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Nouveau programme 2012

T erm S SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRECollection A. Duco

Enseignement spécifi que 3

Enseignement de spécialité 147

LIVRE DU PROFESSEUR

© Éditions Belin 2012

Le code de la propriété intellectuelle n"autorise que " les copies ou reproductions strictement réservées à l"usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective » [article L. 122-5] ; il autorise

également les courtes citations effectuées dans un but d"exemple ou d"illustration. En revanche " toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle, sans le consentement de l"auteur ou de

ses ayants droit ou ayants cause, est illicite » [article L. 122-4]. La loi 95-4 du 3 janvier 1994 a confi é au C.F.C. (Centre français de l"exploitation du droit de copie, 20, rue des Grands-Augustins, 75 006

Paris), l"exclusivité de la gestion du droit de reprographie. Toute photocopie d"oeuvres protégées, exécutée sans son accord préalable, constitue une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et

suivants du Code pénal. © Éditions Belin, 2012 ISBN 978-2-7011-6261-4

Toutes les références à des sites Internet présentées dans cet ouvrage ont été vérifi ées attentivement à la date d'impression. Compte tenu de la volatilité des sites et du détournement possible de leur

adresse, les éditions Belin ne peuvent en aucun cas être tenues pour responsables de leur évolution. Nous appelons donc chaque utilisateur à rester vigilant quant à leur utilisation.

Composition : Marina Smid - SG Production

Schémas : Coredoc - Laurent Blondel

Couverture : © Michel Vaartjes/Fotonatura/Biosphoto - © Wim van Egmond/Visuals Unlimited/Getty

© Éditions Belin 2012

Nouveau programme 2012

T erm S SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRECollection A. Duco

LIVRE DU PROFESSEUR

Directeur d"ouvrage

André Duco

Auteurs

Audrey Carpentier

Frédéric Celle

Pierre Chareyron

Grégoire Daoust

Pauline Deyme

Hervé Froissard

Laurent Geray

Céline Mémeteau

Claire Olive

Jean-Michel Picoche

Samuel Rebulard

Lucas Salomon

Andaine Seguin

Romina Seyed

Didier Thomas

Anne Woehrlé

Coordinateur pédagogique

Claude Censier

Conseillers scientifi ques

Rémi Cadet

Ludovic Orlando

André Schaaf

Enseignement spécifi que

© Éditions Belin 2012

THÈME 1 Génétique, diversifi cation

et évolution du vivant 5 Chapitre 1 Brassage génétique et diversifi cation des génomes 5

Chapitre 2 La diversifi cation du vivant 16

Chapitre 3 De la diversifi cation des êtres vivants

à l"évolution de la biodiversité 21

Chapitre 4 Un regard sur l"évolution de l"Homme 25

EXERCICES DU THÈME 1 35

THÈME 2 Relation entre organisation

et mode de vie des plantes à fl eur 41
Chapitre 1 Organisation des plantes à fl eurs et vie fi xée 41 Chapitre 2 Reproduction des plantes à fl eurs et vie fi xée 45

EXERCICES DU THÈME 2 50

THÈME 3 Le domaine continental et sa dynamique 55 Chapitre 1 Caractérisation du domaine continental 55 Chapitre 2 La formation des chaînes de montagnes 62 Chapitre 3 La production de nouveaux matériaux continentaux 67

Chapitre 4 La disparition des reliefs 73

EXERCICES DU THÈME 3 77

THÈME 4 Enjeux planétaires contemporains 83 Chapitre 1 Géothermie et propriétés thermiques de la Terre 83

Chapitre 2 La plante domestiquée 88

EXERCICES DU THÈME 4 93

THÈME 5 Le maintien de l"intégrité de l"organisme 97 Chapitre 1 La réaction infl ammatoire, une manifestation de l"immunité innée 97

Chapitre 2 L"immunité adaptative 104

Chapitre 3 Le phénotype immunitaire au cours de la vie 112

EXERCICES DU THÈME 5 115

THÈME 6 Neurone et fi bre musculaire :

la communication nerveuse 121
Chapitre 1 Les réfl exes myotatiques, un exemple de commande nerveuse du muscle 121 Chapitre 2 Motricité, volonté et plasticité cérébrale 125

EXERCICES DU THÈME 6 128

SOMMAIRE

© Éditions Belin 2012

5THÈME 1 - CHAPITRE 15

CHAPITRE 1Brassage génétique et diversification des génomes

UNITÉ

[pp. 18-19 du manuel de l"élève]1 Connaissances du programme Capacités et attitudes mises en œuvre dans l"unité • Objectifs et mots-clés : Stabilité des caryotypes

Exploitation des documents par les activités

L"activité proposée est présentée sous la forme d"une tâche com- plexe : il s"agit pour l"élève de mobiliser des connaissances, de mettre en œuvre des capacités et attitudes afin de répondre à une problématique globale. L"élève construit sa propre démarche, en utilisant les ressources dont il dispose. S"il le souhaite, il peut s"aider des conseils proposés. (Extraire et organiser des informations à partir de documents, rai- sonner avec rigueur, communiquer à l"écrit) La comparaison des cycles de développement de l"Homme (doc. 3) et de la Drosophile (doc. 6) montre qu"au cours de chaque cycle, il y a alternance d"une phase haploïde (c"est-à-dire où les cellules comportent n chromosomes, doc. 1) et d"une phase diploïde (c"est-à-dire où les cellules comportent 2n chromosomes, doc. 1). La majeure partie du cycle, qui correspond au développement du zygote en individu adulte, constitue la phase diploïde alors que la phase haploïde est réduite aux gamètes (doc. 1, 2 et 5). La méiose permet de passer de la phase diploïde à la phase haploïde (des cellules germinales aux gamètes) alors que la fécondation permet de passer de la phase haploïde à la phase diploïde (des gamètes au zygote) (doc. 3 et 6). Finalement, la stabilité du caryotype de chaque espèce est assurée par l"alternance, au cours du cycle de développement, de deux mécanismes biologiques compensatoires : la méiose, qui " divise par 2 » le nombre de chromosomes, et la fécondation, qui " multi- plie par 2 » le nombre de chromosomes au cours du cycle. Un exemple de schéma attendu figure dans le bilan de l"unité à la page 30.

Conseils et suggestions

- La page d"ouverture du chapitre peut être utilisée pour aborder la notion de reproduction sexuée au sein d"une espèce et de trans- mission des caractères d"une génération à la suivante. La diversité des pelages des 3 chatons illustre la diversité génétique des des- cendants issus d"une reproduction sexuée. - L"objectif de ce chapitre est d"étudier les aspects génétiques liés à la reproduction sexuée, en se limitant au cas des organismes pluri- cellulaires, et plus particulièrement aux organismes animaux. Cette étude passe par des analyses de cycles de développement associés à des caryotypes, des observations de phénomènes cytologiques (cellules en cours de méiose et de fécondation) et des analyses de croisements. En fin de chapitre, sont abordées les anomalies pouvant survenir au cours de la reproduction sexuée ainsi que leurs conséquences à l"échelle de l"individu et de l"espèce. L"exercice 4 p. 37 évoque la reproduction sexuée chez les végétaux ; il permet d"amener l"élève à réaliser que les processus décrits chez les ani- maux existent aussi chez les végétaux. - Lors de cette première unité, l"élève est amené à montrer que les mécanismes qui sous-tendent la reproduction sexuée (méiose, fécondation) permettent d"assurer la stabilité du caryotype des individus d"une même espèce au fil des générations. - La démarche suivie dans cette unité consiste à comparer les cycles de développement de l"espèce humaine (exemple choisi car consi- déré comme le plus proche du vécu des élèves) et de la drosophile (animal choisi dans la majorité des documents des unités sui- vantes : il s"agit de l"un des principaux animaux modèles en géné- tique) et de les mettre en relation avec des données caryotypiques. - L"exercice 2 p. 36 conduit les élèves à manier la notion de ploïdie. - Un tableau récapitulant le nombre de chromosomes dans le caryotype de différents êtres vivants est disponible à l"adresse sui- vante (sujet de CAPES interne 1998) : http://www.ac-nancy-metz.

THÈME 1 - CHAPITRE 15

GÉNÉTIQUE, DIVERSIFICATION ET ÉVOLUTION DU VIVANTTHÈME 1

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THÈME 1 - CHAPITRE 16THÈME 1 - CHAPITRE 16

- L"objectif de cette unité est de mettre en évidence les événe- ments cellulaires et chromosomiques qui ont lieu au cours de la méiose. - Cette unité s"appuie notamment sur des observations microsco- piques d"une cellule-mère de grain de pollen de Lis tout au long de sa méiose au sein d"une anthère (doc. 1). Bien que le programme insiste sur la production de gamètes chez les animaux, ce matériel végétal a été choisi pour observer le déroulement de la méiose dans son intégralité car il fournit des observations de belle qua- lité et faciles à interpréter. Il est possible d"utiliser des lames du commerce ou de réaliser une coupe d"anthère de Lis en classe : un protocole est disponible à l"adresse suivante www.ac-grenoble.fr/ - Les autres clichés de méiose (doc. 2 et 3) sont tous deux issus d"articles scientifiques (voir le fichier de références sur le site compagnon du manuel (http://www.libtheque.fr/svtlycee)). Ils ont été choisis pour insister sur les phases-clés qui font de la méiose une division particulière (prophase I et appariement des chromosomes homologues, métaphase-anaphase I et séparation des chromosomes homologues). - En classe, l"observation microscopique de figures de méiose peut également être réalisée grâce à des lames du commerce utilisant comme support l"Ascaris (gamétogenèse) ou la Fougère (sporoge- nèse), ou bien en réalisant une préparation microscopique de testi- cules de criquets fraîchement tués. Des protocoles sont disponibles aux adresses suivantes : www.ac-grenoble.fr/disciplines/svt/ file/TS_Fich-criquet.doc ; http://espace-svt.ac-rennes.fr/applic/ meiose/criquet1/criquet03.htm (protocole associé à des photos). - Une photo d"ovocyte de souris en anaphase I est dispo- nible à l"adresse suivante : http://igdr.univ-rennes1.fr/equipes/ recherche_equipe.php ?domaine=&equipe=44&resp_equipe= Les mécanismes de la méiose [pp. 20-21 du manuel de l"élève] 2

UNITÉ

• La méiose est la succession de deux divisions cellulaires précédée comme toute division d"un doublement de la quantité d"ADN (réplication). Dans son schéma général, elle produit quatre cellules haploïdes à partir d"une cellule diploïde.

Limites :

La nomenclature des phases de la méiose n"est pas exigible. La description cytologique de la méiose s"appuie sur le seul cas de la production de gamètes chez les animaux diploïdes à cycle monogénétique. • Ordonner et interpréter des observations microscopiques de cellules en méiose (doc. 1 à 4). • Représenter schématiquement le déroulement de la méiose à partir d"une cellule diploïde (doc. 1).

Exploitation des documents par les activités

DOC. 1 À 4 (Extraire et organiser des informations à partir d"observations microscopiques, communiquer en annotant un gra- phique). Le graphique annoté attendu est fourni dans le bilan de l"unité à la page 30. EN CONCLUSION (Communiquer en rédigeant une synthèse). La méiose est constituée par l"association de deux divisions cel- lulaires particulières. Lors de la première division de méiose, les chromosomes homologues d"abord appariés se séparent, chacun migrant vers un pôle de la cellule. Les deux cellules-filles obtenues ne possèdent donc plus qu"un seul lot de chromosomes au lieu de deux : la cellule-mère diploïde a donc donné deux cellules-filles haploïdes. Puis, au cours de la deuxième division de méiose, ce sont les chromatides de chaque chromosome qui se séparent, cha- cune migrant vers un pôle de la cellule. Une cellule-mère diploïde à 2 chromatides par chromosome qui subit une méiose sera donc à l"origine de 4 cellules-filles haploïdes qui n"ont plus qu"une chro- matide par chromosome.

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THÈME 1 - CHAPITRE 17

- Dans l"unité précédente, le déroulement de la méiose a été pré- senté de façon à illustrer le passage d"une phase diploïde à une phase haploïde, la méiose a donc été appréhendée comme l"une des composantes de la reproduction sexuée assurant la stabilité du caryotype de l"espèce. Il s"agit ici d"aborder la notion de diversité des gamètes issus de méiose, en commençant par les remanie- ments qui ont lieu au cours de la prophase I. - La démarche suivie consiste à analyser des résultats de croise- ments effectués chez des drosophiles et à les mettre en relation avec une observation microscopique de chromosomes en prophase I. L"apparition de nouveaux phénotypes dans la descendance du croisement 1 (doc. 2) associée à l"observation de chiasma chez une drosophile femelle (doc. 3) conduit à émettre l"hypothèse que des remaniements au sein d"une paire de chromosomes peuvent être à l"origine de ces nouveaux phénotypes. L"absence de ces nou- veaux phénotypes lors du croisement inverse (doc. 4) associée à l"absence de chiasma chez une drosophile mâle (doc. 3) permet de valider l"hypothèse émise. - Des croisements entre drosophiles peuvent être réalisés en classe. Différentes souches de drosophiles ainsi que le matériel relatif à l"élevage sont disponibles chez les fournisseurs de lycée habituels. Ces derniers proposent également des plaques de résultats de croi- sements observables à la loupe binoculaire. - Les conventions d"écriture en génétique posent souvent problème aux élèves. Une fiche d"aide (fiche génétique) est disponible en complément sur le site compagnon du manuel (http://www. libtheque.fr/svtlycee). - Lorsque les chromosomes ont subi un brassage intrachromosomique en méiose I, il existe un brassage supplémentaire entre chromatides- sœurs en méiose II. Cet aspect n"a pas été particulièrement évoqué dans le chapitre car il n"est pas mentionné dans le programme. - Certains ouvrages fournissent des ressources intéressantes : • " Introduction à l"analyse génétique » A.J.F. Griffiths et coll., De Boeck, 2006 (cartographie du génome de la Drosophile, de la

Tomate, exemples d"exercices)

Des remaniements intrachromosomiques au cours de la méiose [pp. 22-23 du manuel de l"élève] 3

UNITÉ

• Au cours de la méiose, des échanges de fragments de chromatides (crossing-over ou enjambement) se produisent entre chromosomes homologues d"une même paire. • Objectifs et mots-clés : Brassage génétique intrachromosomique au cours de la méiose. Diversité des gamètes

Limites :

Les mécanismes moléculaires de la recombinaison ne sont pas au programme. L"analyse des produits de méiose se limite aux diplontes par l"étude des descendants issus d"un croisement avec un homozygote récessif pour tous

les loci étudiés : la génétique des haplontes n"est pas au programme. • Effectuer une analyse statistique simple d"un remaniement

intrachromosomique (en analysant des produits de méiose) (doc. 2 et 4, ex 4 p 37). • Illustrer schématiquement le mécanisme du crossing-over et ses conséquences génétiques (doc. 3). Exercices et problèmes de génétique » G. Broussal, Flammarion

Médecine, 1998.

Exploitation des documents par les activités

DOC. 1 ET 2 (Mobiliser ses connaissances, mettre en relation des informations et raisonner). Compte-tenu de la disposition des allèles sur les chromosomes de la paire 2 de la drosophile femelle hétérozygote, on s"attend à ce que cette dernière produise deux types de gamètes : (L G) et (vg b). La drosophile mâle étant homo- zygote pour les deux gènes étudiés, elle produit un seul type de gamètes : (vg b). Les résultats attendus sont donc : 50 % de dro- sophiles de génotype (L G // vg b) et de phénotype [L G] (car vg et b sont des allèles récessifs, doc. 1), et 50 % de drosophiles de génotype (vg b // vg b) et de phénotype [vg b]. DOC. 1 ET 2 (Mettre en relation des informations et raison- ner). Les allèles fournis par la drosophile mâle homozygote étant récessifs, le phénotype des descendants du croisement est le reflet direct du génotype des gamètes apportés par la drosophile femelle hétérozygote (doc.1). Celle-ci a donc produit 4 types de gamètes différents : (L G), (vg b) mais aussi (L b) et (vg G). DOC. 3 (Extraire et mettre en relation des informations pour formuler une hypothèse explicative). Comme les chromosomes homologues peuvent échanger des fragments de chromatides au cours de la prophase I, on peut émettre l"hypothèse que les deux types de gamètes inattendus produits par la drosophile femelle hétérozygote, (L b) et (vg G), sont issus d"un tel échange entre les deux chromosomes de la paire 2. DOC. 3 ET 4 (Mettre en relation des informations pour éprou- ver une hypothèse). A l"issue de ce croisement (doc. 4), deux phénotypes de descendants seulement sont obtenus. Par un rai- sonnement similaire à celui mené à la question 2, on peut dire que la drosophile mâle a produit 2 types de gamètes : (L G) et (vg b),

THÈME 1 - CHAPITRE 17

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THÈME 1 - CHAPITRE 18

c"est-à-dire les deux types de gamètes théoriquement attendus. D"autre part, le doc. 3 nous apprend qu"aucun chiasma n"est observé chez la drosophile mâle. L"absence de phénotypes inatten- dus est donc ici associée à l"absence de chiasma. L"hypothèse émise à la question précédente est donc validée. EN CONCLUSION (Communiquer en rédigeant une synthèse).

Les allèles de deux gènes situés sur une même paire de chromo-somes peuvent s"associer selon des combinaisons différentes à la

suite d"échanges de fragments de chromatides entre chromosomes homologues. Chaque cellule-fille issue de la méiose possèdera l"une des chroma- tides de l"un des chromosomes de la paire. Elle contiendra donc une seule combinaison d"allèles de ces deux gènes.

THÈME 1 - CHAPITRE 18

[pp. 24-25 du manuel de l"élève] 4

UNITÉ

• Les chromosomes ainsi remaniés subissent un brassage interchromosomique résultant de la migration aléatoire des chromosomes homologues lors de la 1ère division de méiose. Une diversité potentiellement infinie de gamètes est ainsi produite. • Objectifs et mots-clés. Brassage génétique interchromosomique au cours de la méiose. Diversité des gamètes.

Limites :

L"analyse des produits de méiose se limite aux diplontes par l"étude des descendants issus d"un croisement avec un homozygote récessif pour tous les loci étudiés : la génétique des haplontes n"est pas au programme.

Convergence. Mathématiques : probabilités.

Pistes. Croisement entre la combinatoire génétique et la formalisation mathématique.• Éffectuer une analyse statistique simple d"un brassage interchromoso- mique (en analysant des produits de méiose). (doc. 1 et 2) • Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathé- matique. (doc. 3) • Communiquer dans un langage scientifiquement approprié: conventions d"écriture. (doc.1)

Conseils et suggestions

- L"objectif de ce chapitre est, en s"appuyant sur les mécanismes moléculaires et cellulaires de la ségrégation des chromosomes (unité 2) et des remaniements chromosomiques (unité 3) vus précédemment, d"expliquer la diversité des gamètes. - L"élève est amené à mettre en application la schématisation du déroulement de la méiose (doc. 1 p. 20), le vocabulaire (doc. 1 p. 22) et les conventions de représentation (échiquier de croise- ment, doc. 1 p. 24) ou d"écriture (doc. 1 p. 22 et doc. 1 p. 24) vus au cours du chapitre. - Cette unité peut être l"occasion de faire travailler les élèves sur des tests statistiques un peu plus poussés, comme le test du Khi- deux. Ce test permet entre autres de déterminer si des effectifs peuvent, de manière statistiquement significative, être considérés comme similaires. On peut pour cela se reporter au site http:// www.statistix.fr/IMG/pdf/drosophiles-caen3.pdf ou à la fiche " test du Khi-deux » disponible en complément sur le site compa- gnon du manuel (http://www.libtheque.fr/svtlycee). - Le croisement présenté en doc. 1 p. 24 et également celui de l"exercice 3 p. 36 se prêtent particulièrement à un test du Khi-deux. Ceci permet d"appuyer, par une analyse statistique des résultats de croisement, l"hypothèse proposée suite à l"unité sur les mécanismes de la méiose selon laquelle la migration des chromo- p. 24 viennent compléter celles pré- sentées dans le doc. 1 p. 22 et seront indispensables pour la résolution des exercices. - Le doc. 2 p. 25 présente un croisement impliquant 3 gènes, situés sur deux chromosomes différents. L"utilisation d"un logiciel de simulation tel que drosofly prend ici tout son sens, étant donnée la difficulté de se procurer de telles souches, de réaliser matérielle- ment des croisements et surtout d"effectuer des comptages sur des effectifs tels que les résultats soient significatifs. De nombreuses aides à l"utilisation du logiciel dont disponibles sur internet, entre autres sur le site http://www.inforef.be/swi/drosolab.htm. Un protocole détaillé pour réaliser cette simulation avec la version de démonstration de drosofly est proposé en complément sur le site compagnon du manuel (http://www.libtheque.fr/svtlycee). - L"exercice 4 p. 37 présente également un croisement simple, avec test-cross, mais impliquant 2 gènes sur le même chromo- some. Cet exercice permet d"illustrer chez les végétaux ce qui a été vu chez la drosophile et ainsi de généraliser les mécanismes. Il permet de souligner que, contrairement à ce qui se passe chez la drosophile, il peut y avoir des crossing-over chez les mâles d"autres espèces, le cas de la drosophile faisant exception. - Il peut être judicieux de rappeler aux élèves que, les crossing-over

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THÈME 1 - CHAPITRE 19THÈME 1 - CHAPITRE 19

n"ayant pas lieu chez la drosophile mâle (voir unité 3), le choix du sexe du parent est crucial. En effet, on obtient des résultats totale- ment différents si lors du test-cross on croise des mâles F1 avec des femelles triple homozygotes récessives. En revanche, lors du comp- tage des phénotypes de la descendance, on additionne les valeurs obtenues chez les mâles et les femelles, la représentation du sexe mâle ou femelle des descendants n"a pas de signification ici.

Exploitation des documents par les activités

DOC. 1 (extraire des informations, analyser des produits de méiose, communiquer par un schéma). On observe, à l"issu du test-cross, 4 phénotypes différents, repré- sentés par des effectifs équivalents. Le mâle utilisé lors du test-cross étant homozygote récessif, le phénotype des descendants traduit LL

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