition Selles Urine : eau+déchets 56 Les adaptations de l’organisme à l’effort Puissance de l'effort en watts (W) Repos 250 W 500 W 750 W Volume d'air inspiré ou expiré à chaque mouvement (en L) 0,6 1,2 1,6 2,1 Rythme respiratoire (mouvements par min) 14 20 25 30 Volume de sang chassé à chaque battement du cœur (en mL) 86 133 136 130 Rythme cardiaque (battements par min) 70 90 118 145 L’activité physique induit des besoins accrus au niveau des muscles concernés en O2 et glucose. Le cerveau informé des conséquences d’un effort (augmentation CO2, acidose, chaleur) agit sur le cœur et l’appareil respiratoire par voies nerveuse et hormonale. 3 modalités de régulation vont permettre de répondre à la demande de ces organes : - une augmentation du rythme cardiaque qui peut passer de 70 à 150 pulsations/mn - une augmentation du volume d’éjection systolique par augmentation du tonus cardiaque : systoles ventriculaires plus puissantes et volume éjecté augmenté de 50%. 57 Variations du débit sanguin (exprimé en mL/min) dans divers organes chez un homme au repos et lors d'un exercice physique organes repos exercice cœur 250 1000 cerveau 750 750 muscles squelettiques actifs 650 20850 muscles squelettiques inactifs 650 300 peau 500 1500 reins, foie, tube digestif 3100 600 3 modalités de régulation (suite) : - une réorientation du sang en direction des organes dans le besoin (à l’exception notoire du cerveau pour lequel le débit sanguin est inchangé quelque soit la situation). Réorientation permise par la dilatation ou la contraction spécifique des sphincters des artères (petits muscles circulaires), à l’image de robinets que l’on ouvre ou ferme. Pour réduire l’échauffement du corps plusieurs processus sont mis en jeu : - le rythme respiratoire plus rapide fait entrer de l’air froid dans les poumons, il est rejeté réchauffé. - une dilatation des vaisseaux sanguins périphériques favorise les échanges thermiques. La transpiration, grâce à la sueur libérée sur la peau par les glandes sudoripares, va prélever des 58 calories pour évaporer cette eau et contribuer à réguler la chaleur corporelle. Les bénéfices d’un stage en altitude avant une compétition sportive au niveau de la mer. Plus on s’éloigne du centre de la terre et donc plus on monte en altitude, moins la pression atmosphérique est forte. Cette baisse de la pression atmosphérique entraîne une baisse de la pression en oxygène qui a pour conséquence une baisse de l’oxygénation des poumons puis du sang. En réponse à cette hypoxie, l’organisme va mettre en route une série de réactions permettant une adaptation. Que se passe t-il à l’arrivée en altitude ? •La fréquence respiratoire s’accroît (hyperventilation) afin d’augmenter l’apport en oxygène. •Le débit cardiaque et la fréquence cardiaque augmentent. •Cette phase nécessite 2 à 4 jours. Que se passe t-il lors de l’acclimatation ? •Il persiste une hyperventilation •Le débit cardiaque et la fréquence cardiaque redeviennent normaux mais le débit cardiaque maximal et la fréquence cardiaque maximale sont diminués. •Le nombre de globules rouges augmente rapidement au début puis lentement : polyglobulie. Cette polyglobulie est due à la stimulation de la sécrétion d’érythropoïétine au niveau du rein (EPO) par l’hypoxie. •Lors de séjours prolongés, il y a augmentation du nombre de capillaires musculaires. •Cette phase nécessite 3 à 4 semaines. Quelles sont les conséquences lors du retour au niveau de la mer ? •Persistance d’une polyglobulie pendant quelques semaines •Persistance d’une augmentation de la concentration en hémoglobine pendant quelques semaines •Au total, durant quelques jours voire quelques semaines (jusqu’à 7 semaines), il y a amélioration des capacités de traitement de l’oxygène (extraction, transport, délivrance aux muscles) avec pour conséquences des possibles améliorations des facteurs d’endurance (VO2 max : volume maximal d'oxygène qu'un Homme peut consommer par unité de temps lors d'un exercice dynamique aérobie maximal) et des performances 59 sportives en endurance. En résumé… Adaptation de l’organisme à l’effort 60 Fonctions de relation Fonction sensori- motrice Locomotion des animaux 61 Le Système Nerveux - Le SN Central = Encéphale (boîte crânienne) + Moelle épinière (colonne vertébrale) • La moelle épinière assure la connexion entre : les récepteurs sensoriels et l’encéphale d’une part (voies sensitives), l’encéphale et les muscles d’autre part (voies motrices). • L’encéphale est le lieu d’intégration des données sensorielles et d’élaboration des commandes motrices (volontaires ou involontaires) adaptées aux besoins de l’organisme. - Le SN périphérique = • les nerfs sensoriels et moteurs • les organes des sens 62 Les neurones : cellules très spécialisées constitutives du Système Nerveux 63 La synapse : -Point de contact entre deux neurones ou entre un neurone et une fibre musculaire matérialisé par un espace ou fente synaptique. -A son niveau : • Côté neurone pré-synaptique : transformation du message électrique en message chimique sous forme d’une concentration donnée en des molécules particulières : les neurotransmetteurs (adrénaline, acétylcholine, dopamine…). • Côté neurone post-synaptique : Après franchissement synaptique et capture des neurotransmetteurs par les récepteurs post-synaptiques : formation d’un nouveau signal électrique. 64 Lien information reçue/réponse adaptée de l’organisme : les structures en jeu -Les centres nerveux impliqués, cerveau et moelle épinière, reçoivent les messages nerveux sensitifs, kinesthésiques et élaborent des réponses motrices adaptées. -Les nerfs : sensitifs conduisent les messages nerveux des organes récepteurs au centre nerveux (cerveau ou moelle) moteurs conduisent l’influx nerveux du cerveau ou de la moelle aux organes effecteurs (ex. : muscles) -Les organes récepteurs : oreille, œil, peau, récepteurs kinesthésiques captent les stimuli et génèrent des messages nerveux -Les organes effecteurs qui réalisent une réponse adaptée selon les messages véhiculés par les nerfs moteurs (contraction ou relâchement des muscles par exemple). Ex. : Œil organe récepteur/ Muscles organes effecteurs 65 Les sens et les organes sensoriels associés Un stimulus est une modification le plus souvent soudaine, de nature physique : son, chaleur, lumière, pression, … ou chimique (molécules) qui provoque l’activité de récepteurs sensoriels excitables. La vue et son organe récepteur : l’œil Fonction : faire converger les rayons lumineux sur la partie sensible, la rétine, qui transforme les informations lumineuses en informations nerveuses transmises au cerveau par le nerf optique. 66 Neurones relais Ct de rétine au microscope cônes bâtonnets Schéma d’interprétation Les cônes : cellules nerveuses de la rétine sensibles aux couleurs. Leur concentration est maximale au niveau de la macula qui est la zone de la rétine où l’acuité visuelle est la plus élevée (la fovéa encore plus sensible, zone centrale de la macula, est composée uniquement de cônes). La macula est une zone d’environ 2mm de diamètre. Les bâtonnets : sensibles aux faibles intensités lumineuses (vision crépusculaire en nuances de gris). Ils se situent principalement à la périphérie de la rétine. L’œil humain est sensible à des longueurs d’ondes comprises entre 0,4 et à 0,8 microns, spectre qui 67 forme ce que l’on nomme la lumière « visible ». La vision binoculaire permet, par le chevauchement d’une partie des champs visuels de l’œil droit et de l’œil gauche, une vision en relief et une estimation des distances. Chez le lapin : la position latérale des yeux confère une vision à 360 . Par contre, le chevauchement des champs visuels des 2 yeux est extrêmement faible, d’où un vision binoculaire réduite. Chez le hibou, la vision binoculaire est développée, mais le champ visuel réduit. 68 Quelques affections de la vision L’image de l’objet regardé se forme sur la rétine. Par le jeu des différentes lentilles de l’œil (cornée, cristallin antérieur, cristallin postérieur) et des milieux traversés (humeur aqueuse, humeur vitrée), l’image formée sur la rétine est renversée, plus petite que l’objet regardé. Le cerveau rétablit une image à l’endroit, replacée dans son contexte. Chez un myope, le système optique de l’œil est trop convergent, l’image de l’objet se forme en avant de la rétine. Chez un hypermétrope, le système optique de l’œil est trop divergeant, l’image de l’objet se forme en arrière de la rétine. Le daltonisme est un trouble de la vision des couleurs dû à une déficience des cônes (1 ou 2 types de cônes). La cataracte est une opacification progressive du cristallin (vieillissement) qui diminue l’acuité visuelle {capacité à discerner 2 points de l’espace sans les confondre. Le pouvoir séparateur (e) de l’œil est normalement de 1’ d’angle ce qui correspond à une acuité visuelle 69 de 1/e = 1/1 = 10/10ème}. L’ouïe et son organe récepteur : l’oreille Oreille externe et oreille moyenne : systèmes de captage et d’amplifications des vibrations sonores. Oreille interne, au niveau de la cochlée : Transformation des sons en signaux nerveux envoyés au cerveau par le nerf auditif. Sensibilité de l’oreille humaine : entre 20 (grave) et 20.000 (aigu) Herz. Autre fonction de l’oreille interne : perception de la position du corps dans l’espace Ŕ sens de l’équilibre- par les canaux 70 semi circulaires L’odorat et son organe récepteur : le nez Cellules nerveuses sensibles aux molécules en suspension dans l’air : dans les fosses nasales. Dissolution de ces molécules dans le mucus avant de stimuler les terminaisons nerveuses. 71 Le goût et ses organes récepteurs : la langue… et le nez L’organe du goût est à la fois : • la langue pour les saveurs primaires : salé, sucré, acide, amer, umami (glutamate, aspartate) ; • le nez pour tous les arômes complexes véhiculés par les aliments. Ces arômes parviennent à la muqueuse olfactive en passant par l’arrière gorge. Les saveurs sont détectées, sur la langue, par des cellules gustatives regroupées en papilles. 72 Le tact et son organe récepteur : la peau poil corpuscules du tact : mécanorécepteurs muscle érecteur du poil glande sébacée terminaisons nerveuses libres glande sudoripare cellules adipeuses du derme Le « tact » : sens complexe qui regroupe, au niveau de la peau principalement, la perception : • de vibrations mécaniques et de pressions (mécanorécepteurs) ; • de variations de température et d’agressions physiques et chimiques (terminaisons nerveuses libres) 73 Quelques sens propres aux animaux Electrolocation Capacité à percevoir (et parfois à émettre) des champs électriques : requins, raies, poissons « électriques ». Intervient : - dans la chasse (repérage d’une proie), - dans l’exploration du milieu - dans la reconnaissance du partenaire sexuel. 74 Echolocation Utilisée par les cétacés et les chauves souris): un signal sonore ultrasonique est envoyé, l’écho, renvoyé par un obstacle ou une proie les renseigne sur son environnement proche. 75 Vibrations et ligne latérale des poissons Ligne latérale La ligne latérale rassemble, dans un canal situé sous les écailles, des cellules sensibles aux vibrations. Cette ligne latérale, située de chaque coté du corps permet de localiser des sources de vibrations. 76 Les organes du mouvement Le squelette : 208 os • courts (vertèbre) • longs (humérus) • plats (omoplate) 5 fonctions : - soutien : structure rigide servant de support aux organes mous - protection de certains organes : cage thoracique/poumons, boîte crânienne/cerveau - locomotion avec les muscles squelettiques - stockage des minéraux (calcium et phosphore principalement) -fabrication des globules sanguins au niveau de la moelle 77 Composition /structure - une structure organique : l’osséine (protéine)- architecture souple - une structure minérale : phosphate et de carbonate de calcium- dureté et résistance au chocs. - os spongieux : percé de nombreuses cavités - os compact : très dense. Os long : - deux « têtes » ou épiphyses, composées d’os spongieux - un « corps » ou diaphyse, composée d’os compact. Epiphyses recouvertes de cartilage articulaire. 78 Les os - organes vivants capables de : -croissance et… 79 Et … de réparation 80 Articulations (mobiles et semi mobiles) = points de rencontre de deux os, mobiles l’un par rapport à l’autre. Mobilité facilitée par : - des structures diminuant les frottements : cartilages articulaires lisses - un liquide synovial à consistance huileuse Cohérence de l’articulation assurée par une jupe ligamentaire qui relie les têtes osseuses. 81 Articulation en pivot Articulation en charnière Articulation en rotule 82 Les organes du mouvement (suite) Les muscles 3 types de muscles : - Les muscles striés ou squelettiques qui assurent la mise en mouvement du squelette et qui sont sous commande volontaire - Les muscles lisses ou viscéraux qui assurent les mouvements des viscères et dont les contractions sont automatiques, non contrôlables par la volonté - Le muscle cardiaque qui assure la mise en mouvement du sang dans les vaisseaux et dont la contraction est régulée par un système autonome. 83 L’appareil musculaire : 639 muscles striés squelettiques Leur propriété principale est la contractilité. • longs (jambier antérieur) • courts (supinateur) • plats (pectoral) 84 Relations muscles/squelette Mouvements de flexion et d’extension dus à 2 groupes de muscles: un fléchisseur et un extenseur, dits « antagonistes ». Insertion des muscles sur les os par des tendons. Les 2 muscles antagonistes, au niveau de l’articulation, sont attachés chacun par leur tendon à 2 os différents. Les tendons distaux de ces 2 muscles sont attachés sur des pièces osseuses éloignées de l‘articulation impliquée. Pour qu’il y ait mouvement, il faut qu’un muscle se contracte (l’agoniste) pendant que le second (l’antagoniste) se trouve relâché. Si les 2 muscles antagonistes sont contractés en même temps l’articulation est bloquée. La contraction des muscles squelettiques est sous le contrôle du système nerveux central : l’influx nerveux transmis par un nerf moteur est à l’origine de la contraction des fibres musculaires. Cette contraction se traduit par un raccourcissement des fibres et une augmentation de leur diamètre. En se raccourcissant, elles tirent sur les tendons fixés sur les os et provoquent leur déplacement. La contraction musculaire est un travail qui utilise l’énergie de l’ATP. L’ATP est renouvelé par l’oxydation des molécules de glucose. L’apport en O2 est couvert par la ventilation pulmonaire, celui du glucose par le glucose circulant issu de la digestion. La circulation sanguine assure l’acheminement de ces 2 éléments aux cellules. 85 Organisation du circuit sensoriel - moteur (dendrite) 86 Le circuit réflexe : En cas d’agression brutale - la moelle épinière sert de relais immédiat entre les neurones sensitifs et les neurones moteurs : totalement indépendant de la volonté. 87 LA LOCOMOTION ANIMALE Le mode de locomotion est fonction du milieu dans lequel il s’opère : • dans l’eau, • sur terre • dans l’air. La locomotion est rendue possible grâce à des organes spécifiques : les organes locomoteurs. 88 La locomotion dans l’eau : la nage Nager avec des pattes : nage ramée Nage caractéristique des animaux utilisant des pattes ou une queue transformées en palette natatoire (mammifères marins, crustacés ou insectes) : • Doigts réunis par une palmure : grenouille, canard, loutre… • Membres antérieurs courts, aplatis, transformés en rame : phoque, tortue… • Pattes aux extrémités aplaties : insectes nageurs • Queue avec extrémité aplatie et mouvements ramés : écrevisse, crevette…. 89 La locomotion dans l’eau : la nage Nager avec la queue : - queue avec nageoire verticale soutenue par des rayons osseux Ŕ Cas des poissons Nage en godille utilisant la queue aplatie en palette natatoire. Se pratique par des mouvements latéraux chez les poissons, essentiellement grâce à la nageoire caudale. Autres nageoires : rôle de stabilisateur. 90 La locomotion dans l’eau : la nage Nager avec la queue : - queue avec nageoire horizontale composée d’un repli cutané Ŕ Cas des cétacés Nage en godille utilisant la queue aplatie en palette natatoire. Se pratique par des mouvements de haut en bas chez les cétacés (dauphins, baleine, …), essentiellement grâce à la nageoire caudale. Autres nageoires : rôle de stabilisateur. 91 La locomotion dans l’eau : la nage Nager par propulsion Quelques animaux (calmar, poulpe, seiche, larves de libellule…) peuvent utiliser la réaction en expulsant violemment un jet d’eau. 92 Chez tous les animaux nageurs on observe une convergence de forme : • absence quasi générale de cou, • corps fusiforme (forme hydrodynamique, la plus adaptée pour la pénétration dans l’eau), • absence de parties saillantes 93 La locomotion sur terre : • La reptation • Le saut • La marche • La course 94 La marche, la course Caractérisent les animaux pourvus de pattes articulées : vertébrés et arthropodes (insectes, araignées et crustacés). Chez les vertébrés la marche et la course peuvent se faire : • sur 2 pattes (bipédie de l’Homme, des kangourous, des oiseaux coureurs…) ou • sur 4 pattes (quadrupédie de la plupart des vertébrés terrestres). Le passage de la marche à la course se traduit par : • un allongement des membres (plus grande amplitude des pas). • un redressement des membres sur l’extrémité des doigts (plantigrade, digitigrade, onguligrade), • une réduction du nombre des doigts (de 5 chez les plantigrades à deux ou un seul chez les onguligrades) • l’apparition de griffes ou de sabots (meilleure prise au sol). • une musculature puissante • un cœur très développé 95 Le saut Lapin Grenouille Criquet De nombreux animaux pratiquent le saut (insectes, divers vertébrés). Le principe en est toujours le même : • une puissante musculature • des pattes dont les trois segments ont une taille équivalente (morphologie en Z). 96 La reptation Le principe est le même : • prendre appui sur le sol par une surface musculeuse aplatie (escargot, limace…), • des écailles (serpents) • par des griffes ou des poils (chenilles, vers de terre…). La reptation se fait : • soit grâce à des mouvements latéraux du corps (serpents, anguille) • soit par une déformation par contraction longitudinale du corps (chenilles, ver de terre, escargot…). Le glissement sur le sol est souvent facilité par des secrétions de mucus (« bave » des escargots). 97 La locomotion dans l’air : La conquête du milieu aérien a été faite par de nombreux groupes d’animaux : • insectes, • poissons, • reptiles, • oiseaux, • mammifères. Dans tous les cas on retrouve un principe identique : • une grande surface fine et légère prenant appui sur l’air • mise en œuvre par des solutions différentes 98 Une paire de nageoires hypertrophiées chez les poissons ; Une membrane de peau fine tendue entre les doigts de la main chez les chauves souris ; 99 Deux paires d’ailes membraneuses chez les insectes ; 100 Une membrane tendue entre les membres antérieurs et postérieurs (lézards volant, écureuils volants) Une aile constituée par des productions du derme, les plumes, chez les oiseaux 101 102 Le vol peut être : • plané : lézards et écureuils volants, oiseaux de grande envergure, reptiles volants • battu : poissons volants, insectes, chauves souris, oiseaux. Le vol battu nécessite : • une musculature très puissante • un renforcement de la cage thoracique 103 On appelle convergences adaptatives toutes les structures anatomiques d’origine différentes assurant les mêmes fonctions. 104 Reproduction et Classification 105 Généralités Chez les végétaux comme les animaux : 2 manières de se reproduire : par reproduction sexuée par reproduction asexuée (ou végétative). « Reproduction » terme ambigu : Reproduire sous entend « reproduire à l’identique ». La reproduction sexuée reproduit à l’identique si l’on arrête le niveau d’équivalence à l’espèce : 2 individus de la même espèce donneront bien une descendance de la même espèce… mais d’individus génétiquement différents puisque issus de la fusion des patrimoines génétiques des deux parents. C’est en ce sens que la reproduction végétative colle mieux à l’idée de « reproduction à l’identique » puisque les individus issus de ce mode de reproduction sont génétiquement en tous points identiques entre eux et identiques à l’individu « source »… On préférera le terme de procréation à celui de reproduction sexuée. 106 Reproduction, croissance et développement chez les animaux Reproduction asexuée (ou végétative) La reproduction asexuée (ou végétative) ne se rencontre que chez des animaux assez peu différenciés : êtres unicellulaires, la grande famille des méduses, coraux, anémones de mer, chez les vers et chez les étoiles de mer principalement. La reproduction asexuée se fait par bouturage ou par fragmentation naturelle ou accidentelle d’un individu. Les avantages adaptatifs de la reproduction asexuée sont : - sa rapidité, - l’absence de conjonction de période de reproduction entre 2 populations d’individus (mâles et femelles). Individus issus de la reproduction asexuée : clones de l’individu originel (excepté les mutations possibles et les réarrangements chromosomiques) avec une variabilité génétique très faible entre les générations= peuplement rapide d’un milieu en conditions stables.107 Procréation La procréation permet un brassage génétique qui augmente la variabilité génétique au sein d’une espèce. Plus grande est la variabilité, plus l’espèce a de chance d’avoir des survivants si un bouleversement écologique survient. La procréation a des contraintes qui vont nécessiter, pour les dépasser, de développer des stratégies. Ces contraintes sont les suivantes : • avoir les 2 partenaires sexuels présents en un même lieu géographique • coordonner les périodes de fécondité entre mâles et femelles • identifier et rapprocher les partenaires sexuels • créer les conditions d’un accouplement pour les animaux terrestres • parer à la vulnérabilité des produits de la reproduction sexuée 108 Comment régler la contrainte des 2 partenaires sexuels présents en un même lieu géographique ? Stratégie 1 : par l’évitement- Cas de l’hermaphrodisme et de la parthénogénèse Rassembler, sur un même individu, les deux organes sexuels : c’est l’hermaphrodisme. Cette stratégie ne fonctionne de manière optimale qu’à la seule condition que l’autofécondation soit possible. Autofécondation possible : cas de nombreux vers marins qui vivent fixés. C’est aussi le cas du ver solitaire (ténia) pour lequel c’est, d’où son nom, le seul moyen de se reproduire. Autofécondation impossible : cas des escargots, des limaces … qui sont des animaux hermaphrodites mais dans l’impossibilité de mettre en contact les deux orifices génitaux, d’où le recours obligatoire à une fécondation croisée avec accouplement. L’intérêt réside alors dans le fait qu’un seul accouplement permet d’obtenir 2 géniteurs. 109 Comment régler la contrainte des 2 partenaires sexuels présents en un même lieu géographique (suite) ? Stratégie 1 : par l’évitement- Cas de l’hermaphrodisme et de la parthénogénèse Lorsque les sexes sont séparés, l’absence de mâles peut être compensée par un développement spontané d’embryons à partir d’ovules non fécondés : la parthénogenèse. Cette parthénogenèse peut être… obligatoire (phasmes dont les populations européennes ne sont composées que de femelles) … stratégique chez les pucerons qui utilisent cette manière de se reproduire à un certain moment du cycle de la population pour produire rapidement un très grand nombre d’individus. La parthénogenèse existe également chez les insectes coloniaux (abeilles, fourmi, termites) ; les ovules fécondés donnent uniquement des femelles (ouvrières) alors que les mâles sont issus d’une parthénogenèse. 110 Comment régler la contrainte des 2 partenaires sexuels présents en un même lieu géographique (fin) ? Stratégie 2 : Dans tous les autres cas : Les populations d’individus d’une même espèce doivent composer une représentation suffisante des deux sexes pour que la rencontre : des individus ou de leurs gamètes dans le cas d’espèces fixées comme les moules ou les huitres soit possible. 111 Comment régler la contrainte de la coordination des périodes de fécondité ? 2 stratégies : avoir des individus toujours aptes à se reproduire : cas chez l’Homme avoir une coordination externe des cycles sexuels par les phases saisonnières : variations de température et, surtout, quantité de lumière. L’augmentation de la durée du jour, sous nos latitudes provoque l’entrée en fonctionnement des glandes sexuelles chez la plupart des animaux à cycle de reproduction court (oiseaux, petits mammifères, escargots …). Chez les animaux à gestation longue qui se fait durant l’hiver (cerfs, sanglier, ours…), c’est la diminution de la durée du jour qui déclenche l’entrée en œstrus (brame du cerf à l’automne). 2 choix possibles sur le choix de la période de fécondité : le printemps : tous les animaux à cycle de développement court- les jeunes très vite nés, bénéficient de la nourriture présente au printemps l’automne : les animaux à cycles de développement long (gros mammifères comme les cerfs, les sangliers …), les jeunes naissant au printemps… mais aussi de nombreux insectes pour qui les œufs sont les seules formes de survie possibles. Chez ces derniers, dans de nombreux cas, on a des œufs de printemps à développement rapide et des œufs d’automne qui vont entrer en dormance jusqu’au printemps suivant. 112 Comment régler la contrainte de l’identification et du rapprochement des partenaires ? Par des signaux sensoriels générés généralement par le mâle qui prend l’initiative de la recherche et du rapprochement. se faire voir - par la taille (mâle plus gros que la femelle) - par la taille de certains appendices : bois des cervidés, les cornes des bovidés - par la couleur, chez la plupart des oiseaux mais aussi chez les poissons, des batraciens, certains reptiles, les insectes…. - par le comportement : parade nuptiale des oiseaux, des mammifères, des poissons …. -en faisant de la lumière : vers luisants, poissons des grandes profondeurs, méduses… se faire entendre - par la voix : chants des oiseaux, brame du cerf, vocalisation des singes, infra son des éléphants … - en faisant du bruit : tambourinage des pics, sol frappé avec les pattes arrières chez le lapin -avec des organes spécialisés : stridulation des insectes (grillon, cigale …) se faire sentir -par la fabrication d’odeurs (souvent des phéromones qui peuvent jouer un rôle important dans l’excitation sexuelle, donc la réceptivité, du partenaire) très répandue dans les milieux où la visibilité est mauvaise (animaux nocturnes, forestiers…) - par le toucher (c’est le cas chez de nombreux insectes cavernicoles) se faire percevoir - par des émissions de champs électriques : poissons « électriques » des lacs et rivières africains, raies … 113 Comment régler la contrainte de créer les conditions d’un accouplement pour les animaux terrestres ? Sauf quelques cas exceptionnels (requins, raies, quelques poissons osseux) seuls les animaux terrestres (y compris ceux qui sont secondairement retournés à la vie aquatique comme les cétacés) s’accouplent. L’accouplement revient à recréer, pour les spermatozoïdes, un milieu aquatique favorable à leur déplacement dans la cavité génitale de la femelle. On parle alors de fécondation interne par opposition à la fécondation externe qui a lieu lorsque les gamètes sont rejetés librement dans l’eau (cas de tous les animaux aquatiques). Pour que l’accouplement soit possible, des organes spécialisés sont nécessaires : - organe d’intromission (pénis des mammifères), - organe perforateur (vrille des punaises mâles), - orifices « ventouse » (cloaque des oiseaux). 114 Comment régler la contrainte de la vulnérabilité des produits de la reproduction sexuée ? De quelque nature qu’ils soient (œuf, larve, jeune) les produits de la reproduction sexuée sont vulnérables, proies faciles pour les prédateurs en tout genre. 3 stratégies possibles vont se dégager : produire énormément (parfois plusieurs millions d’œufs chez l’huître, la morue …) et … laisser faire en espérant que du nombre émergeront quelques survivants produire beaucoup (entre quelques dizaines et quelques centaines) en essayant : de protéger la ponte grâce à un mimétisme des œufs, un enfouissement, une cache…, de procurer aux larves les meilleures conditions de survie possible : o par une ponte directement sur la future « nourriture » des larves, o en protégeant les œufs puis les larves ou les jeunes (épinoche, certaines perches africaines qui conservent la ponte, puis les jeunes dans la bouche, alligator…) produire très peu (de l’unité à quelques unités), puis : contrôler le développement embryonnaire puis, assurer la protection et l’alimentation des jeunes jusqu’à ce qu’ils soient autonomes (mammifères, oiseaux principalement). 115 Modalités du développement embryonnaire Le développement ovipare Intéresse la très grande majorité des animaux puisque seuls les mammifères « vrais » ont un développement vivipare. Axiome fondamental : l’œuf doit contenir la totalité des matériaux nécessaires au développement de l’embryon. Développement à l’intérieur de l’œuf = développement embryonnaire ovipare. Seuls les oiseaux pratiquent la couvaison. Tous les autres animaux laissent les œufs incuber seuls, la durée de l’incubation variant alors avec la température extérieure. Exemple du développement embryonnaire ovipare chez la poule -Le « jaune » est un ovule qui se charge en réserves pour atteindre sa taille optimale (environ 10 jours) avant de passer dans les trompes de l’oviducte (il n’y a qu’un seul ovaire et qu’un seul oviducte chez les oiseaux, le tout étant situé à gauche). Dans l’oviducte : -L’ovule rencontre les spermatozoïdes, la fécondation s’effectue au niveau du cytoplasme (petite tâche claire visible sur le jaune). L’œuf (car c’est bien d’un œuf au sens biologique qu’il s’agit maintenant) s’entoure ensuite du blanc (ovalbumine) qui est secrété par les parois de l’oviducte. -Des contractions musculaires de l’oviducte font tourner le jaune sur lui-même, s’enroulant ainsi progressivement dans le blanc tout en descendant le long des 60 cm de l’oviducte. -Arrivé dans le dernier 1/3, l’oviducte secrète d’abord les deux parois membraneuses puis la coquille calcaire. La formation de « l’œuf » (au sens commun du terme) dure 116 environ 20heures. Le développement ovipare (suite) -Une poule pond entre 10 et 12 œufs avant de commencer la couvaison. -La naissance étant toujours une période critique : synchronisation au mieux de tous les poussins pour que celle-ci dure le moins longtemps possible. Les premiers œufs pondus sont donc délaissés le temps que le compte y soit. -L’incubation démarre après la ponte du dernier œuf : l’ensemble des éclosions se fera dans un laps de temps de 2 à 3 heures. 117 Le développement ovipare (fin) 1 : coquille calcaire 2 : chambre (poche) à air 3 : membrane amniotique 4 : cavité (ou liquide) amniotique 5 : vaisseaux embryonnaires 6 : jaune (ou vitellus) 7 : blanc (ou ovalbumine) - La poule va passer l’essentiel des 21 jours de l’incubation couchée sur ses œufs, les retournant régulièrement pour que le développement embryonnaire se déroule normalement. - Au terme de l’incubation, la poule émet des gloussements auxquels les poussins vont répondre. Ces réponses, perçues également par les poussins, vont permettre à ces derniers de synchroniser leur éclosion. Une fois éclos les poussins tiennent rapidement sur leurs pattes et quittent le nid pour suivre leur mère et commencer à se nourrir seuls. On parle d’oiseaux nidifuges (canard, faisan, autruche…). Les nidicoles sont les oiseaux dont les oisillons restent au nid et sont nourris par les parents le temps nécessaires à ce qu’ils puissent prendre leur envol (tous les rapaces, 118 passereaux …). Le développement vivipare Développement caractéristique et spécifique des mammifères. L’embryon se fixe dans la paroi de l’utérus et développe, avec la mère, des relations trophiques. Le développement embryonnaire, de la fécondation à la naissance s’appelle la gestation. La durée de la gestation est très variable d’une espèce à l’autre : Le développement ovovivipare Dans quelques cas très rares les œufs ne sont pas pondus ; le développement embryonnaire se fait donc dans les œufs, protégés dans l’oviducte maternel. Il n’y a jamais de relations trophiques entre les embryons et la mère. L’ovoviviparité = stratégie de protection des œufs et de leur développement (rien de très différent des poissons qui incubent leurs œufs dans leur bouche). Ex : la vipère, la plupart des requins et des raies. 119 Croissance et développement post-embryonnaire La croissance Elle exprime l’augmentation de taille et de masse corporelle de l’individu. Elle se manifeste chez les animaux selon 2 modalités. La croissance discontinue Elle caractérise les arthropodes- animaux ayant un squelette externe : insectes, arachnides, crustacés. Emprisonnés dans un squelette rigide, les arthropodes sont contraints de le faire éclater à chaque étape de la croissance (contrôlée par des hormones); la phase de changement de squelette porte le nom de mue. L’ancien squelette vide rejeté est l’exuvie (ou « mue »). La crevette camaron présente 7 stades de croissance, le phasme en présente 5. Chacun de ces stades correspond à une étape vers l’état d’adulte apte à se reproduire qui est atteint au dernier stade, appelé encore imago. A chaque stade, l’augmentation de taille ne peut se produire que pendant une courte période située au moment de la mue, entre le moment où l’animal se débarrasse de son ancienne carapace et avant que la nouvelle cuticule ne se rigidifie. Pendant ce laps de temps, l’animal « mou » ingère de l’air (phasme) ou de l’eau (crevette) qui distend ses tissus et provoque son augmentation de taille. Durant l’inter-mue, par l’expansion de ses tissus, l’individu occupera le nouvel 120 espace « interne » qui lui est offert. La croissance (suite) La croissance continue Elle caractérise toutes les autres formes animales, mollusques, vers, vertébrés … Non contrainte par un squelette externe qui emprisonne le corps, la croissance peut se faire de manière régulière jusqu’à la taille adulte. Chez de nombreuses formes animales (en fait quasiment chez toutes, exceptés les oiseaux et les mammifères) la croissance ne s’arrête jamais, même si elle se ralentit à mesure que l’animal vieillit. Le développement post-embryonnaire Le développement peut être direct ou indirect. Si les jeunes sont des individus qui possèdent, à la naissance, tous les organes caractéristiques de l’adulte même si ces derniers ne sont pas fonctionnels (organes sexuels par exemple qui peuvent ne devenir fonctionnels que plusieurs années plus tard). Leur développement sera alors direct. Si les jeunes sont des individus qui, à la naissance, ne possèdent pas encore tous les organes caractérisant l’adulte. Le jeune est une larve. L’acquisition de tous les organes se fera progressivement. Leur développement est indirect, le passage du stade larvaire au stade adulte se fait par une métamorphose. La métamorphose peut donc se définir comme le moment d’acquisition, par la larve, de l’ensemble des organes qui caractérisent l’adulte. 121 Le développement post-embryonnaire Le développement indirect. C’est la forme la plus répandue de développement. L’éclosion donne naissance à une larve qui va se transformer en adulte suite à une métamorphose. Cette métamorphose peut être progressive. Plusieurs étapes, ou stades larvaires, sont nécessaires pour arriver à l’adulte complet. C’est le cas des batraciens et … … des insectes comme les criquets, …. 122 Le développement post-embryonnaire (suite) Le développement indirect (fin). Larve = Chenille Nymphe = Chrysalide Adulte = Imago La métamorphose peut être brutale, intervenir à un moment donné du développement larvaire en induisant une transformation radicale de l’individu, tant par la forme que par le milieu de vie ou le régime alimentaire. On parle alors de métamorphose totale. Exemple le plus connu : celui des papillons dont les larves (les chenilles) qui se nourrissent le plus souvent de feuilles, se transforment en insecte ailés se nourrissant de nectar. On pourrait aussi citer le moustique, la libellule, dont les larves sont aquatiques et les adultes aériens, … les coléoptères (scarabées) dont les larves, souvent appelées « vers blancs » vivent sous terre, dans le bois mort… 123 Le développement post-embryonnaire (fin) Le développement direct. A la naissance le nouveau né possède déjà tous les organes caractéristiques de l’adulte. Ce développement caractérise, pour les exemples les plus connus : - les reptiles, - les oiseaux - les mammifères, - mais aussi… les escargots. La métamorphose (ou son équivalent) se déroule dans l’œuf ou dans l’utérus maternel, et correspond, chez l’Homme par exemple, au passage du stade embryonnaire au stade fœtal. 124 En résumé… 125 Reproduction chez les végétaux Reproduction asexuée (ou végétative) Caractéristiques Fragmentation d’un individu en toutes parties de la plante : racine, tige, feuille, bourgeon. Chaque fragment donne naissance à un nouvel individu. Fonctions : permettre à une plante de passer la mauvaise saison sous une forme ralentie permettre à une plante de coloniser le milieu proche. 126 Reproduction asexuée (ou végétative) Permettre à une plante de passer la mauvaise saison sous une forme ralentie Cela nécessite : de se protéger des températures trop basses d’avoir des réserves pour pouvoir survivre [de type glucidique, le plus souvent, comme l’amidon (pomme de terre), le saccharose (betterave sucrière)] et, surtout, redémarrer un cycle vital au retour du printemps Stratégie : enfouir l’organe de réserve (amplitudes de température très atténuées sous terre). Cet organe de réserve sera : Un bulbe Ŕ Plante entière à tige réduite, dont les feuilles gorgées de réserves serviront au développement du ou des bourgeons. Cas des bulbes qui se forment à la base de la plante, sous terre à la fin de l’été, avant la disparition de la plante mère ; ex : oignons, tulipe, jacinthe…. Dans ce cas il y a rarement multiplication (mais elle est possible) ; l’individu change de forme de vie. 127 Reproduction asexuée (ou végétative) Permettre à une plante de passer la mauvaise saison sous une forme ralentie (suite) Cet organe de réserve sera : Un tubercule. Organe de réserve, généralement souterrain, qui assure la survie des plantes pendant la saison d'hiver et souvent leur multiplication par voie végétative. Ces organes sont renflés par l'accumulation de substances de réserve : sont tubérisés. Les organes transformés en tubercules peuvent être : la racine : carotte, patate douce,… l'ensemble racine + base de la tige : betterave, radis... le rhizome (tige souterraine) : pomme de terre, crosne du Japon, iris, … 128 Reproduction asexuée (ou végétative) Permettre à une plante de coloniser le milieu proche Colonisation par une stratégie d’envahissement progressif de l’environnement à partir de la plante mère : de ses parties aériennes de ses parties souterraines A partir des parties aériennes : le bouturage : un fragment du végétal (rameau, feuille) se détache et donne un nouvel individu. Le marcottage peut être naturel, c’est le cas des stolons qui sont des tiges aériennes horizontales qui génèrent de nouveaux individus à partir de leurs bourgeons terminaux ; ex : le fraisier, le chlorophytum. 129 Reproduction asexuée (ou végétative) Permettre à une plante de coloniser le milieu proche (suite) A partir à partir des tiges souterraines : les rhizomes : pomme de terre, iris, bambous, chiendent, fougères… 130 Reproduction asexuée (ou végétative) Permettre à une plante de coloniser le milieu proche (fin) A partir de techniques développées par l’Homme : le bouturage : consiste à prélever un fragment de partie aérienne (rameau, feuille) et à forcer l’apparition de racines -par simple repiquage dans les cas les plus favorables (géraniums, lierre, passiflore …), - en favorisant ce développement par ajout d’hormones de croissance à la base du fragment (« poudre d’enracinement » La greffe : utilise la capacité des végétaux à accepter un fragment issu d’un autre individu de la même famille. Insertion : -sur un porte greffe aux produits peu intéressant sur le plan agricole mais par ailleurs robuste car résistant aux maladies et peu sensible aux intempéries - par des incisions, de fragments de rameaux d’un plant intéressant pour ses fleurs, ses fruits (cas des pieds de vignes, arbres fruitiers, rosier … sont des végétaux greffés). 131 Reproduction asexuée (ou végétative) Permettre à une plante de coloniser le milieu proche (fin) A partir de techniques développées par l’Homme : La culture in vitro : consiste à prélever des fragments de tissus à forte croissance cellulaire (méristème) et à les mettre en culture. La masse cellulaire obtenue au bout de quelque temps est elle-même divisée afin de permettre d’obtenir plusieurs 10aine, voire plusieurs 100aine d’individus, à partir du fragment initialement prélevé. Cette technique nécessite des manipulations en milieu stérile pour éviter la contamination des milieux de culture par des champignons. Conclusion : La multiplication végétative, quel que soit le moyen utilisé pour l’obtenir (naturel ou artificiel) conduit à l’obtention de clones de l’individu originel puisque le patrimoine génétique reste toujours identique à celui de départ. Toutes ces techniques permettent de multiplier à très grande échelle des végétaux dont les caractéristiques agricoles sont particulièrement intéressantes (théier, caféier sélectionnés pour leur qualité gustative par exemple, plantes ornementales pour la qualité de leurs fleurs…). 132 Reproduction sexuée La reproduction sexuée chez les végétaux met en jeu (comme chez les animaux), des organes reproducteurs mâles et femelles, des gamètes, une fécondation et la formation d’un embryon. Chez les plantes à fleurs, les fleurs représentent les organes sexuels. Ces organes mâles et femelles peuvent être portés par : Fleurs mâles Fleurs femelles - des pieds distincts - plantes dioïques : kiwis, palmiers dattiers - un même pied mais les organes sont séparésplantes monoïques. Les fleurs mâles se situent généralement au niveau des extrémités comme chez le maïs, les arbres à « chatons » (bouleau, noisetier, charme …). -un même pied avec les deux types d’organes rassemblés dans une même structure : une fleur hermaphrodite. 133 Structure de la fleur hermaphrodite La fleur est rattachée à la tige par un pédoncule. Elle se compose de 4 structures emboîtées sur un support, le réceptacle, avec, de l’extérieur vers l’intérieur : Les sépales : 1ère enveloppe de protection généralement verte (le calice) autour du bouton floral. Les pétales forment la corolle, généralement colorée. Attracteurs d’insectes à double titre : par leur couleur et par les glandes nectarifères qu’ils possèdent très souvent à leur base. Le nectar secrété est un sirop dont les insectes vont se nourrir en visitant la fleur. Les étamines : organes mâles dont la partie supérieure (l’anthère) fabrique les grains de pollen : gamètes mâles (1ère approximation). Cette anthère se situe à l’extrémité d’une structure plus ou moins longue, le filet. Le pistil : organe femelle de la plante. Il se compose : du stigmate (collecte des grains de pollen), du style, structure plus ou moins longue (de 15cm chez le maïs à quelques millimètres le plus souvent) qui relie le stigmate à l’ovaire, de l’ovaire, structure creuse 134 contenant les ovules (un ou plusieurs) qui sont les gamètes femelles (1ère approximation). Fécondation - la pollinisation 1ère étape du processus de fécondation : la pollinisation. Les anthères mûres, libèrent leurs grains de pollen. Le pollen peut être emporté par le vent lorsque les grains sont légers (pin, maïs, tous les arbres à chatons, graminées en général) : pollinisation anémophile. Souvent le pollen est lourd et collant, totalement impossible à transporter par le vent ; il est alors transporté par des animaux, des insectes dans la majorité des cas ; on parle alors de pollinisation entomophile. Attraction des insectes par des corolles colorées, des parfums souvent proches des hormones sexuelles des insectes et du nectar sucré. Présence des insectes absolument indispensable, sans eux, pas de pollinisation. 135 Fécondation (suite) - la germination du grain de pollen Arrivé sur le stigmate du pistil,… le grain de pollen fabrique un tube pollinique… qui parcourt le style… jusqu’à la rencontre avec un ovule. Un grain de pollen ne peut féconder qu’un seul ovule. 136 Fécondation (fin) - la … double fécondation A l’intérieur de ce tube, 2 anthérozoïdes (gamètes mâles) se différencient. Au niveau de l’ovule, 1 anthérozoïde fusionne avec le gamète femelle : oosphère : fécondation principale qui conduit à la cellule-œuf à partir de laquelle l’embryon se développe. Le deuxième anthérozoïde fusionne avec un ensemble de cellules. Il y a formation d’un œuf secondaire à l’origine d’un tissu de réserves. L’ensemble embryon + réserves + tégument limitrophe (paroi de l’ex-ovule) = la graine. Après cette double fécondation, la paroi de l’ovaire se développe en un fruit. 137 Fructification Sous l’action d’hormones libérées lors de la formation des graines : transformation des ovaires - dont les parois (épi-, méso-, endocarpe) s’épaississent, durcissent : fruits secs - dont les parois (mésocarpe essentiellement) se gorgent de réserves glucidiques et d’eau : fruits charnus. Exemples de fruits simples issus d’une fleur renfermant un seul ovaire libre. Fruits secs les fruits secs qui ne s’ouvrent pas spontanément (indéhiscents) : akènes Ex. : la noisette, le gland, la « graine » de tournesol, « l’hélicoptère » de l’érable ou du charme, le « plumeau » du pissenlit, la « boule » de la bardane… les fruits secs qui s’ouvrent lorsqu’ils se dessèchent (déhiscents) ; l’exemple le plus connu est celui de la gousse (haricot, petit pois, fève, arachide, genêt …) qui s’ouvre par deux fentes. La silique (colza, monnaie du pape) ressemble à une gousse qui s’ouvre par quatre fentes. 138 Fructification (suite) Fruits charnus les fruits charnus à noyau ou drupes (couche la plus interne, l’endocarpe se soude au tégument de la graine) : olive, pêche, abricot, cerise, prune … les fruits charnus à pépins ou baies : raisin, courgette, tomate, potiron, agrumes… 139 Dissémination des semences On appelle semence l’organe de dissémination. Soit le fruit complet (fruits charnus, akènes …) soit la graine (haricot, …). Les semences permettent aux végétaux de coloniser des milieux parfois très éloignés du milieu initial. - dissémination anémophile (par le vent) Concerne quasi exclusivement les akènes légers pourvus d’appendices (souvent le style transformé) qui vont faciliter la prise au vent. - dissémination zoophile Certains fruits secs développent des crochets qui vont permettre aux fruits de s’accrocher dans la fourrure des mammifères (bardane, carotte…). La plupart, très lourds, sont destinés à être consommés par les oiseaux ou les mammifères. En consommant ces fruits (généralement très colorés et très sucrés) les animaux ingèrent les graines qui traverseront leur tube digestif avant d’être rejetés avec les fèces. Certaines graines nécessitent même ce passage dans un tube digestif pour pouvoir germer. - dissémination aquaphile Concerne essentiellement les plantes aquatiques et celles qui vivent en bordure de l’eau. Ex. le plus remarquable, le cocotier, arbre de littoral marin et dont les fruits ont colonisé toutes les îles et les côtes du Pacifique. 140 Germination Régions tempérées : hiver très peu propice au développement des végétaux. Deux stratégies de germination : - germer avant l’hiver pour développer un nouveau plant suffisamment résistant pour survivre à l’hiver (ex : l’érable) ; - passer l’hiver sous forme de graine et ne germer qu’au printemps. Dans ce dernier cas la graine entre en dormance avant l’hiver et va devoir subir une levée de dormance pour pouvoir germer. Dormance - état végétatif dans lequel la graine entre après sa dissémination : - entrée en dormance associée à une déshydratation qui protège la graine contre le gel et ramène les réactions métaboliques au strict minimum nécessaire à la survie = état de vie ralentie (permet à la graine de survivre parfois plusieurs années dans l’attente des conditions favorables à son développement). - beaucoup de graines nécessitent de subir un stress (froid intense et/ou déshydratation) pour pouvoir germer : levée de dormance. Ce stress = signal que la mauvaise période est passée et que la germination va pouvoir se dérouler dans de bonnes conditions. Dans tous les cas la germination nécessite que soient réunies des conditions favorables : - une température optimale (ni trop basse ni trop élevée) - une bonne hygrométrie - une oxygénation suffisante (la graine en germination est une consommatrice d’oxygène) - un substrat adéquat pour la bonne croissance de la nouvelle plante. N.B.- Lumière pas un facteur de germination hormis quelques exceptions (semences de laitues) 141 Germination (suite) La germination est marquée par : 1. une réhydratation de la graine 2. un démarrage de la respiration et des réactions chimiques du métabolisme qui entraînent le début de la croissance de la racine grâce à l’augmentation de la température Racine : 1er organe à entrer en fonction pour -fixer la plante au sol -puiser dans le sol l’eau et les sels minéraux nécessaires. 3. un développement de la tige et 2 premières feuilles vertes qui confèrent à la plante son autonomie Ces croissances de la racine, de la tige et des feuilles se font aux dépens des réserves contenues dans la graine. On distingue : -la germination hypogée où la tigelle (segment situé entre la racine et le point d’insertion des cotylédons sur la plantule) ne se développe pas. La graine reste au sol (pois, blé, …) -la germination épigée où la tigelle se développe entraînant les cotylédons au-dessus du sol (haricot, 142 …). Croissance Croissance en longueur des plantes vivaces Chaque année au printemps, grâce à la sève qui circule dans les vaisseaux de la plante, les bourgeons « éclosent », leurs écailles protectrices s’écartent et l’extrémité du bourgeon se développe. Les écailles laissent des cicatrices au niveau de l’écorce ce qui permet de dater les pousses. Dès que les bourgeons sont formés (à l’été précédent), ils sont en état de dormance. Le froid en hiver permet de lever cet état, ils éclosent au printemps suivant. Un bourgeon renferme : - un méristème (zone de divisions cellulaires) - l’ensemble des feuilles, insérées sur un axe court selon un mode caractéristique de l’espèce, devant être mises en place au cours de la saison favorable. Les bourgeons à bois terminaux situés à l’extrémité de chaque rameau en assurent l’élongation. Ils contribuent à la croissance en longueur de la partie aérienne. Les bourgeons à bois latéraux situés à l’aisselle des feuilles sont à l’origine de rameaux secondaires feuillés. Ils contribuent à la ramification du végétal donc à la densification de son feuillage. 143 Croissance Croissance en épaisseur des plantes vivaces Chaque année, les arbres augmentent le diamètre de leur tronc, de leurs branches, … en formant une couche de bois à l’extérieur des couches précédentes grâce au fonctionnement du cambium (double assise circulaire dont les cellules se divisent radialement). Cette formation a lieu Ŕ sous nos climats- au moment de la période d’activité de l’arbre. Le résultat de cette croissance est un cerne ou anneau. Au printemps, les vaisseaux conducteurs de sève brute formés dans le cerne ont un gros diamètre et donnent un bois clair ; en été les vaisseaux ont un diamètre plus petit et donnent un bois sombre. On repère distinctement la croissance d’un arbre sur une année au niveau d’un cerne grâce à l’alternance bois clair Ŕ bois sombre. En comptant le nombre de cernes, on peut ainsi connaître l’âge d’un arbre. 144 Exemples de cycle de développement : Une plante vivace est une plante dont le développement, de la graine au stade adulte, peut s’étendre sur plusieurs années. Une fois le stade adulte atteint, la plante se reproduit selon un rythme, majoritairement, d’une floraison/fructification par an. Ex. : ensemble des espèces arborescentes. Chez les plantes vivaces (chêne) : - la forme de résistance à la mauvaise saison correspond : au tronc, aux branches dépourvues de leurs feuilles aux racines. - la graine est une forme de dissémination. 145 Exemples de cycle de développement : Une plante annuelle est une plante qui se développe en un temps très court de la graine au stade adulte (quelques semaines à quelques mois). Elle acquiert la capacité de se reproduire. La floraison suivie de la fructification n’a lieu qu’une seule fois, le végétal dépérit ensuite et meurt dans l’année. Exemple : haricot, pois, … Chez les plantes annuelles (haricot) qui disparaissent en hiver, la graine est à la fois : - un organe de dissémination - un organe de survie. 146 En résumé… Procréation Nouvel individu différent de ses parents Reproduction végétative Nouvel individu identique à son parent 147 Bilan croissance/développement… animaux/végétaux Croissance La croissance correspond à l’augmentation de taille et de masse corporelle. Chez les animaux, la croissance s’effectue essentiellement de la naissance ou de l’éclosion de l’individu jusqu’à l’âge adulte Ŕ maturité sexuelle- où elle s’arrête. Chez les végétaux, la croissance se poursuit tout au long de la vie, pouvant être discontinue en lien avec les saisons. Développement Le développement correspond à la succession des transformations qui touchent l’individu à partir de sa conception au moment de la fécondation. Chez les animaux, on distingue : -le développement embryonnaire de la fécondation à la naissance ou à l’éclosion - le développement post-embryonnaire de la naissance ou de l’éclosion à l’âge adulte, il consiste alors en la maturation des différents organes présents sous une forme simplifiée chez l’embryon ; la phase adulte est le temps de la maturité sexuelle ; la phase sénile voit la diminution d’un grand nombre de fonctions conduisant à la vieillesse et à la mort. Chez les végétaux Ŕplantes à fleurs- la phase embryonnaire est réduite tandis que le développement post-embryonnaire est marqué par la différenciation de nombreux organes, l’adaptabilité et la flexibilité des organismes aux 148 conditions environnementales. Bilan cycles de développement… animaux/végétaux La notion de cycle de développement n’est valable que pour une population de même espèce pour montrer la succession des générations à partir des gamètes parentaux. Une fois la phase adulte atteinte, la reproduction peut avoir lieu : - une seule fois pour les espèces à durée de vie brève (bombyx, coccinelle, …) et les plantes annuelles (pois, …) - tous les 2 ans pour les plantes bisannuelles (oignon) - chaque année pour les plantes vivaces (cerisier, …) et chez certains animaux (période de rut au printemps pour de nombreux vertébrés afin de permettre aux jeunes de grandir avant le retour du froid hivernal : survie de l’espèce) - plusieurs fois au cours d’une année La fréquence de la reproduction n’apparaît parfois limitée que par la période de fécondité de la femelle et la durée du développement embryonnaire. D’autres paramètres peuvent intervenir pour réguler l’équilibre des populations : la disponibilité de la nourriture par exemple. Chez certaines espèces, la reproduction sexuée se poursuit jusqu’à la mort de l’individu, chez d’autres, elle est interrompue par l’arrêt de la gamétogenèse. Pour survivre aux conditions défavorables de l’hiver, plantes et animaux présentent des stratégies différentes : - vie ralentie chez les végétaux : chute des feuilles, ralentissement de la circulation de la sève, survie à l’état d’organes souterrains ou de graines - migration, changement de régime alimentaire chez les animaux mais aussi hibernation 149 Classification des êtres vivants Le monde vivant se caractérise par : - sa diversité - une biodiversité variable selon les groupes -les insectes -les plantes, (les plus explorés) regroupent le plus grand nombre d’espèces 150 Classification des êtres vivants De tout temps, s’est manifesté le besoin de : - déterminer - de classer Déterminer : - action qui vise à l’identification des êtres vivants… - grâce à des outils : des « clés de détermination » permettant d’effectuer un tri, c’est-à-dire une discrimination entre les individus en fonction de ce qu’ils possèdent ou ne possèdent pas. Ensemble des individus qui présentent des caractéristiques : - morphologiques, - anatomiques, - biochimiques, - physiologiques communes et… - dont les individus ont ensemble, dans les conditions naturelles, une descendance commune fertile appartiennent à la même espèce. 151 Classer : action qui vise à ordonner de manière raisonnée les êtres vivants dans un système en utilisant des critères de séparation de plus en plus précis. On distingue : - la classification phénétique fondée sur le degré de ressemblance global des différentes espèces indépendamment de leurs relations de parenté - la classification phylogénétique qui repose sur le fait que l’on regroupe les êtres vivants en fonction des attributs ou innovations évolutives qu’ils partagent (et non des critères privatifs : absence de vertèbres, absence de fleurs) ce qui témoigne de leur apparentement. Les groupes sont donc emboîtés les uns dans les autres et un groupe emboîté dans un autre possède les innovations des groupes qui le contiennent. Cette méthode de classification précise les liens de parenté entre 2 espèces et la date à laquelle elles se sont séparées à partir d’un ancêtre commun. Ces informations sont issues de la comparaison des séquences d’acides aminés de certaines protéines communes, de séquences de nucléotides de certains gènes… 152 Comment bâtir une classification qui reflète les liens de parenté ? en utilisant les caractères partagés qui traduisent une parenté En choisissant des caractères pertinents -------------------------------------------------------------------------Ex.1 En quoi les animaux suivant se ressemblent- ils ? Rouge gorge, chauve souris, poisson volant, papillons 153 154 Ex.2 En quoi les animaux suivant se ressemblent- ils ? chat, chauve-souris, pigeon pigeon thon chat chauve-souris 155 Dans l’exemple 1- les ailes de ces différents animaux présentent une ressemblance de forme pour assurer un mode de déplacement identique : le vol. En s’en tenant à l’aspect morphologique, ces types d’ailes traduisent un caractère d’analogie, une convergence de forme pour assurer une même fonction, sans rapport de parenté. Dans l’exemple 2- les membres antérieurs de ces animaux présentent un plan d’organisation identique. L’architecture du squelette du membre antérieur traduit ici une parenté. Nous sommes en présence d’un cas d’homologie. 156 Chauve-souris Chat Pigeon Thon Ancêtre mammifère Ancêtre avec membre osseux Ancêtre vertébré 157 La classification actuelle des vertébrés Tous issus d’un même ancêtre 158 Le groupe des poissons n’a aucun sens sauf … …si on y inclut l’intégralité des vertébrés, l’ancêtre de tous les 159 poissons étant aussi l’ancêtre de tous les vertébrés Si on conserve le groupe des reptiles… …il faut lui inclure celui des oiseaux ! 160 161 162 163 Nutrition végétale Ecologie Développement durable 164 NUTRITION VEGETALE La nutrition végétale comprend deux grandes étapes : l’absorption d’eau, de sels minéraux et de CO2 qui conduit à la photosynthèse au niveau des feuilles la distribution des produits de la photosynthèse dans les différentes parties de la plante et à partir desquels les cellules des organes effectueront leurs biosynthèses. 165 1. Des éléments minéraux absorbés… à la photosynthèse Absorption d’une solution minérale (eau + sels minéraux) au niveau des poils absorbants des racines. Réserves de la graine Poils absorbants Coiffe = zone de croissance 166 Des éléments minéraux absorbés… à la photosynthèse (suite) Pénétration de cette solution dans des vaisseaux conducteurs : 1. vaisseaux du bois (xylème). Prend le nom de « sève brute ». Sève brute constituée essentiellement de : - Nitrates (renfermant de l’azote N) - Phosphates (renfermant du phosphore P), - Des sels de potassium (K), - + d’autres éléments en plus faibles quantités : les oligoéléments (Cuivre, Magnésium, Fer, Soufre…) - Et … d’EAU 167 1. Des éléments minéraux absorbés… à la photosynthèse (suite) Transfert ascensionnel de la sève brute des racines aux feuilles par les vaisseaux du bois. 168 1. Des éléments minéraux absorbés… à la photosynthèse (suite) Moteur du transfert de la sève brute des racines aux feuilles par les vaisseaux du bois : Moteur essentiel de l’entrée et de la montée de la sève brute dans la plante : la transpiration foliaire. En quittant le végétal cette eau transpirée crée une aspiration qui se répercute jusqu’aux racines, provoquant l’entrée d’eau présente dans le sol et, de ce fait, chargée en sels minéraux. 169 1. Des éléments minéraux absorbés… à la photosynthèse (suite) Moteur du transfert de la sève brute des racines aux feuilles par les vaisseaux du bois (suite). Transpiration, … comme tous les échanges gazeux au niveau de la feuille, par le biais des : stomates, orifices situés généralement sur la face inférieure des feuilles. 170 1. Des éléments minéraux absorbés… à la photosynthèse (suite) Photosynthèse. Une partie de la sève brute arrivant aux feuilles va être utilisée par la photosynthèse. Outre la sève brute, la photosynthèse nécessite le CO2 atmosphérique absorbé par les feuilles au niveau des stomates. Cette photosynthèse se déroule dans les cellules qui possèdent des chloroplastes, organites cellulaires contenant la chlorophylle. 171 1. Des éléments minéraux absorbés… à la photosynthèse (suite) Photosynthèse. 1ère étape de la photosynthèse : une photolyse de l’eau qui casse la molécule d’eau en ses 2 composants : H2 et O2. L’O2 est, pour sa plus grande partie rejetée à l’extérieur (ce qui fait des végétaux chlorophylliens des producteurs d’oxygène le jour). Parallèlement, l’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique : ATP 2ème étape : grâce à l’ATP formé lors de la 1ère étape, l’hydrogène (H2) s’associe avec le CO2 pour former des squelettes carbonés de composition globale [C,H2,O]n. En s’associant, ces squelettes carbonés donnent des sucres simples dont le plus 172 commun est le glucose. 1. Des éléments minéraux absorbés… à la photosynthèse (fin) Photosynthèse (suite et fin). n n n n Ces sucres formés ont 2 fonctions : 1 - servir de squelette de chaînes carbonées pour la construction de toutes les molécules qui vont participer à la construction de la plante (acides aminés, protéines, lipides, glucides complexes…) 2 Ŕ servir de réserve énergétique pour toutes ces réactions chimiques de synthèse. 173 2. De la distribution de la sève élaborée aux biosynthèses Formation de la sève élaborée (sève brute restante + Produits de la photosynthèse) et sa distribution Ŕmultidirectionnelle- dans l’ensemble de la plante par les vaisseaux du phloème. 174 2. De la distribution de la sève élaborée aux biosynthèses Devenir de la sève élaborée : - Etre stockée sous forme de réserves (le plus souvent d’amidon) dans différents organes : racines, tiges, graines … -Fournir une source de matière première pour permettre aux différents tissus de la plante de construire leur propre matière végétale (racines, tiges, feuilles, bourgeons, fleur, fruits …) : c’est la biosynthèse Cette biosynthèse nécessite : - des « matériaux de construction » que sont les différentes molécules (nutriments) issues de la photosynthèse - de l’énergie (ATP) produite par la respiration grâce à l’oxydation du glucose. Tous les organes consomment donc de l’O2 et rejettent du CO2, le jour comme la nuit. 175 2. De la distribution de la sève élaborée aux biosynthèses Processus des biosynthèses FEUILLE CHLOROPHYLLIENNE Photosynthèse (jour) TOUT ORGANE DONT FEUILLE Respiration (jour ET nuit) Ose + O2 ½ O2 H 2O H2 Sels minéraux CO2atmosphérique CO2 ATP + H2 O Biosynthèses (jour ET nuit) Intervention des Enzymes (pour toutes les biosynthèses) + Code génétique (pour les protéines) Glucides complexes Ose [C, 2H, 2O] (sève brute) ATP Lipides Acides aminés + Acides gras + Alcool Protéines ATP ATP 176 2. De la distribution de la sève élaborée aux biosynthèses Fonctions des biosynthèses Permettre la croissance du végétal : Croissance en longueur : extrémité des racines, bourgeons apicaux des rameaux Croissance en épaisseur : augmentation du diamètre des racines, des tiges … 177 ECOLOGIE, ENVIRONNEMENT, DEVELOPPEMENT DURABLE Ecosystème - entité qui se compose : du biotope regroupant toutes les structures non vivantes de l’écosystème, constituant le substrat sur ou dans lequel vit la biocénose de la biocénose regroupant tous les êtres vivants en interaction dans une partie donnée d’un biotope et formant une structure théoriquement en équilibre 178 Interactions possibles au sein de l’écosystème Etres vivants Biotope Les êtres vivants modifient le biotope Etres vivants Compétition pour l ’espace / Le biotope conditionne la répartition des êtres vivants Relations trophiques Etres vivants 179 ECOLOGIE, ENVIRONNEMENT, DEVELOPPEMENT DURABLE 1. Facteurs physicochimiques du biotope agissant sur faune et flore - La composition chimique du milieu De l’eau de mer Des sols A chaque type de sol (calcaire, marne, sable, argile) correspond une flore spécifique 180 1. - Facteurs physicochimiques du biotope agissant sur faune et flore La température Répartition des espèces : en fonction des latitudes (géographie) ; de l’altitude (montagne) ou de la profondeur (océans) ou des saisons. Effet direct sur la concentration de certains nutriments et donc indirectement sur la répartition des êtres vivants. Ex. : la quantité d’O2 dissous dans l’eau est inversement proportionnelle à la température, aussi les êtres vivants à respiration branchiale se répartissent en fonction de leurs besoins en O2, donc en fonction de la température de l’eau : les truites dans les eaux froides riches en O2, les carpes dans des eaux plus chaudes, donc plus pauvres en O2. Influence de la température sur la composition d’un écosystème notamment l’hiver, sous les latitudes tempérées ou froides : - quasi disparition de l’eau libre en surface du sol (gel, neige) - très fort ralentissement du métabolisme des végétaux et des animaux hétérothermes. D’où … : - disparition des parties comestibles des végétaux et des animaux hétérothermes de la surface. - raréfaction de la nourriture disponible pour les animaux encore actifs (homéothermes) qui vont devoir adopter des stratégies pour survivre : hiberner (ours, marmottes, loirs, écureuils…) adopter un régime alimentaire plus varié (renard, oiseaux…) migrer vers des zones plus riches en nourriture 181 Facteurs physicochimiques du biotope agissant sur faune et flore L’humidité et l’ensoleillement Humidité : effet sur la répartition de la flore (végétaux xérophiles /hydrophiles), de la faune (animaux à respiration cutanée par exemple) Lumière : effet sur la répartition de la flore (végétaux de lumière : héliophiles, végétaux d’ombre : sciaphiles) Ŕ faune (espèces lucifuges- ex : toute la faune du sous sol) 1. Ensoleillement plus long à l’adret qu’à l’ubac : activité photosynthétique plus durable permettant une production végétale plus intense. Température liée à l’ensoleillement et à l’altitude : activité métabolique d’autant plus intense en versant sud et à basse altitude. 182 2. Facteurs biologiques agissant sur faune et flore • Relations trophiques au sein d’un même biotope 1ère approche : reconstituer les chaînes alimentaires (Ex. : écosystème Forêt) L’ensemble des chaînes trophiques constitue un réseau trophique 183 2. Facteurs biologiques agissant sur faune et flore • Relations trophiques au sein d’un même biotope (suite) 2ème approche : identifier les catégories Ceux qui ne mangent personne mais qui fabriquent la matière organique nouvelle à partir de la matière minérale et en présence de lumière : Producteurs primaires ou autotrophes : végétaux verts , 1er maillon des chaînes Ceux qui mangent d’autres êtres vivants : Consommateurs ou hétérotrophes ou Producteurs secondaires : les animaux constitutifs des maillons suivants Ceux qui mangent de la matière morte : Décomposeurs (hétérotrophes) : les champignons, les micro-organismes et certains animaux du sol 184 2. Facteurs biologiques agissant sur faune et flore • Relations trophiques au sein d’un même biotope (suite) 3ème approche : comprendre les flux de matière et d’énergie Carbone minéral Carbone organique Seuls les végétaux verts sont capables : - de fabriquer de la matière vivante à partir de matière minérale - de faire entrer l’énergie dans le monde vivant 185 2. Facteurs biologiques agissant sur faune et flore • Relations trophiques au sein d’un même biotope (suite) 3ème approche : comprendre les flux de matière et d’énergie (suite) Carbone minéral Carbone organique - Pas de consommateurs ni de décomposeurs sans producteurs primaires. - Consommateurs et décomposeurs fabriquent leur matière à partir de la matière organique préexistante, dont ils tirent aussi l’énergie 186 2. Facteurs biologiques agissant sur faune et flore • Relations trophiques au sein d’un même biotope (suite) 3ème approche : comprendre les flux de matière et d’énergie (suite) - Les décomposeurs dégradent la matière morte qui sans eux s’accumulerait. - Tôt ou tard cette matière organique consommée sera minéralisée sous forme de CO2, H2O et de sels minéraux (respiration et fermentation) 187 2. Facteurs biologiques agissant sur faune et flore • Relations trophiques au sein d’un même biotope (suite) 3ème approche : comprendre les flux de matière et d’énergie chez un être vivant Matière perdue sous forme de respiration Matière ingérée Matière assimilée Matière vivante produite Matière non assimilée (excréments) 188 2. Facteurs biologiques agissant sur faune et flore • Relations trophiques au sein d’un même biotope (suite) 3ème approche : comprendre les flux de matière et d’énergie au sein d’un écosystème La pyramide des biomasses C3 (zoophages) ou Producteurs secondaires d’ordre 3 C2 (zoophages) ou Producteurs secondaires d’ordre 2 Consommateurs 1 C1(phytophages) ou Producteurs secondaires ordre 1 Producteurs primaires (végétaux verts) Energie chimique Energie solaire 189 2. Facteurs biologiques agissant sur faune et flore Résumé pour bien comprendre la différence : autotrophe/hétérotrophe 190 2. Facteurs biologiques agissant sur faune et flore • Adaptations L’écosystème n’induit pas les adaptations ; l’écosystème sélectionne parmi les facteurs préexistants ceux qui lui sont le mieux adaptés. - Une espèce trop inféodée à un écosystème (trop bien adaptée) est une espèce qui, à terme, disparaîtra lorsque l’écosystème changera. - Plus l’adaptation entre écosystème et espèce est étroite (nourriture disponible, condition physico-chimiques…) plus l’espèce est représentée dans cet écosystème ; mais plus la répartition géographique de cette espèce est limitée : espèces endémiques (panda, koala, manchots…). - Moins une espèce est adaptée à un écosystème donné plus elle peut coloniser d’écosystèmes différents et avoir une répartition géographique étendue : espèces ubiquistes (Homme, rat, pie…). Les adaptations peuvent concerner : - le mode de locomotion -le régime alimentaire (adaptation de l’appareil digestif, recherche et capture de la nourriture …) -la reproduction : stratégie invasive (proies) ou stratégie de régulation de la population (prédateurs) 191 -la résistance à des températures, à des conditions de pH ou de salinité extrêmes 2. Facteurs biologiques agissant sur faune et flore • Interactions entre êtres vivants Types de relations Caractéristiques Prédation Consommation, par un animal (prédateur), de tout ou partie d’un autre animal (proie) après sa mise à mort (ou conduisant à la mort). Parasitisme Consommation par un être vivant de son hôte, vivant, en lui portant préjudice par détournement d’une partie de sa nourriture (gui avec ses racines suçoir implantées dans les vaisseaux conduisant la sève) , ou par consommation d’une partie de son hôte (tiques, moustiques, champignons responsables des mycoses…). Commensalisme Association entre 2 individus qui se fait au bénéfice de l’un mais sans inconvénients pour l’autre partenaire (lichens utilisent les arbres comme support sans entraver leur fonctionnement, poissons pilotes accompagnent les requins et se nourrissent des résidus de leurs repas) . Mutualisme Association de 2 êtres vivants avec bénéfice mutuel (les pucerons secrètent un liquide sucré, le miellat, que les fourmis vont venir récolter ; en échange les fourmis protègent les pucerons des prédateurs ou anémone de mer et poisson clown : l’un apporte la protection, l’autre les débris de ses repas). 192 2. Facteurs biologiques agissant sur faune et flore • Interactions entre êtres vivants (suite) Types de relations Symbiose Caractéristiques Association obligatoire et permanente de 2 êtres vivants avec bénéfice mutuel: -association d’un végétal et d’un champignon : les lichens : association obligatoire d’une algue unicellulaire et d’un champignon. Le champignon apporte le substrat (l’eau, les sels minéraux), l’algue apporte au champignon la matière organique de la photosynthèse. Les mycorhizes : associations entre des champignons et les racines de nombreux végétaux : les champignons apportent leur capacités à fixer l’azote atmosphérique et à le transformer en nitrates absorbables par le végétal. Le végétal apporte les produits de sa photosynthèse - association d’un végétal et d’un animal : cas des coraux et des bénitiers (très gros mollusques bivalves de l’Océan Indien) qui hébergent des algues unicellulaires qui leur apportent le produit de la photosynthèse. -association bactéries/animal : exemple des ruminants qui font digérer les végétaux qu’ils consomment par des bactéries qui vivent dans leur panse. C’est le cas également de notre flore intestinale. Compétition Concourir pour l’accès à une même nourriture, à un même lieu de ponte, d’hibernation, … pour des individus habitant un biotope commun. Compétition intraspécifique (intérieur d’une même population) ou interspécifique (populations d’espèces différentes). Jeunes plants d’arbres en compétition pour l’accès à la lumière : gagnera qui poussera le plus vite. Dans les colonies d’oiseaux les mâles (ou les couples) vont devoir préserver un espace pour établir193 le nid. Les trous de pics vont, l’hiver venu, être colonisés par les loirs, les écureuils… 3. Origines possibles d’un déséquilibre écologique Un écosystème en équilibre est un écosystème à l’intérieur duquel les apports compensent les pertes. Les apports peuvent être : - d’origine interne (endogènes) - naissances - d’origine externe (exogènes): immigration, importation de matériaux (sédiments par ex.). Les pertes peuvent également être : - d’origine interne : morts naturelles, émigration, prédations entre populations du biotope - d’origine externe : prédation due à une population temporairement invasive, catastrophe climatique… 194 3. Origines possibles d’un déséquilibre écologique Déséquilibres ayant pour origines : Origines Caractéristiques Accident climatique Chute très importante de la température hivernale : disparition des formes de résistances de végétaux et d’animaux en vie ralentie ; plus d’accès à de l’eau liquide pour les animaux homéothermes encore en activité. Canicule : élévation de la température de l’eau, diminution de la quantité d’O2 dissous, conditions d’anoxie pour de nombreux êtres vivants… Apport brutal de nourriture Apport brutal de sels minéraux dans un milieu aquatique : développement d’algues à croissance et multiplication rapide, formation d’une couverture opaque bloquant les rayons lumineux, empêchant le développement des végétaux plus profonds. Mort de cette biomasse dégradée par des microorganismes consommateurs d’O2 entraînant une asphyxie des espèces sensibles aux variations de concentration d’O2. Espèces invasives -invasions naturelles : Le goéland cendré, parti d’Angleterre, a progressivement envahi toutes les côtes françaises en moins d’un siècle ; espèce très agressive occupant le territoire d’espèces autochtones (sternes) dont les populations ont chuté. - Invasions dues à l’action de l’Homme : Les lapins australiens, les ragondins (originaire d’Amérique du nord) en Europe, la jacinthe d’eau (originaire d’Amérique centrale). 195 4. Action de l’Homme sur les écosystèmes L’Homme utilisateur Prélève de la nourriture, des matériaux Produit des matériaux Environnement modifié 196 4. Action de l’Homme sur les écosystèmes (suite) L’Homme responsable : s’informe et prend conscience de la fragilité de l’environnement modifie ses comportements limite ses rejets nocifs traite et préserve informe applique des principes légifère Environnement et développement durable 197 4. Action de l’Homme sur les écosystèmes (suite) Comment concevoir les relations de l’homme avec son environnement ? L’idée utopique : ne plus polluer, ne plus transformer le milieu L’idée actuelle : produire un développement durable « Le développement durable est celui qui répond aux besoins des générations présentes sans compromettre la capacité des générations futures à satisfaire aux leurs ». 198 4. Action de l’Homme sur les écosystèmes (suite) Le développement durable est-il possible ?... Un défit car : 10 milliards d’hommes à l’horizon 2100 Epuisement des énergies fossiles Des ressources alimentaires pour tout le monde ? Le climat se modifie sous l’action de l’homme La biodiversité est menacée La désertification et l’épuisement des sols augmentent L’accès aux ressources est inégalitaire et source de conflits Quelques chiffres montrant la complexité du problème : 20% de la population consomme 80% des ressources naturelles Pas d’eau potable pour 1,3milliards d’êtres humains 1,2 milliard d’Hommes avec 1 euro par jour 24 000 morts par jour de malnutrition Chaque habitant dispose de 2,4 hectares en moyenne 199 4. Action de l’Homme sur les écosystèmes (suite) Prenons le cas des ressources en eau... L’Homme est un consommateur. 200 4. Action de l’Homme sur les écosystèmes (suite) Prenons le cas des ressources en eau (suite)... Où trouve-t-il l’eau qu’il consomme ? 201 4. Action de l’Homme sur les écosystèmes (suite) Prenons le cas des ressources en eau (suite)... Où trouve-t-il l’eau qu’il consomme ? L’eau de surface. Essentiellement prélevée dans les lacs et rivières. Eau de mer : en raison de sa salinité très peu utilisée. 202 4. Action de l’Homme sur les écosystèmes (suite) Prenons le cas des ressources en eau (suite)... Où trouve-t-il l’eau qu’il consomme ? L’eau souterraine. Elle se trouve dans certaines couches géologiques réservoirs dites « aquifères » L’eau occupe les espaces existant dans les roches Profil d’une roche « réservoir » : 203 4. Action de l’Homme sur les écosystèmes (suite) Prenons le cas des ressources en eau (suite)... Où trouve-t-il l’eau qu’il consomme ? L’eau souterraine. L’eau accumulée dans les roches forme une nappe. Il existe 2 types de nappes : Nappe libre ou phréatique Nappe captive puits forage Roche poreuse Nappe libre Couche imperméable Roche imperméable Couche imperméable Aquifère Aquifère affleurant en surface, alimenté par les eaux de pluie et les infiltrations Aquifère recouvert d’un niveau imperméable Niveau de la nappe variable. Atteint par forage profond Prélèvement de l’eau par le creusement de puits 204 4. Action de l’Homme sur les écosystèmes (suite) Prenons le cas des ressources en eau (suite)... L’eau à usage domestique : - n’est pas pure - mais potable - répond à des normes : 205 4. Action de l’Homme sur les écosystèmes (suite) Prenons le cas des ressources en eau (suite)... L’Homme consommateur… est aussi pollueur. en consommant, nous rejetons des eaux « usées », qui , non traitées, entrent dans le cycle de l’eau … d’où le risque de pollution des eaux de surface et des eaux souterraines : pollution par des eaux septiques pollution par des substances solubles (pesticides, métaux lourds, engrais, …) 206 4. Action de l’Homme sur les écosystèmes (suite) Prenons le cas des ressources en eau (suite)... L’Homme consommateur… est aussi pollueur. Un exemple de pollution des eaux de surface : l’eutrophisation Le rejet de phosphates favorise, en tant que fertilisant, la prolifération d’algues vertes en surface. Elles forment un tapis diminuant la transparence de l’eau, empêchant le développement des végétaux profonds. La photosynthèse n’est possible qu’en surface. Les algues mortes coulent et sont dégradées par oxydation sur le fond. L’eau s’épuise en oxygène. Les poissons disparaissent. Seuls les êtres vivants capable de fermenter survivent. 207 4. Action de l’Homme sur les écosystèmes (suite) Prenons le cas des ressources en eau (suite)... L’Homme consommateur… est aussi pollueur. Un exemple de pollution des eaux souterraines : la pollution par les nitrates. • Les nitrates : substances azotées utilisées comme engrais en agriculture. Pollution par les nitrates nappe • Nitrates en excès non retenus par le complexe argilo-humique du sol et lessivés par les eaux de pluies vers les rivières et les lacs (ou la mer) ET les nappes phréatiques. • Chaque année, quelques 2 millions de tonnes de ces engrais pénètrent dans le sous-sol et atteignent les nappes phréatiques. 208 4. Action de l’Homme sur les écosystèmes (suite) Prenons le cas des ressources en eau (suite)... L’Homme consommateur… est aussi pollueur et… dépollueur Station d’épuration des eaux « usées » 209 4. Action de l’Homme sur les écosystèmes (suite) Prenons le cas des ressources en eau (suite)... Le cycle de l’eau de consommation En France : • 40 000 captages, • 700 000 kms de canalisations, • 16 000 usines de production d’eau potable, • 12 000 usines de dépollution. 210 Education à la santé Reproduction humaine 211 Education à la santé et alimentation 212 Les aliments et leur composition Aliments : molécules ou ensembles moléculaires organiques complexes contenant des éléments essentiels au bon fonctionnement de l’organisme. Pour être utilisables par l’organisme, les aliments vont devoir subir une simplification moléculaire, la digestion, qui va les transformer en nutriments. Les aliments se divisent en 6 grandes familles moléculaires : 1. L’eau, Les minéraux, Les vitamines Les glucides, Les lipides, Les protides. 213 1.1. Les glucides Grands fournisseurs d'énergie : aliments de l'effort musculaire. Différentes sortes de glucides mais toutes sont utilisées dans l'organisme sous une seule forme : le glucose (C6H12O6) - forme la plus universelle de réserve énergétique. Les aliments apportent les glucides sous des formes très diverses qui sont, dans l’organisme, converties en glucose : Les glucides solubles. Ex : des oses comme le fructose (les fruits en contiennent environ 12 %), des diholosides comme le saccharose (les confitures en contiennent 75%, le chocolat en contient 64 %, les biscuits de 10 à 30 %), le lactose (le lait en contient 5 %). Les glucides insolubles. Ex: des polyholosides comme l’amidon, d'une digestion lente [dans le pain (50%), dans le riz (20 %), les biscuits (40 % environ] ; la cellulose constituant très importants des végétaux mais qui ne se digère pas (ou mal. Cf. rôle des bactéries symbiotiques du gros intestin) et constitue une partie de la famille des « fibres alimentaires ». 214 1.2. Les lipides Rôles variés : Rôle énergétique : source d’énergie pour les cellules au même titre que les glucides ; Rôle de constituants de réserve : triglycérides endogènes localisés dans le tissu adipeux sous-cutané ; Rôle de constituants de structure des membranes biologiques : phospholipides et cholestérol ; Rôle fonctionnel : prostaglandines et vitamines liposolubles. 215 1.3. Les protides Différentes formes : les acides aminés, les formes élémentaires ; les protéines, les formes les plus complexes. Protéines : polymères d’acides aminés (AA). Acides aminés : au nombre de 20, sont les briques élémentaires permettant de fabriquer les protéines spécifiques de chaque organisme. Protéines comportent de quelques unités (peptides) à plusieurs millions d’AA. Protéines peuvent également s’associer aux deux autres précédentes catégories pour former des glycoprotéines ou des lipoprotéines. Rôles variés : rôle squelettique : les protéines forment l’essentiel des structures cellulaires rôle énergétique : les protéines peuvent être dégradées par la respiration et servir de source d’énergie rôle fonctionnel : enzymes (qui accélèrent toutes les réactions 216 chimiques du métabolisme), certaines hormones … 1.4. Les vitamines Nature chimique très diverse. Se définissent par leur fonction : agissent comme catalyseur (à dose faible), régularisent le métabolisme sont nécessaires à la bonne utilisation des nutriments. Carences en vitamines - des dysfonctionnements graves de l’organisme : scorbut (carence en vitamine C), rachitisme (carence en vitamine D), béribéri (carence en vitamine B), … 217 2. Une alimentation équilibrée L’équilibre alimentaire est de 2 ordres : quantitatif : le nombre de calories absorbé doit compenser les pertes liées à l’activité physique et aux besoins de l’organisme pour sa croissance et son entretien. Cet équilibre quantitatif est donc variable d’un individu à l’autre (âge, sexe, physiologie) et fonction de son activité physique. qualitatif : l’alimentation doit comporter, en variété, tous les aliments nécessaires au bon fonctionnement de l’organisme. 218 Cet équilibre alimentaire est illustré par des diagrammes : Les critères qui ont permis d’établir ce classement sont divers : -fonctions (énergétique, protecteurs, bâtisseurs) ; - origine (produits laitiers, fruits et légumes) - composition (aliments riches en lipides, en protides…)… Ce classement illustre bien la variété de l’alimentation en France et donne donc des repères simples aux élèves même si les critères de classification sont hétérogènes. Le principal défaut de ce classement est de ne donner aucune indication de quantité. La recommandation principale (le repas doit comprendre un aliment de chaque catégorie) est donc à relativiser d’autant que les produits laitiers contiennent des concentrations très variables en lipides. 219 Cet équilibre alimentaire est illustré par des diagrammes divers : La ration alimentaire désigne la composition des repas d’une journée du point de vue quantitatif. La ration alimentaire doit couvrir les besoins : en nutriments énergétiques (glucose, acides gras), en nutriments non énergétiques bâtisseurs et fonctionnels Les prises alimentaires doivent être équilibrées sur les 3 repas : petit-déjeuner (30%), déjeuner (40%), dîner (30%). Si collation après midi : petit-déjeuner (25%), déjeuner (30%), collation (15%), dîner (30%) 220 Les conséquences d’un déséquilibre alimentaire La malnutrition peut revêtir plusieurs formes : la sous-nutrition : souvent un déficit quantitatif et qualitatif la carence en une catégorie importante d’aliment due à des conditions géographiques ou culturelles : carence en iode des savoyards au XIXème siècle provoquant des goitres ; carence en A.A. essentiels chez les végétaliens stricts, … les mauvaises habitudes alimentaires. Forme de malnutrition majoritaire dans les pays riches : 3. excès d’aliments sucrés, gras et salés au détriment des fruits et légumes frais ; quantités excessives, non adaptées aux besoins réels (sédentarisation grandissante). A l’origine de nombreuses conséquences pathologiques : obésité, problèmes articulaires liés au surpoids, maladies cardiovasculaires, 221 cancer des voies digestives, diabète de type 2…. Education à la santé et sommeil - Un cycle de sommeil dure environ 1h30 à 2 heures (4 à 5 cycles par nuit). Sa chronologie : l’endormissement : période très courte. Hallucinations possibles. Impression de flottement. Si stimulation, réveil immédiat. le sommeil lent léger : si stimulation, réveil plus difficile. le sommeil lent profond : 20 minutes après le début de l’endormissement Ŕ abaissement des signes vitaux, relâchement des muscles volontaires ; Puis signes vitaux au plus bas, augmentation de la motilité du tube digestif, relâchement des muscles volontaires mais le dormeur peut changer de position toutes les 20 minutes ; réveil très difficile. le sommeil rapide paradoxal 90 minutes après l’endormissement : augmentation de la température corporelle, du rythme cardiaque, de la fréquence respiratoire, diminution de la motilité du tube digestif. Forte consommation d’O2 par le cerveau (> à l’état éveillé). Rêves. Mouvements oculaires rapides. la phase intermédiaire conduisant au cycle suivant ou au réveil - Un enfant doit dormir environ : 12 heures jusqu’à 4 ans et 10 heures jusqu’à 10 ans. - Deux phénomènes physiologiques se produisent chez l’enfant pendant son sommeil : la croissance : sécrétion de l’hormone de croissance pendant la phase du sommeil lent profond la fabrication d’anticorps. - Des conditions favorisent l’endormissement : avant de dormir, ne pas pratiquer d’activités intenses physiques (mais recommandées dans la journée) ou intellectuelles ne pas consommer de boissons excitantes se trouver dans un environnement calme, à température peu élevée : 18 C et de bonne 222 hygrométrie. Education à la santé et articulations - - - - Une entorse correspond à une distension des ligaments pouvant aller jusqu’à une rupture. L’entorse peut s’accompagner d’un épanchement de synovie (œdème). Une luxation correspond à un déboîtement des os d’une articulation pouvant s’accompagner d’une distension des ligaments. Une tendinite est une inflammation des tendons. Elle est soit secondaire à des microtraumatismes répétitifs d'origine professionnelle ou sportive (joueur de tennis, danseur) soit d'origine dégénérative (vieillissement du tissu et usure). Une déchirure musculaire ou claquage correspond à une rupture de quelques fibres en profondeur, insuffisamment échauffées ou fatiguées, suite à un exercice violent. Les courbatures ont pour cause des micro- traumatismes subis par les fibres musculaires. Pour prévenir les courbatures, il faut un entraînement régulier qui favorise l’oxygénation des muscles et des exercices d’échauffement et d’assouplissement. Une crampe est un état de contraction persistant, de forte intensité, très douloureux d’un muscle. Elle est engendrée par la déshydratation de l’organisme mais aussi par une accumulation de calcium dans les fibres musculaires (calcium indispensable néanmoins pour la contraction musculaire). L’arthrose est une altération des cartilages articulaires qui se fissurent et se creusent d'ulcérations (trous dans le cartilage) pouvant laisser l'os à nu. L'os lui-même se décalcifie par endroits (ostéoporose) et se condense en d'autres, notamment dans la partie près de l'articulation au niveau des zones de pression. Enfin, on constate la formation sur les bords de l'articulation de petites excroissances osseuses parfois dénommés « becs de perroquet » en raison de leur forme radiologique. La gêne fonctionnelle correspond à une limitation de la mobilité de l’articulation touchée par l’arthrose 223 Reproduction humaine 1. L’appareil génital masculin Les testicules (glandes sexuelles) sont : • en position extra abdominale, • produisent les spermatozoïdes (sptz). Les voies sexuelle et urinaire sont communes dans leur partie distale (urètre). Les organes génitaux sont essentiellement externes. Il existe 3 glandes sexuelles annexes principales : 2 vésicules séminales et 1 prostate qui sont responsables de la sécrétion du liquide spermatique (milieu de « survie » des spermatozoïdes). Les testicules sont constitués de pelotes de tubes séminifères qui fabriquent les sptz ; ces tubes se rejoignent pour déverser leurs produits dans le canal de l’épididyme. Cet organe est également un tube très long à l’intérieur duquel les sptz opèreront leur maturation et deviendront mobiles. Lors de l’éjaculation les sptz situés dans la partie terminale de l’épididyme seront mélangés aux secrétions des vésicules séminales et de la prostate, l’ensemble forme le sperme qui s’évacue par l’urètre et l’orifice uro-génital (méat urinaire). Lors du rapport sexuel un afflux sanguin vient engorger les corps érectiles, provoquant l’érection. La position externe des testicules permet une température interne de 35 C environ, température nécessaire à la bonne maturation des spermatozoïdes. Lors de l’éjaculation les sptz sont déposés au niveau du col de l’utérus ; ils doivent alors accomplir un trajet d’environ 50.000 224 fois leur taille. 2. L’appareil génital féminin • les organes génitaux sont essentiellement internes ; • les voies urinaires et génitales sont totalement distinctes, le fonctionnement est cyclique mais la fécondité peut être considérée comme permanente (pas de période de « repos » sexuel comme chez les autres mammifères). • les ovaires (glandes sexuelles) sont en position abdominale. • Il existe des glandes annexes à l’entrée du vagin, les glandes de Bartholin, qui fabriquent un liquide lubrifiant facilitant le rapport sexuel. • Il existe enfin des glandes dites « cervicales » situées au niveau du col de l’utérus qui fabriquent un bouchon muqueux (la « glaire cervicale »), barrière mécanique entre l’utérus et le vagin. 225 3. Le cycle sexuel ou menstruel… au niveau ovarien. A partir de la puberté, chaque mois 1ovaire expulse 1« ovule » recueilli au niveau d’une trompe : c’est l’ovulation. Il se déplace en direction de l’utérus grâce à des mouvements de contraction de la trompe et des cils qui la tapissent. Non fécondé, il dégénère en 1 ou 2 jour(s) (survie des spermatozoïdes dans les voies génitales féminines : 2 à 6 jours). Les ovulations cycliques (1 ovulation par mois avec alternance quant à l’ovaire concerné) se poursuivent jusqu’à la ménopause, âge marqué par l’arrêt de la fonction ovarienne et qui correspond à l’épuisement de la réserve d’ « ovules ». Les « ovules » sont enfermés dans l’ovaire dans des ensembles cellulaires appelés : follicules (1 « ovule » / follicule). Chaque mois, dans l’ovaire des follicules grossissent et l’un d’eux libère son « ovule ». Les «ovules » se forment dès la vie embryonnaire. Pendant l’enfance, les « ovules » ne subissent pas de réelle évolution. Ils s’entourent chacun de quelques cellules pour former des follicules primaires. A partir de la puberté, certains follicules grossissent. Chaque mois, dans l’un ou l’autre des ovaires, des follicules s’engagent dans un processus qui aboutit pour l’un d’entre eux à l’ovulation. Les autres dégénèrent. 226 Le follicule à l’origine de l’ovulation évolue en un corps jaune, structure provisoire qui dégénérera. 3. Le cycle sexuel ou menstruel… au niveau des voies (tractus) génitales. Chaque mois : -la paroi utérine s’épaissit et s’enrichit en vaisseaux sanguins au niveau de sa muqueuse ou endomètre, puis, -elle est éliminée : c’est l’origine des règles. L’évolution de la paroi utérine est cyclique comme l’est le fonctionnement de l’ovaire. Le cycle utérin dure environ 28 jours (idem cycle ovarien) : -il débute avec le 1er jour des règles. Durée: environ 5 jours. -l’ovulation a lieu 14 jours avant le début des règles suivantes : •Cas 1 « ovule » fécondé : l’embryon arrive dans l’utérus et s’implante dans la muqueuse épaissie et enrichie en vaisseaux sanguins. Conservation de la muqueuse : un début de grossesse est donc signalé par une absence de règles. •Cas 2 « ovule » non fécondé : il dégénère et la muqueuse utérine est éliminée lors des 227 règles (début du cycle suivant). 3. Le cycle sexuel ou menstruel… au niveau des voies (tractus) génitales (suite). -Pendant la période (5/12ème jour) du cycle menstruel, le col de l’utérus est obturé par la glaire cervicale. - Le 14ème jour, l’ovule est libéré et aspiré par le pavillon de la trompe la plus proche ; des cellules ciliées bordent le pavillon et créent un courant aspirant. La qualité de la glaire cervicale qui devient plus « filante », beaucoup plus fluide, ouvre ainsi le col de l’utérus aux spermatozoïdes. Cette transformation de la glaire va durer de 2 à 4 jours environ, période pendant laquelle la femme peut être fécondée (les spermatozoïdes peuvent pénétrer et l’ovule est libéré). -Au-delà du 16ème jour, les cellules du col fabriquent une nouvelle glaire très épaisse, 228 isolant de nouveau l’utérus du vagin. 3. Le cycle sexuel ou menstruel (suite) Le cycle sexuel est sous le double contrôle des hormones produites par l’ovaire au cours des 28 jours du cycle [et de l’hypophyse (petite glande à la base du cerveau)]. - Le cycle commence au début des règles. Du jour 0 au jour 5 (fin des règles) la concentration en hormones est très faible, ce qui provoque des contractions du muscle utérin (myomètre) et donc le décollement de la muqueuse utérine, provoquant les règles. - Du jour 5 à l’ovulation, l’ovaire fabrique des œstrogènes ; l’endomètre s’épaissit, se préparant à recevoir un possible embryon. Parallèlement l’ovule mûrit dans l’ovaire à l’intérieur du follicule. Pendant cette période (5/12ème jour) le col de l’utérus est obturé par la glaire cervicale. - Le 14ème jour, l’ovule est libéré sous l’action du « pic » des œstrogènes et il est aspiré par le pavillon de la trompe. La grande quantité d’hormone libérée au moment de l’expulsion de l’ovule transforme la glaire cervicale en glaire « filante », ouvrant ainsi le col de l’utérus aux spermatozoïdes. - Au-delà du 16ème jour, sous l’action des œstrogènes et de la progestérone, les cellules du col produisent une nouvelle glaire isolant de nouveau l’utérus du vagin. Après l’ovulation, le follicule se transforme en « corps jaune » qui fabrique, en plus des œstrogènes qu’il continue à produire, la seconde hormone du cycle : la progestérone. Cette hormone agit sur l’endomètre qui continue sa transformation avec une hyper vascularisation et l’apparition de glandes en tubes sécrétant des substances nutritives pour le futur embryon. Si la fécondation ne se produit pas le corps jaune dégénère, cesse de fabriquer de la progestérone et des œstrogènes, la concentration hormonale chute et le myomètre commence à se contracter, initiant un nouveau cycle. 229 3. Le cycle sexuel ou menstruel (fin) Et si … la fécondation se produit : - Elle a lieu dans le ¼ supérieur de la trompe, - L’œuf formé par la fusion de l’ovule et d’un spermatozoïde entre très rapidement en division. - Transporté par le courant créé par les cils vibratiles des trompes, l’embryon descend dans l’utérus où il arrive entre le 7ème et le 8ème jour après l’ovulation (soit au jour 21 ou 22 du cycle). -Dans l’utérus, il s’implante dans la muqueuse et développe la première annexe embryonnaire : le futur placenta. - Les cellules de ce placenta en formation fabriquent immédiatement elles aussi de la progestérone qui stimule la vascularisation autour de l’embryon et maintient fonctionnel le corps jaune donc ses sécrétions hormonales… La 230 gestation démarre. 4. La gestation -Le premier stade de développement : le stade embryonnaire. Il correspond à la mise en place de l’ensemble des organes du futur individu. Une fois tous les organes formés (mais pas forcément fonctionnels), l’embryon devient fœtus (forme humaine reconnaissable) et acquiert une existence légale. En France ce passage du stade embryonnaire au stade fœtal est défini par la loi (date limite de l’IVG : 12 semaines). - Le deuxième stade de développement : le stade fœtal. Fin du premier mois le cœur est fonctionnel et assure la circulation sanguine fœtale. Les reins fonctionnent dès le 3ème mois : secrètent une urine très peu concentrée qui participe au remplissage de la cavité amniotique. La plus grande partie des déchets du métabolisme fœtal sont éliminés par des échanges entre sang fœtal et sang maternel au niveau du placenta. L’intestin n’est pas fonctionnel avant la naissance (pas de selles pendant la vie utérine). Les poumons sont potentiellement fonctionnels à partir du 6 ème mois (les alvéoles sont capillarisées). 231 4. La gestation (suite) - Le placenta est une annexe embryonnaire : organe fabriqué par l’embryon qui s’implante dans la muqueuse utérine. Son implantation s’accompagne d’une hyper vascularisation de la muqueuse avec création de poches remplies de sang maternel dans lesquelles les villosité du placenta fœtal viennent baigner à la manière de branchies. - Il n’y a jamais contact direct (continuité) entre le sang maternel et le sang fœtal ; il y a seulement contiguïté au travers de la fine membrane placentaire. - C’est au niveau de cette membrane que s’effectuent tous les échanges entre la mère et le fœtus : •Echanges gazeux : la mère apporte au fœtus l’O2 qui lui est nécessaire, le fœtus exporte le CO2 qu’il a produit. •Echanges nutritifs : la mère apporte au fœtus tous les nutriments issus de sa propre digestion et nécessaires à la construction des organes du fœtus (glucides et lipides simples, acides aminés). Les déchets du métabolisme fœtal sont excrétés par échanges avec le sang maternel et, finalement, excrétés par les urines maternelles. •Echanges indésirables : cette membrane est également perméable à certaines molécules (alcool, nicotine, drogues, médicaments…) qui sont néfastes 232 au bon développement du fœtus. 5. L’accouchement ou parturition Lorsque le terme de la gestation est atteint : -la sécrétion de progestérone cesse, -les premières contractions apparaissent provoquant la rupture de la poche amniotique (perte des « eaux »). -le col de l’utérus se dilate, -les contractions de l’utérus augmentent en fréquence et en amplitude, provoquant l’expulsion du bébé. -Environ 20 mn plus tard les contractions reprennent pour expulser le placenta (« délivrance »). Sitôt né le bébé devient autonome sur le plan respiratoire : -après expulsion du liquide amniotique présent dans la cavité pulmonaire, -les premières contractions du diaphragme provoquent le gonflement des poumons et les alvéoles se déploient grâce à la présence d’un 233 liquide indispensable : le surfactant. 6. De la naissance… à la puberté… à l’âge adulte Le développement de l’Homme entre la naissance et l’âge adulte est caractérisé par : la croissance et l’évolution des dentitions. La croissance Entre la naissance et l’âge adulte : Accroissement de taille : 320 %, de la masse : 2000 %. Croissance non régulière : périodes pendant lesquelles la vitesse de croissance est plus rapide - « crise de 6 ans » et puberté. La croissance est sous la dépendance de facteurs externes et internes : Facteurs externes : - alimentation équilibrée (présence d’aliments plastiques, énergétiques, fonctionnels) - soleil (synthèse de vitamine D) - sommeil (pic de l’hormone de croissance pendant le sommeil lent profond) facteurs internes : - hormones : * hormone de croissance synthétisée par l’hypophyse * thyroxine synthétisée par la thyroïde Ces 2 hormones agissent sur la croissance des os longs - facteurs génétiques 234 6. De la naissance… à la puberté… à l’âge adulte (suite) La croissance osseuse : L’os est un tissu vivant : capacité à se réparer et faculté à grandir chez l’enfant. L’os est en perpétuel renouvellement : os ancien détruit et remplacé par de l’os neuf. L’os neuf se structure en fonction des tractions subies donc en fonction de l’activité physique de l’individu (renouvellement plus difficile à la ménopause chez la femme d’où une plus grande fragilité des os). Les os sont constitués de cellules vivantes qui sécrètent une matière intercellulaire organique (osséine) et minérale (phosphate et carbonate de calcium). Les os sont irrigués. Les hématies et les leucocytes sont fabriqués en permanence dans la moelle osseuse des épiphyses (extrémité des os longs). Au début, les os longs sont constitués uniquement de cartilage. Le périoste produit alors tout autour des couches de matière osseuse : ossification périostique. Des points d’ossification apparaissent au niveau des épiphyses et de la diaphyse (partie centrale de l’os). Par la suite, la croissance en longueur est due aux cartilages de conjugaison qui subsistent entre les épiphyses et la diaphyse. A partir de ces cartilages, de la matière osseuse est fabriquée sur les os longs aux 2 extrémités, sur les os des phalanges à une des extrémités. Par prolifération des cartilages de conjugaison, les os s’allongent. Entre 15 et 20 ans, les cartilages de croissance cessent de fonctionner, la diaphyse est soudée aux épiphyses, la croissance en longueur s’arrête. La croissance en épaisseur s’effectue à partir de la couche périphérique de l’os : le périoste. A ce niveau des couches nouvelles s’ajoutent tout au long de la vie (destruction des plus anciennes, côté canal médullaire). L’os peut se consolider mais aussi se réparer en cas de fracture. 235 6. De la naissance… à la puberté… à l’âge adulte (fin) L’évolution des dentitions Les dents sont des organes vivants. Au centre de la dent, la pulpe est un tissu conjonctif irrigué et innervé. La partie principale de la dent est constitué d’ivoire (matière analogue à l’os mais plus dure). La partie visible, la couronne est recouverte d’émail protecteur (substance la plus dure du corps humain). Une partie de la dent n’est pas visible, la racine, enfoncée dans la mâchoire. Elle est entourée d’une couche osseuse, le cément. Les dents de lait commencent à pousser à 6-7 mois et sont en place à l’âge de 3 ans. Les bourgeons des dents définitives sont présents sous les dents de lait. En se développant, entre 7 et 13 ans, les dents définitives entraînent la destruction de la racine des dents de lait qui tombent lorsqu’elles n’ont plus de racine pour les retenir. La dentition est représentée sous forme de fraction : la formule dentaire. Elle représente le nombre de dents d’une demi-mâchoire (côté droit ou gauche de la bouche). Le numérateur correspond au nombre de dents de la demi-mâchoire >, le dénominateur à celui de la demi-mâchoire <. • Dents de lait d’un enfant de 7 ans (20 dents) : 2I/2I + 1C/1C + 2PM/2PM • Dents d’un adulte (32 dents) 2I/2I + 1C/1C + 2PM/2PM + 3M/3M 236 7. La puberté Puberté : ensemble de transformations morphologiques et physiologiques qui affectent les adolescents entre 9 et 18 ans chez les filles et entre 12 et 18 ans chez les garçons. -Transformations dues aux premières secrétions d’hormones par les glandes sexuelles sous l’action des hormones du cerveau . (hormone : messager chimique secrété par une glande, véhiculé par le sang et agissant sur des structures cibles qui peuvent être très éloignées). -Transformations affectent : •les caractères sexuels primaires par une transformation notable : des organes génitaux externes (augmentation du volume des testicules et du pénis chez l’homme, augmentation du volume des lèvres génitales chez la femme) ; des glandes sexuelles qui commencent à devenir fonctionnelles : premières éjaculations (vers 12/14 ans) et premières ovulations (donc premières règles entre 10 et 14 ans) ; •les caractères sexuels secondaires qui apparaissent ou s’accentuent : transformation de la morphologie générale avec élargissement du bassin chez les femmes, élargissement des épaules et augmentation de la masse musculaire chez les hommes, apparitions des seins, apparition de la pilosité (pubis, aisselles, barbe) 237 modification du timbre de la voix chez les garçons 7. La puberté (fin) Schéma de la mise en place des caractères sexuels primaires et secondaires chez le garçon et chez la fille. 238 8. La contraception Genre Méthodes Masculine Le préservatif : • rôle contraceptif grâce au recueil du sperme au moment de l’éjaculation dans un fin étui en latex • meilleur rempart contre les infections sexuellement transmissibles (I.S.T.) qui restent fréquentes en France (chlamydiase, gonorrhée, SIDA…). La vasectomie : • ligature du canal déférent au niveau du scrotum. • méthode définitive. La contraception hormonale : … encore au stade expérimental. 239 8. La contraception (suite) Genre Féminine Méthodes La contraception hormonale : -effet principal : empêcher l’ovulation -pilules, patchs ou implants sous-cutané ou utérin. -très grande fiabilité. -« pilule du lendemain » : doses élevées d’un œstrogène et de progestérone qui bloquent l’ovulation et agissent sur la muqueuse utérine pour empêcher la nidation. La contraception mécanique : -le diaphragme. •cloche en matière synthétique coiffant le col de l’utérus et tapissant toute la cavité vaginale (idem avantages du préservatif masculin). •fiabilité liée au mode d’utilisation. -le stérilet •implanté dans l’utérus : action mécanique empêchant la nidation •comprend une gaine de cuivre : action spermicide (chimique). •très grande fiabilité mais déconseillé aux femmes n’ayant pas eu d’enfants. La contraception chimique : -sous forme de gélules ou de crèmes spermicides, en général associées avec un diaphragme. -fiabilité liée au mode d’utilisation. La contraception chirurgicale : -ligature des trompes, empêchant la rencontre entre ovule et spermatozoïde. -très grande fiabilité mais non réversible. 240 9. La procréation médicalement assistée -En cas de stérilité de l’un des deux partenaires -Adaptée en fonction du type de stérilité. • Lorsque les spermatozoïdes ne peuvent pas passer le col de l’utérus ou si l’homme est stérile (nombre de spermatozoïdes insuffisant ou absence de spermatozoïdes) : Insémination artificielle au moment de la période de fécondité en injectant du sperme (de l’homme ou d’un donneur) directement dans l’utérus au moyen d’une seringue • Lorsque les trompes sont bouchées : Pratique d’une FIV (Fécondation In Vitro). La femme est soumise à un traitement hormonal qui permet la maturation simultanée de plusieurs ovules en même temps. Ces ovules sont recueillis directement au niveau de l’ovaire et placés dans un milieu nutritif. Ils sont ensuite mis en présence des spermatozoïdes, le bon déroulement de la fécondation est surveillé sous microscope. Lorsque les embryons ont effectué leurs premières divisions cellulaires, ils sont implantés dans l’utérus dont la muqueuse a été préparée par le traitement hormonal. L’implantation est multiple pour avoir l’assurance que l’un au moins des embryons survivra. Cette implantation de plusieurs embryons en même temps peut conduire à une grossesse multiple. Le taux de réussite est d’environ 25%. • Lorsque les spermatozoïdes sont peu nombreux ou peu actifs : Idem précédemment mais en injectant directement, sous microscope, un spermatozoïde dans l’ovule à l’aide d’une micropipette. Les embryons sont ensuite implantés dans l’utérus. 241 10. Les jumeaux Il y a deux catégories de « jumeaux » : les vrais jumeaux et les faux jumeaux. - Les vrais jumeaux (ou triplés ou quadruplés) sont issus d’un même embryon (issu de la fusion d’ 1 ovule par 1 spermatozoïde) qui se fragmente spontanément lors de sa descente vers l’utérus. Les deux embryons ont donc le même patrimoine génétique et sont donc obligatoirement de même sexe. • Si la fragmentation se fait avant l’implantation dans la paroi utérine, on aura des jumeaux « biplacentaires » : chacun leur placenta et leur cavité amniotique. • Si la fragmentation se fait après l’implantation : placenta unique mais avec une ou deux cavités amniotiques (selon le moment de la scission), chacun des jumeaux avec son propre cordon ombilical. • Si la fragmentation est incomplète (généralement une fragmentation tardive) : naissance de bébés siamois dont le point de rattachement est fonction du lieu de la fragmentation. - Les faux jumeaux proviennent de la fécondation, par des spermatozoïdes différents, de deux ovules arrivés à maturité en même temps. Ils ont donc des patrimoines génétiques différents. Chaque embryon développe son propre placenta et sa propre cavité amniotique. Ils peuvent être de même sexe ou de sexes différents. 242 GEOLOGIE 243 Les séismes Les effets des séismes 1. Les séismes ont des conséquences sur le paysage et, en zones habitées, sur la population et les constructions. L’Echelle Macrosismique Européenne (E.M.S.) indique l’intensité d’un séisme, à un endroit donné, à partir de la description des effets sur l’Homme, les « objets », l’environnement. Il s’agit d’une échelle fermée, graduée de I (intensité la plus faible) à XII (intensité la plus forte). Suite à un séisme, en reportant sur une carte, les zones ayant subi les mêmes types de dommages, on délimite des zones de même intensité sismique : isoséistes. Les zones délimitées sont concentriques. La zone centrale est celle où l’intensité relevée sur l’échelle E.M.S. est la plus élevée et où les conséquences en surface sont les plus importantes. Elle est appelée : épicentre. 244 Les effets des séismes Les séismes laissent généralement en surface des terrains, des fractures : les failles, avec déplacement des parties séparées de part et d’autre de la zone de fracture. Ce déplacement peut être : - horizontal - vertical 245 L’enregistrement d’ondes sismiques L P S Un séisme se manifeste par des vibrations qui agitent le sol. Ces vibrations peuvent être enregistrées par des appareils : sismographes. Les enregistrements : sismogrammes correspondent à des ondes élastiques qui se propagent dans toutes les directions de l’espace. - les ondes P (premières) : les plus rapides. Vibrations longitudinales en compression (en milieux solides et liquides). - les ondes S (secondes) : vibrations (en milieux solides) transversales et en cisaillement perpendiculaires à la direction de propagation. Les ondes P et S sont des ondes de volume. -les ondes L (Love) et R (Raleigh), les plus lentes, superficielles. Les ondes L agitent le sol dans un plan horizontal perpendiculaire à leur direction de déplacement. Les ondes R déplacent les roches à la fois horizontalement et verticalement dans un plan vertical parallèle à la direction de 246 déplacement du front de l’onde. L’origine des séismes et la propagation des ondes sismiques Sans faille préexistante Avec faille préexistante Un séisme correspond à la rupture d’une roche soumise à des tensions : -En compression -En extension qui s’accumulent pendant des années voire des siècles. A la limite de la déformation élastique des roches, l’énergie accumulée est brutalement libérée au foyer du séisme sous forme : -de chaleur (70%) -d’ondes élastiques qui se propagent dans tous les directions de l’espace à partir du foyer. Elles atteignent la surface, en premier en un lieu situé à la verticale du foyer : l’épicentre (d’où les dégâts les plus importants). Les ondes sismiques se propagent en s’amortissant avec la distance parcourue. En fonction de la profondeur du foyer, on distingue: -Les séismes superficiels : 0 – 60 Km -Les séismes intermédiaires : 60 – 300 Km 247 -Les séismes profonds : 300 – 700 Km L’origine des séismes et la propagation des ondes sismiques (suite) On peut caractériser un séisme par : sa magnitude. La magnitude est une mesure de l’énergie libérée par la secousse. Elle correspond au logarithme de l’amplitude A (en mm) des ondes de surface mesurées à 100 Km de l’épicentre sur un sismographe donné. Cette « échelle » ou magnitude de Richter n’est pas bornée. La magnitude maximale connue est de 9,5 à ce jour (Chili 1960). Par rapport à un séisme de magnitude 5, un séisme de magnitude 6 se caractérise par : - une amplitude d’ondes > d’un facteur 10 - une libération d’énergie 30 fois >. 248 Les ondes sismiques et la structure du globe P, S P, S L’étude de la propagation des ondes de volume P et S à travers la Terre et de la variation de leurs vitesses a permis de délimiter les différentes couches constitutives du globe et de comprendre sa structure interne : -La vitesse de propagation des ondes P et S ne varie pas régulièrement avec la profondeur. Les irrégularités constatées correspondent à des modifications de la nature des matériaux ou à des changements physiques (variations de Pr., Tre). Les variations les plus spectaculaires correspondent aux discontinuités majeures qui délimitent les différentes couches de la planète. -Quelque soit la localisation du séisme, les lois de transmission des ondes sismiques restent les mêmes. La structure profonde du globe présente une symétrie sphérique. Le globe terrestre est donc constitué de couches concentriques. 249 La répartition des séismes à la surface de la Terre Les séismes sont particulièrement fréquents le long des reliefs sous-marins dorsales et fosses océaniques et au niveau des chaînes de montagne. Ces reliefs constituent les zones actives du globe où les roches sont en permanence soumises à de fortes contraintes. L’activité sismique est essentiellement : - superficielle au niveau des dorsales océaniques, - de superficielle à profonde des fosses océaniques aux chaînes de montagne en bordure continentale, 250 - intermédiaire au niveau des chaînes de montagne intracontinentales. La prévention du risque sismique Les séismes sont très difficiles à prévoir cependant les régions à risque sont connues. La prévention se révèle le moyen le plus efficace dans la protection de la vie et des biens. Les constructions parasismiques résistent mieux aux secousses sismiques mais avec un surcoût de 10% que seuls les pays riches peuvent se permettre. -des exercices fréquents, -une discipline et des consignes de sécurité apprises très tôt dès Cas des bâtiments l’école constituent une stratégie de de petite taille : prévention efficace. Unification du bâtiment en un seul bloc par des armatures métalliques. Chaînages empêchent l’écartement des murs. Cas des bâtiments de grande taille : -Construction d’une base bien implantée au sol -Édification de l’immeuble sur cette structure Immeubles accompagnent les secousses en ondulant sans se briser. 251 La prévention du risque sismique (suite) Risque sismique = Aléa sismique x Vulnérabilité est la possibilité pour un site ou une région de subir une secousse sismique de caractéristiques données dépendant de : •la périodicité du séisme, •la localisation de l’épicentre, •la profondeur du foyer, •le type de mouvement, •l’énergie développée (magnitude). dépend des personnes et des biens exposés à l’aléa : •de la population : de son niveau d’éducation, de son niveau économique et social, de la vétusté du bâti liée à la pauvreté, de l’existence ou non d’une culture sismique; •des constructions : de la qualité de la fondation, du mode de construction, des matériaux utilisés, des aménagements intérieurs. 252 En résumé… 253 Le Volcanisme Des éruptions volcaniques différentes -Caractéristiques générales2. Une éruption volcanique : - commence par une fissuration des roches en surface : séismes - se poursuit par l’arrivée en surface : d’un magma formé : de roches en fusion = laves de gaz qui les poussent de débris rocheux entraînés par la montée du magma. En fonction de leur taille : Cendre : < 2 mm Lapilli : 2 mm < d < 30 mm Scories : 30 mm < d < 64 mm Bombes 254 Des éruptions volcaniques différentes (suite) Le type effusif - Consistance de la lave : fluide et pH basique - Couleur de la lave après son refroidissement : sombre -Température de la lave > 1000°C (1200°C) - Produits émis : coulées, projections diverses, lac de lave - Edifice associé à ce type d’éruption : cône de scories - Modification du paysage : progressive et mineure Le type explosif - Consistance de la lave :visqueuse et pH acide - Couleur de la lave après son refroidissement : claire -Température de la lave > 800°C - Produits émis : Nuée ardente, panache de cendres - Edifice associé à ce type d’éruption : cratère d’explosion - Modification du paysage : instantanée et profonde 255 La structure d’un volcan Un volcan est le lieu de la croûte terrestre où de la lave et des gaz arrivent à la surface au travers de fractures. L’appareil volcanique prendra des formes différentes suivant la nature des laves émises. Volcan issu d’une éruption effusive -Fusion de roches surchauffées à certains endroits du manteau (plusieurs 10aines km de profondeur), formant un magma. -Migration lente du magma (densité plus faible que les terrains voisins)vers une ou plusieurs chambres magmatiques (quelques km sous l’édifice volcanique). -Volcan formé par l’accumulation des matériaux émis au cours des éruptions successives. -Reprise de l’ascension des roches fondues vers la surface, sous l’action des gaz dissous, via des fissures qui constituent la cheminée. -Lors de la remontée : diminution de la pression, dilatation des gaz et exercice d’une poussée encore plus forte. Volcan issu d’une éruption explosive 256 Du magma à la roche volcanique La roche volcanique est issue de solidification de la lave suite à son refroidissement. Les basaltes sont des roches issues du refroidissement des laves basiques produites lors des éruptions effusives. Les andésites constituent un exemple de roches issues du refroidissement des laves acides visqueuses produites lors des éruptions explosives (comme les dacites, les trachytes). Le basalte renferme : - olivine, - pyroxène, - feldspath -Toutes les roches volcaniques : une structure microlitique (avec des cristaux de taille très différente). -Taille des cristaux dépend de la vitesse V de refroidissement de la lave : V lente : cristaux de grande taille = phénocristaux V très rapide : matière fondue non cristallisée = verre volcanique V intermédiaire : cristaux de petite taille = microlites D’où : Phénocristaux formés en profondeur dans la chambre magmatique (V lente) Microlites formés pendant la remontée dans la cheminée (V intermédiaire) Verre formé en surface (V très rapide). L’andésite renferme : - pyroxène, - biotite, - plagioclases 257 La répartition des volcans à la surface de la Terre Les magmas se forment là où des conditions particulières entraînent la fusion des roches en profondeur : - volcans explosifs alignés autour de l’Océan Pacifique, en bordure des continents et près des fosses océaniques. - volcans effusifs isolés sur les continents ou à l’origine d’une île au milieu de l’océan. 258 - volcanisme effusif sous-marin au niveau des dorsales océaniques. La prévision et la prévention des risques volcaniques Eruptions volcaniques assez faciles à prévoir dans une fourchette de temps large : des sismographes enregistrent les étapes de la montée du magma dans la cheminée à travers les tremblements de terre qu’elle provoque, des inclinomètres mesurent les modifications des pentes du volcan liées à son gonflement, des distançomètres laser mesurent les variations de distance entre deux points, des signes avant-coureurs de l’éruption interviennent : émissions de gaz, de cendre, … analysées ou filmées par des caméras sur place et des satellites de surveillance. Par leur histoire, leur mode de fonctionnement effusif ou explosif : la dangerosité des volcans est évaluée - volcans effusifs pas à peu dangereux volcans explosifs dangereux des préventions liées aux activités humaines sont dégagées. 259 En résumé… 260 3. La tectonique des plaques Des zones stables à la surface du globe et des frontières actives (séismes/ volcanisme) 261 La surface du globe découpée en plaques -Surface du globe découpée en parcelles ou plaques (une 12aine de grande à petite) -Frontières des plaques : alignements sismiques et volcaniques -Épaisseur : une 100aine de Km -Constitution : croûte + manteau > = lithosphère 262 Le mouvement des plaques -Les plaques lithosphériques reposent sur l’asthénosphère ductile du manteau -Les plaques sont en mouvement les unes par rapport aux autres : en écartement au niveau des dorsales océaniques (zones de divergence) en rapprochement (zones de convergence) en coulissage 263 Un exemple de frontière entre plaques qui… s’écartent : « la dorsale Atlantique » - Dorsale océanique : relief sous-marin, quelques 100aine km de large et 60 000 Km de longueur. -Axe de la dorsale : frontière entre 2 plaques en divergence (ici plaque S.A. et plaque A.) -Mouvements de divergence entrainent : • amincissement de la lithosphère, •fissuration des terrains, •montée de magma- volcanisme effusif- avec mise en place de laves de basalte qui remplissent les fissures (solidification très rapide en forme de « pillow-lava »), •formation et expansion continue d’un plancher océanique de part et d’autre de l’axe de la dorsale tant que se maintient la divergence. -Vitesse d’expansion : • dorsales rapides : 8 cm/an (dans le Pacifique : océan avec zones de subduction ) • dorsales lentes : 4 cm/an (dans l’Atlantique 264 sans zone de subduction). Un exemple de plaques qui… se rapprochent : La subduction de la plaque du Nazca sous la plaque Sud-Am. -Zone de subduction : frontière entre plaques en convergence, caractérisée par la présence d’une fosse océanique, à l’arrière de laquelle se manifestent séismes et volcanisme explosif. -Origine de la fosse : enfoncement de la plaque océanique créée au niveau de la dorsale qui, devenue très dense par refroidissement, plonge dans l’asthénosphère comparativement moins dense, … en courbant la plaque continentale. -Origine des séismes : les frottements et les relaxations liés à l’enfoncement de la plaque océanique sous l’autre plaque lithosphérique avec des foyers répartis suivant un plan incliné. -Origine du volcanisme explosif : dans sa plongée, la plaque océanique se déshydrate et provoque la fusion partielle de 265 la lithosphère sus-jacente par un apport d’eau : lave épanchée de type andésitique. • Un exemple de plaques qui… se rapprochent (suite): La collision à l’origine des Alpes -250 Ma : la zone alpine constituée de lithosphère continentale est soumise à une distension (dans le sens N-W/S-E) et est le lieu d'une ouverture d'un rift continental (déchirure suite à l’étirement et l’amincissement de la lithosphère continentale). -140 Ma : le « rifting » se poursuit par l'ouverture de l‘Océan Alpin, c'est-à-dire par la formation de lithosphère océanique séparant la plaque européenne à l'ouest de la plaque adriatique à l'est. L‘Océan Alpin continue de s'agrandir jusqu'à - 80 Ma accompagné par l’expansion de l’Atlantique Central contemporain et le coulissage de la plaque africaine vers l’E. -50 Ma : l’ouverture de l’Atlantique Sud provoque une rotation de la plaque africaine vers le NN-W qui va ainsi à la rencontre de l’Europe; il y a résorption de l’Océan Alpin par subduction de la plaque européenne sous la plaque adriatique (appartenant à la plaque africaine), puis collision. 266 • Un exemple de plaques qui… se rapprochent (suite): La collision à l’origine des Alpes (suite) 267 Un exemple de plaques qui… se rapprochent (suite): La collision à l’origine des Alpes (suite) 1- Eloignement de la plaque européenne A de la plaque adriatique B suite au fonctionnement d’une dorsale. 2- Fin de l’accrétion océanique, le mouvement de la plaque européenne s’inverse, son plancher océanique A plonge sous la plaque adriatique B 3- Tout le plancher océanique de la plaque européenne disparaît dans l’asthénosphère ; le plancher de la plaque adriatique B passe sur le continent de la plaque européenne et lui fait subir un plissement perpendiculairement à la poussée. 4- Le plancher océanique de la plaque adriatique B se sépare du continent, il constitue une suture ophiolitique (constituée de basaltes notamment) coincée entre les 2 masses continentales qui marque la limite entre les 2 plaques. 268 Le moteur de la tectonique des plaques - Existence d’un gradient thermique de 30 C/km en moyenne dans la croûte continentale, [90 C/km dans certaines régions, 10 C/km dans d'autres]. - Constat d’une répartition très inégale du flux géothermique à la surface du globe, avec des zones à flux élevé (notamment dans l’axe des dorsales) et d’autres à flux faible (au niveau des fosses océaniques) - Origine de la chaleur interne : essentiellement la désintégration de certains isotopes radioactifs. - L'énergie produite à l'intérieur de globe gagne la surface de la Terre par: •Conduction : transfert de proche en proche de la chaleur du noyau et surtout du manteau (plus radioactif) vers la surface ; •Convection en déplaçant une matière chaude des profondeurs du manteau ductile vers la surface lors des accrétions au niveau des dorsales et en faisant replonger des plaques froides dans le manteau lors des subductions. C'est le moteur de la tectonique des plaques. 269 Le moteur de la tectonique des plaques (suite) - Convection mantellique entraîne, par friction sur la base de la lithosphère : •des zones de contraintes en distension, • des zones de contraintes en compression, qui provoquent des mouvements et des déformations de la lithosphère et des roches qui la composent. -Distension provoque un amincissement à l'échelle de la croûte et la création de Rift. Si distension se poursuit : séparation de la plaque en deux parties, avec éloignement et création d'un océan. - Compression amène la convergence de 2 plaques et leur affrontement. Affrontement de 2 plaques à croûte continentale : lieu d'un épaississement de la croûte continentale, avec 270 formation de reliefs. • Le bilan dynamique de la lithosphère Mise en place d’une nouvelle lithosphère océanique, c’est-àdire du plancher océanique à partir du rift d’une dorsale océanique Couches sédimentaires déposées sur le plancher océanique et entraînées vers une fosse océanique par le phénomène de subduction et où elles s’empilent les unes sur les autres. 271 Le cycle de la lithosphère A l'échelle de l'histoire de la Terre, la reconstitution du mouvement des plaques donne lieu à des modèles ou cycles, faisant alterner des périodes : - où les continents sont disloqués - des périodes où les continents sont réunis en une masse supercontinentale (Pangée). On a donné le nom de "cycle de Wilson" au cycle : - démarrant par un nouveau rift, - se poursuivant par la création de plaque océanique et la subduction, - se terminant par la collision continentale. Un tel cycle pourrait durer de 300 à 500 MA. Le dernier cycle a aboutit à la constitution de la Pangée, il y a 280 MA, dont l'éclatement n'est pas encore achevé de nos jours. N.B. : déclenchement de l’éclatement en raison d’une conduction thermique gênée vers la surface par la masse super272 continentale. En résumé… 273