Cours de SVT en ligne :

De l’oeil au cerveau : quelques aspects de la vision

La tectonique des plaques : l’histoire d’un modèle

Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique

Féminin, masculin

Enjeux planétaires contemporains

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Thème 1. La Terre dans l’Univers, la vie et l’évolution du vivant

Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique

La tectonique des plaques : l’histoire d’un modèle

Thème 2 – Enjeux planétaires contemporains

Tectonique des plaques et géologie appliquée

Nourrir l’humanité

Thème 3 – Corps humain et santé

Féminin, masculin

Variation génétique et santé

De l’oeil au cerveau : quelques aspects de la vision

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Thème 1. La Terre dans l’Univers, la vie et l’évolution du vivant

Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique

Reproduction conforme de la cellule et réplication de l’ADN

Les chromosomes sont des structures constantes des cellules eucaryotes qui sont dans des états de condensation variables au cours du cycle cellulaire.
En général la division cellulaire est une reproduction conforme qui conserve toutes les caractéristiques du caryotype (nombre et morphologie des chromosomes).

Chaque chromatide contient une molécule d’ADN. Au cours de la phase S, l’ADN subit la réplication semi-conservative. En absence d’erreur, ce phénomène préserve, par copie conforme, la séquence des nucléotides.
Ainsi, les deux cellules filles provenant par mitose d’une cellule mère possèdent la même information génétique.

Variabilité génétique et mutation de l’ADN

Pendant la réplication de l’ADN surviennent des erreurs spontanées et rares, dont la fréquence est augmentée par l’action d’agents mutagènes. L’ADN peut aussi être endommagé en dehors de la réplication.
Le plus souvent l’erreur est réparée par des systèmes enzymatiques. Quand elle ne l’est pas, si les modifications n’empêchent pas la survie de la cellule, il apparaît une mutation, qui sera transmise si la cellule se divise.

Une mutation survient soit dans une cellule somatique (elle est ensuite présente dans le clone issu de cette cellule) soit dans une cellule germinale (elle devient alors héréditaire). Les mutations sont la source aléatoire de la diversité des allèles, fondement de la biodiversité.

L’expression du patrimoine génétique

La séquence des nucléotides d’une molécule d’ADN représente une information. Le code génétique est le système de correspondance mis en jeu lors de la traduction de cette information. À quelques exceptions près, il est commun à tous les êtres vivants.
Les portions codantes de l’ADN comportent l’information nécessaire à la synthèse de chaînes protéiques issues de l’assemblage d’acides aminés.

Chez les eucaryotes, la transcription est la fabrication, dans le noyau, d’une molécule d’ARN pré-messager, complémentaire du brin codant de l’ADN. Après une éventuelle maturation, l’ARN messager est traduit en protéines dans le cytoplasme.
Un même ARN pré-messager peut subir, suivant le contexte, des maturations différentes et donc être à l’origine de plusieurs protéines différentes.

L’ensemble des protéines qui se trouvent dans une cellule (phénotype moléculaire) dépend :
– du patrimoine génétique de la cellule (une mutation allélique peut être à l’origine d’une protéine différente ou de l’absence d’une protéine) ;
– de la nature des gènes qui s’expriment sous l’effet de l’influence de facteurs internes et externes variés.
Le phénotype macroscopique dépend du phénotype cellulaire, lui-même induit par le phénotype moléculaire.

Thème 2 – Enjeux planétaires contemporains

Tectonique des plaques et géologie appliquée

La tectonique des plaques : l’histoire d’un modèle

Au début du XXème siècle, les premières idées évoquant la mobilité horizontale s’appuient sur quelques constatations :
– la distribution bimodale des altitudes (continents/océans) ;
– les tracés des côtes ;
– la distribution géographique des paléoclimats et de certains fossiles.
Ces idées se heurtent au constat d’un état solide de la quasi-totalité du globe terrestre établi, à la même époque, par les études sismiques. L’idée de mobilité horizontale est rejetée par l’ensemble de la communauté scientifique.

L’interprétation actuelle des différences d’altitude moyennes entre les continents et les océans

La différence d’altitude observée entre continents et océans reflète un contraste géologique. Les études sismiques et pétrographiques permettent de caractériser et de limiter deux grands types de croûtes terrestres : une croûte océanique essentiellement formée de basalte et de gabbro et une croûte continentale constituée entre autres de granite. La croûte repose sur le manteau, constitué de péridotite.

L’hypothèse d’une expansion océanique et sa confrontation à des constats nouveaux

Au début des années 1960, les découvertes de la topographie océanique et des variations du flux thermique permettent d’imaginer une expansion océanique par accrétion de matériau remontant à l’axe des dorsales, conséquence d’une convection profonde.
La mise en évidence de bandes d’anomalies magnétiques symétriques par rapport à l’axe des dorsales océaniques, corrélables avec les phénomènes d’inversion des pôles magnétiques (connus depuis le début du siècle), permet d’éprouver cette hypothèse et de calculer des vitesses d’expansion.

Le concept de lithosphère et d’asthénosphère

Au voisinage des fosses océaniques, la distribution spatiale des foyers des séismes en fonction de leur profondeur s’établit selon un plan incliné.
Les différences de vitesse des ondes sismiques qui se propagent le long de ce plan, par rapport à celles qui s’en écartent, permettent de distinguer : la lithosphère de l’asthénosphère.
L’interprétation de ces données sismiques permet ainsi de montrer que la lithosphère s’enfonce dans le manteau au niveau des fosses dites de subduction.
La limite inférieure de la lithosphère correspond généralement à l’isotherme 1300° C.

Un premier modèle global : une lithosphère découpée en plaques rigides

À la fin des années soixante, la géométrie des failles transformantes océaniques permet de proposer un modèle en plaques rigides. Des travaux complémentaires parachèvent l’établissement de la théorie de la tectonique des plaques en montrant que les mouvements divergents (dorsales), décrochants (failles transformantes) et convergents (zones de subduction) sont cohérents avec ce modèle géométrique.
Des alignements volcaniques, situés en domaine océanique ou continental, dont la position ne correspond pas à des frontières de plaques, sont la trace du déplacement de plaques lithosphériques au dessus d’un point chaud fixe, en première approximation, dans le manteau.

Le renforcement du modèle par son efficacité prédictive

Le modèle prévoit que la croûte océanique est d’autant plus vieille qu’on s’éloigne de la dorsale. Les âges des sédiments en contact avec le plancher océanique (programme de forage sous-marins JOIDES) confirment cette prédiction et les vitesses prévues par le modèle de la tectonique des plaques.
Le modèle prévoit des vitesses de déplacements des plaques (d’après le paléomagnétisme et les alignements de volcans intraplaques). Avec l’utilisation des techniques de positionnement par satellites (GPS), à la fin du XXème siècle, les mouvements des plaques deviennent directement observables et leurs vitesses sont confirmées.

L’évolution du modèle : le renouvellement de la lithosphère océanique

En permanence, de la lithosphère océanique est détruite dans les zones de subduction et produite dans les dorsales. La divergence des plaques de part et d’autre de la dorsale permet la mise en place d’une lithosphère nouvelle à partir de matériaux d’origine mantélique. Dans les zones de subduction, les matériaux de la vieille lithosphère océanique s’incorporent au manteau.

Thème 2 – Enjeux planétaires contemporains

Tectonique des plaques et géologie appliquée

Le modèle de la tectonique des plaques constitue un cadre intellectuel utile pour rechercher des gisements pétroliers.
La tectonique globale peut rendre compte :
– d’un positionnement géographique du bassin favorable au dépôt d’une matière organique abondante et à sa conservation ;
– d’une tectonique en cours de dépôt (subsidence) et après le dépôt qui permettent l’enfouissement et la transformation de la matière organique puis la mise en place du gisement.
La rare coïncidence de toutes ces conditions nécessaires explique la rareté des gisements dans l’espace et le temps.

Nourrir l’humanité

La production végétale : utilisation de la productivité primaire

Un écosystème naturel est constitué d’un biotope et d’une biocénose. Son fonctionnement d’ensemble est permis par la productivité primaire qui, dans les écosystèmes continentaux, repose sur la photosynthèse des plantes vertes.

L’agriculture repose sur la constitution d’agrosystèmes gérés dans le but de fournir des produits (dont les aliments) nécessaires à l’humanité.
Un agrosystème implique des flux de matière (dont l’eau) et d’énergie qui conditionnent sa productivité et son impact environnemental.

L’exportation de biomasse, la fertilité des sols, la recherche de rendements posent le problème de l’apport d’intrants dans les cultures (engrais, produits phytosanitaires, etc.).
Le coût énergétique et les conséquences environnementales posent le problème des pratiques utilisées. Le choix des techniques culturales vise à concilier la nécessaire production et la gestion durable de l’environnement.

La production animale : une rentabilité énergétique réduite

Dans un écosystème naturel, la circulation de matière et d’énergie peut être décrite par la notion de pyramide de productivité.
Dans un agrosystème, le rendement global de la production par rapport aux consommations (énergie, matière) dépend de la place du produit consommé dans la pyramide de productivité.
Ainsi, consommer de la viande ou un produit végétal n’a pas le même impact écologique.

Pratiques alimentaires collectives et perspectives globales

À l’échelle globale, l’agriculture cherche à relever le défi de l’alimentation d’une population humaine toujours croissante. Cependant, les limites de la planète cultivable sont bientôt atteintes : les ressources (eau, sol, énergie) sont limitées tandis qu’il est nécessaire de prendre en compte l’environnement pour en assurer la durabilité

Thème 3 – Corps humain et santé

Féminin, masculin

Devenir femme ou homme

Les phénotypes masculin et féminin se distinguent par des différences anatomiques, physiologiques, et chromosomiques.
La mise en place des structures et de la fonctionnalité des appareils sexuels se réalise, sous le contrôle du patrimoine génétique, sur une longue période qui va de la fécondation à la puberté, en passant par le développement embryonnaire et foetal.

Sexualité et procréation

La puberté est la dernière étape de la mise en place des caractères sexuels.
Chez l’homme et la femme, le fonctionnement de l’appareil reproducteur est contrôlé par un dispositif neuroendocrinien qui fait intervenir l’hypothalamus, l’hypophyse et les gonades.

La connaissance de ces mécanismes permet de comprendre et de mettre au point des méthodes de contraception féminine préventive (pilules contraceptives) ou d’urgence (pilule du lendemain). Des méthodes de contraception masculine hormonale se développent.
D’autres méthodes contraceptives existent, dont certaines présentent aussi l’intérêt de protéger contre les infections sexuellement transmissibles.

L’infertilité des couples peut avoir des causes variées. Dans beaucoup de cas, des techniques permettent d’aider les couples à satisfaire leur désir d’enfant : insémination artificielle, Fivete, ICSI.

Sexualité et bases biologiques du plaisir

L’activité sexuelle est associée au plaisir. Le plaisir repose notamment sur des phénomènes biologiques, en particulier l’activation dans le cerveau des « systèmes de récompense ».

Variation génétique et santé

Patrimoine génétique et maladie

La mucoviscidose est une maladie fréquente, provoquée par la mutation d’un gène qui est présent sous cette forme chez une personne sur 40 environ. Seuls les homozygotes pour l’allèle muté sont malades.
Le phénotype malade comporte des aspects macroscopiques qui s’expliquent par la modification d’une protéine. L’étude d’un arbre généalogique permet de prévoir le risque de transmission de la maladie.
On limite les effets de la maladie en agissant sur des paramètres du milieu. La thérapie génétique constitue un espoir de correction de la maladie dans les cellules pulmonaires atteintes.

Le plus souvent, l’impact du génome sur la santé n’est pas un déterminisme absolu. Il existe des gènes dont certains allèles rendent plus probable le développement d’une maladie sans pour autant le rendre certain. En général les modes de vie et le milieu interviennent également, et le développement d’une maladie dépend alors de l’interaction complexe entre facteurs du milieu et génome.
Un exemple de maladie (maladie cardiovasculaire, diabète de type II) permet d’illustrer le type d’études envisageables.

Perturbation du génome et cancérisation

Des modifications accidentelles du génome peuvent se produire dans des cellules somatiques et se transmettre à leurs descendantes. Elles sont à l’origine de la formation d’un clone cellulaire porteur de ce génome modifié. La formation d’un tel clone est parfois le commencement d’un processus de cancérisation.
Des modifications somatiques du génome surviennent par mutations spontanées ou favorisée par un agent mutagène. D’autres sont dues à des infections virales.
La connaissance de la nature des perturbations du génome responsable d’un cancer permet d’envisager des mesures de protection (évitement des agents mutagènes, surveillance, vaccination).

Variation génétique bactérienne et résistance aux antibiotiques

Des mutations spontanées provoquent une variation génétique dans les populations de bactéries. Parmi ces variations, certaines font apparaître des résistances aux antibiotiques.
L’application d’un antibiotique sur une population bactérienne sélectionne les formes résistantes et permet leur développement. L’utilisation systématique de traitements antibiotiques peut augmenter la fréquence des formes résistantes par sélection naturelle.

De l’oeil au cerveau : quelques aspects de la vision

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Le cristallin : une lentille vivante

Le cristallin est l’un des systèmes transparents de l’oeil humain. Il est formé de cellules vivantes qui renouvellent en permanence leur contenu. Les modalités de ce renouvellement sont indispensables à sa transparence.
Des anomalies de forme du cristallin expliquent certains défauts de vision. Avec l’âge sa transparence et sa souplesse peuvent être altérées.

Les photorécepteurs : un produit de l’évolution

La rétine est une structure complexe qui comprend les récepteurs sensoriels de la vision appelés photorécepteurs. Celle de l’Homme contient les cônes permettant la vision des couleurs (3 types de cônes respectivement sensibles au bleu, au vert et au rouge) et les bâtonnets sensibles à l’intensité lumineuse.
Les gènes des pigments rétiniens constituent une famille multigénique (issue de duplications) dont l’étude permet de placer l’Homme parmi les Primates.
Des anomalies des pigments rétiniens se traduisent par des perturbations de la vision des couleurs.
Le message nerveux issu de l’oeil est acheminé au cerveau par le nerf optique.

Cerveau et vision : aires cérébrales et plasticité

Plusieurs aires corticales participent à la vision. L’imagerie fonctionnelle du cerveau permet d’observer leur activation lorsque l’on observe des formes, des mouvements. La reconnaissance des formes nécessite une collaboration entre les fonctions visuelles et la mémoire.

Des substances comme le LSD perturbent le fonctionnement des aires cérébrales associées à la vision et provoquent des hallucinations qui peuvent dériver vers des perturbations cérébrales graves et définitives.

La mise en place du phénotype fonctionnel du système cérébral impliqué dans la vision repose sur des structures cérébrales innées, issues de l’évolution et sur la plasticité cérébrale au cours de l’histoire personnelle.
De même la mémoire nécessaire par exemple à la reconnaissance d’un visage ou d’un mot repose sur la plasticité du cerveau.
L’apprentissage repose sur la plasticité cérébrale. Il nécessite la sollicitation répétée des mêmes circuits neuroniques.

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