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Découvrez les chapitres du programme d’enseignement scientifique (partie SVT)

Chapitre 1 : L’atmosphère terrestre et la vie
Chapitre 2 : La complexité du système climatique
Chapitre 3 : Le climat du futur
Chapitre 4 : Énergie, choix de développement et futur climatique

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Thème 1 : Science, climat et société



L’atmosphère primitive de la Terre était différente de celle d’aujourd’hui. Sa transformation au cours des milliards d’années est liée aux processus géologiques et biologiques. Depuis la révolution industrielle, l’activité humaine modifie de manière significative la composition atmosphérique. Ces modifications affectent l’équilibre dynamique des enveloppes fluides de la Terre.
Les conséquences de l’activité humaine sur la composition atmosphérique, celles qui sont déjà observées et celles qui sont prévisibles, sont multiples et importantes, tant pour l’humanité que pour les écosystèmes. Les choix raisonnés des individus et des sociétés dans ce domaine s’appuient sur les apports des sciences et des technologies.

1.1 L’atmosphère terrestre et la vie

Depuis l’époque de sa formation, quasi concomitante avec celle du Soleil et des autres planètes du système solaire, la Terre a connu une évolution spécifique de sa surface et de la composition de son atmosphère. Sa température de surface permet l’existence d’eau liquide, formant l’hydrosphère. Aux facteurs physiques et géologiques (activité solaire, distance au Soleil, tectonique) s’est ajoutée l’émergence des êtres vivants et de leurs métabolismes. Un fragile équilibre est atteint, qui permet la vie et la maintient.

Il y a environ 4,6 milliards d’années, l’atmosphère primitive était composée de N2, CO2 et H2O. Sa composition actuelle est d’environ 78 % de N2 et 21 % de O2, avec des traces d’autres gaz (dont H2O, CO2, CH4, N2O). Le refroidissement de la surface de la Terre primitive a conduit à la liquéfaction de la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère initiale. L’hydrosphère s’est formée, dans laquelle s’est développée la vie. Les premières traces de vie sont datées d’il y a au moins 3,5 milliards d’années.

Par leur métabolisme photosynthétique, des cyanobactéries ont produit le dioxygène qui a oxydé, dans l’océan, des espèces chimiques réduites. Le dioxygène s’est accumulé à partir de 2,4 milliards d’années dans l’atmosphère. Sa concentration atmosphérique actuelle a été atteinte il y a 500 millions d’années environ.

Les sources et puits de dioxygène atmosphérique sont aujourd’hui essentiellement liés aux êtres vivants (photosynthèse et respiration) et aux combustions. Sous l’effet du rayonnement ultraviolet solaire, le dioxygène stratosphérique peut se dissocier, initiant une transformation chimique qui aboutit à la formation d’ozone. Celui-ci constitue une couche permanente de concentration maximale située à une altitude d’environ 30 km.

La couche d’ozone absorbe une partie du rayonnement ultraviolet solaire et protège les êtres vivants de ses effets mutagènes. Le carbone est stocké dans plusieurs réservoirs superficiels : l’atmosphère, les sols, les océans, la biosphère et les roches. Les échanges de carbone entre ces réservoirs sont quantifiés par des flux (tonne/an). Les quantités de carbone dans les différents réservoirs sont constantes lorsque les flux sont équilibrés. L’ensemble de ces échanges constitue le cycle du carbone sur Terre.

Les combustibles fossiles se sont formés à partir du carbone des êtres vivants, il y a plusieurs dizaines à plusieurs centaines de millions d’années. Ils ne se renouvellent pas suffisamment vite pour que les stocks se reconstituent : ces ressources en énergie sont dites non renouvelables.

1.2 La complexité du système climatique

Le système climatique et son évolution dans le temps résultent de plusieurs facteurs naturels et d’interactions entre océans, atmosphère, biosphère, lithosphère et cryosphère. Il est nécessaire de prendre en compte ces interactions à différentes échelles spatiales et temporelles (de l’année au million d’années voire davantage). Le système climatique présente une variabilité spontanée et réagit aux perturbations de son bilan d’énergie par des mécanismes appelés rétroactions. Les facteurs anthropiques ont des conséquences irréversibles à court terme.

Un climat est défini par un ensemble de moyennes de grandeurs atmosphériques observées dans une région
donnée pendant une période donnée. Ces grandeurs sont principalement la température, la pression, le degré d’hygrométrie, la pluviométrie, la nébulosité, la vitesse et la direction des vents.

La climatologie étudie les variations du climat local ou global à moyen ou long terme (années, siècles, millénaires…).
La météorologie étudie les phénomènes atmosphériques qu’elle prévoit à court terme (jours, semaines).

La température moyenne de la Terre, calculée à partir de mesures in situ et depuis l’espace par des satellites, est l’un des indicateurs du climat global. Il en existe d’autres : volume des océans, étendue des glaces et des glaciers… Le climat de la Terre présente une variabilité naturelle sur différentes échelles de temps. Toutefois, depuis plusieurs centaines de milliers d’années, jamais la concentration du CO2 atmosphérique n’a augmenté aussi rapidement qu’actuellement.

Depuis un siècle et demi, on mesure un réchauffement climatique global (environ +1°C). Celui-ci est la réponse du système climatique à l’augmentation du forçage radiatif (différence entre l’énergie radiative reçue et l’énergie radiative émise) due aux émissions de gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère : CO2, CH4, N2O et vapeur d’eau principalement. Lorsque la concentration des GES augmente, l’atmosphère absorbe davantage le rayonnement thermique infrarouge émis par la surface de la Terre. En retour, il en résulte une augmentation de la puissance radiative reçue par le sol de la part de l’atmosphère.

Cette puissance additionnelle entraîne une perturbation de l’équilibre radiatif qui existait à l’ère préindustrielle. L’énergie supplémentaire associée est essentiellement stockée par les océans, mais également par l’air et les sols, ce qui se traduit par une augmentation de la température moyenne à la surface de la Terre et la montée du niveau des océans.

L’évolution de la température terrestre moyenne résulte de plusieurs effets amplificateurs (rétroaction positive), dont :
– l’augmentation de la concentration en vapeur d’eau (gaz à effet de serre) dans l’atmosphère ;
– la décroissance de la surface couverte par les glaces et diminution de l’albédo terrestre ;
– le dégel partiel du permafrost provoquant une libération de GES dans l’atmosphère.

L’océan a un rôle amortisseur en absorbant à sa surface une fraction importante de l’apport additionnel d’énergie. Cela conduit à une élévation du niveau de la mer causée par la dilatation thermique de l’eau. À celle-ci s’ajoute la fusion des glaces continentales. Cette accumulation d’énergie dans les océans rend le changement climatique irréversible à des échelles de temps de plusieurs siècles.

À court terme, un accroissement de la végétalisation constitue un puits de CO2 et a donc un effet de rétroaction négative (stabilisatrice).

1.3 Le climat du futur

1.4 Énergie, choix de développement et futur climatique

Thème 2 : Le futur des énergies

2.1 Deux siècles d’énergie électrique

2.2 Les atouts de l’électricité

2.3 Optimisation du transport de l’électricité

2.4 Choix énergétiques et impacts sur les sociétés

Thème 3 : Une histoire du vivant

3.1 La biodiversité et son évolution

3.2 L’évolution comme grille de lecture du monde

3.3 L’évolution humaine

3.4 Les modèles démographiques

3.5 L’intelligence artificielle


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Thème I : La Terre, la vie et l’organisation du vivant


Partie 1 : génétique et évolution


1) L’origine du génotype des individus

La conservation des génomes : stabilité génétique et évolution clonale

En enseignement de spécialité de la classe de première, les élèves ont appris que la succession de mitoses produit un clone, c’est-à-dire un ensemble de cellules, toutes génétiquement identiques, aux mutations près. Ces clones sont constitués de cellules séparées (cas des nombreuses bactéries ou de nos cellules sanguines) ou associées de façon stable (cas des tissus solides).

En l’absence d’échanges génétiques avec l’extérieur, la diversité génétique dans un clone résulte de l’accumulation de mutations successives dans les différentes cellules. Tout accident génétique irréversible (perte de gène par exemple) devient pérenne pour toute la lignée (sous-clone) qui dérive du mutant.

Le brassage des génomes à chaque génération : la reproduction sexuée des eucaryotes

La fécondation entre gamètes haploïdes rassemble, dans une même cellule diploïde, deux génomes d’origine indépendante apportant chacun un lot d’allèles. Chaque paire d’allèles résultant est constituée de deux allèles identiques (homozygotie) ou de deux allèles différents (hétérozygotie).

En fin de méiose, chaque cellule produite reçoit un seul des deux allèles de chaque paire avec une probabilité équivalente. Pour deux paires d’allèles, quatre combinaisons d’allèles sont possibles, équiprobables ou non en cas de gènes liés. Le nombre de combinaisons génétiques possibles dans les gamètes est d’autant plus élevé que le nombre de gènes à l’état hétérozygote est plus grand chez les parents.

Comprendre les résultats de la reproduction sexuée : principes de base de la génétique

L’analyse génétique peut se fonder sur l’étude de la transmission héréditaire des caractères observables (phénotype) dans des croisements issus le plus souvent de lignées pures (homozygotes) et ne différant que par un nombre limité de caractères.

Dans le cas de l’espèce humaine, l’identification des allèles portés par un individu s’appuie d’abord sur une étude au sein de la famille, en appliquant les principes de transmission héréditaire des caractères. Le développement des techniques de séquençage de l’ADN et les progrès de la bioinformatique donnent directement accès au génotype de chaque individu comme à ceux de ces ascendants et descendants.
L’utilisation de bases de données informatisées permet d’identifier des associations entre certains gènes mutés et certains phénotypes.

Les accidents génétiques de la méiose

Des anomalies peuvent survenir au cours de la méiose : crossing-over inégal ; migrations anormales de
chromatides au cours des divisions de méiose… Ces accidents, souvent létaux, engendrent parfois une diversification importante des génomes et jouent un rôle essentiel dans l’évolution biologique (familles multigéniques, barrières entre populations…).

Notions fondamentales : clone ; brassage génétique (combinaison d’allèles) inter- et intrachromosomique (crossing-over) au cours de la méiose ; diversité́ des gamètes ; stabilité des caryotypes ; distinction reproduction et sexualité ; diversification génomique

2) La complexification des génomes : transferts horizontaux et endosymbioses

L’universalité de l’ADN et l’unicité de sa structure dans le monde vivant autorisent des échanges génétiques entre organismes non nécessairement apparentés. Des échanges de matériel génétique, hors de la reproduction sexuée, constituent des transferts horizontaux. Ils se font par des processus variés (vecteurs viraux, conjugaison bactérienne…).

Les transferts horizontaux sont très fréquents et ont des effets très importants sur l’évolution des populations et des écosystèmes. Les pratiques de santé humaine sont concernées (propagation des résistances aux antibiotiques). Les endosymbioses transmises entre générations, fréquentes dans l’histoire des eucaryotes, jouent un rôle important dans leur évolution. Le génome de la cellule (bactérie ou eucaryote) intégré dans une cellule hôte régresse au cours des générations, certains de ses gènes étant transférés dans le noyau de l’hôte. Ce processus est à l’origine des mitochondries et des chloroplastes, organites contenant de l’ADN.

Notions fondamentales : transferts génétiques horizontaux versus verticaux, endosymbiose, hérédité cytoplasmique, phylogénies.

3) L’inéluctable évolution des génomes au sein des populations

Dans les populations eucaryotes à reproduction sexuée, le modèle théorique de Hardy-Weinberg prévoit la stabilité des fréquences relatives des allèles dans une population. Mais, dans les populations réelles, différents facteurs empêchent d’atteindre cet équilibre théorique : l’existence de mutations, le caractère favorable ou défavorable de celles-ci, la taille limitée d’une population (effets de la dérive génétique), les migrations et les préférences sexuelles.

Les populations sont soumises à la sélection naturelle et à la dérive génétique. À cause de l’instabilité de l’environnement biotique et abiotique, une différenciation génétique se produit obligatoirement au cours du temps. Cette différenciation peut conduire à limiter les échanges réguliers de gènes entre différentes populations. Toutes les espèces apparaissent donc comme des ensembles hétérogènes de populations, évoluant continuellement dans le temps.

Notions fondamentales : mutation, sélection, dérive, évolution.

4) D’autres mécanismes contribuent à la diversité du vivant

La diversification phénotypique des êtres vivants n’est pas uniquement due à la diversification génétique.
D’autres mécanismes interviennent :
– associations non héréditaires (pathogènes ou symbiotes ; cas du microbiote acquis) ;
– recrutement de composants inertes du milieu qui modulent le phénotype (constructions, parures…).

Chez certains animaux, les comportements acquis peuvent être transmis d’une génération à l’autre et constituer une source de diversité : ainsi du chant des oiseaux, de l’utilisation d’outils dans des populations animales, de la culture notamment dans les sociétés humaines. Ces traits sont transmis entre contemporains et de génération en génération, et subissent une évolution (apparition de nouveaux traits, qui peuvent être sélectionnés, contre-sélectionnés ou perdus par hasard).

Notions fondamentales : hérédité non fondée sur l’ADN, transmission et évolution culturelles.


Partie 2 : À la recherche du passé géologique de notre planète


1) Le temps et les roches

– La chronologie relative

Les relations géométriques (superposition, recoupement, inclusion) permettent de reconstituer la chronologie relative de structures ou d’événements géologiques de différentes natures et à différentes échelles d’observation. Les associations de fossiles stratigraphiques, fossiles ayant évolué rapidement et présentant une grande extension géographique, sont utilisées pour caractériser des intervalles de temps. L’identification d’associations fossiles identiques dans des régions géographiquement éloignées permet l’établissement de corrélations temporelles entre formations.

Les coupures dans les temps géologiques sont établies sur des critères paléontologiques : l’apparition ou la disparition de groupes fossiles. La superposition des intervalles de temps, limités par des coupures d’ordres différents (ères, périodes, étages), aboutit à l’échelle stratigraphique.

– La chronologie absolue

La désintégration radioactive est un phénomène continu et irréversible ; la demi-vie d’un élément radioactif est caractéristique de cet élément. La quantification de l’élément père radioactif et de l’élément fils radiogénique permet de déterminer l’âge des minéraux constitutifs d’une roche. Différents chronomètres sont classiquement utilisés en géologie. Ils se distinguent par la période de l’élément père.

Le choix du chronomètre dépend de l’âge supposé de l’objet à dater, qui peut être appréhendé par chronologie relative. Les datations sont effectuées sur des roches magmatiques ou métamorphiques, en utilisant les roches totales ou leurs minéraux isolés. L’âge obtenu est celui de la fermeture du système considéré (minéral ou roche). Cette fermeture correspond à l’arrêt de tout échange entre le système considéré et l’environnement (par exemple quand un cristal solide se forme à partir d’un magma liquide). Des températures de fermeture différentes pour différents minéraux expliquent que des mesures effectuées sur un même objet tel qu’une roche, avec différents chronomètres, puissent fournir des valeurs différentes.

Notions fondamentales : chronologie, principes de datations relative et absolue, fossiles stratigraphiques, chronomètres.



2) Les traces du passé mouvementé de la Terre

– Des domaines continentaux révélant des âges variés

Les continents associent des domaines d’âges différents. Ils portent des reliquats d’anciennes chaînes de montagnes (ou ceintures orogéniques) issues de cycles orogéniques successifs

– La recherche d’océans disparus

Les ophiolites sont des roches de la lithosphère océanique. La présence de complexes ophiolitiquesformant des sutures au sein des chaînes de montagnes témoigne de la fermeture de domaines océaniques, suivie de la collision de blocs continentaux par convergence de plaques lithosphériques. L’émergence d’ophiolites résulte de phénomènes d’obduction ou de subduction, suivis d’une exhumation.

– Les marques de la fragmentation continentale et de l’ouverture océanique

Les marges passives bordant un océan portent des marques de distension (failles normales et blocs basculés) qui témoignent de la fragmentation initiale avant l’accrétion océanique. Les stades initiaux de la fragmentation continentale correspondent aux rifts continentaux. La dynamique de la lithosphère détermine ainsi différentes périodes paléogéographiques, avec des périodes de réunion de blocs continentaux, liées à des collisions orogéniques, et des périodes de fragmentation conduisant à la mise en place de nouvelles dorsales.

Notions fondamentales : cycle orogénique, ophiolites, paléogéographie.


Thème II : Enjeux contemporains de la planète



Partie 1 : De la plante sauvage à la plante domestiquée


1) L’organisation fonctionnelle des plantes à fleurs

Par diverses caractéristiques, les plantes terrestres montrent une capacité d’adaptation à la vie fixée à l’interface sol/atmosphère, dans des environnements variables.
Les plantes développent de grandes surfaces d’échange, aériennes d’une part (optimisation de l’exposition à la lumière, source d’énergie, transferts de gaz) et souterraines d’autre part (absorption d’eau et d’ions du sol facilitée le plus souvent par des symbioses, notamment les mycorhizes).

Des tissus conducteurs canalisent les circulations de matière dans la plante, notamment entre les lieux d’approvisionnement en matière minérale, les lieux de synthèse organique et les lieux de stockage. Le développement d’une plante associe croissance (multiplication cellulaire par mitoses dans les méristèmes, suivie d’élongation cellulaire) et différenciation d’organes (tiges, feuilles, fleurs, racines) à partir de méristèmes. Ce développement conduit à une organisation modulaire en phytomères, contrôlée par des hormones végétales et influencée par les conditions de milieu.

Notions fondamentales : organisation générale d’une plante angiosperme : tige, racine, feuille, stomates, vaisseaux conducteurs ; méristème ; multiplication et élongation, organogenèse



2) La plante, productrice de matière organique

Les parties aériennes de la plante sont les lieux de production de matière organique par photosynthèse. Captée par les pigments chlorophylliens au niveau du chloroplaste, l’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique par la photolyse de l’eau, avec libération d’O2 et réduction du CO2 aboutissant à la production de glucose et d’autres sucres solubles. Ceux-ci circulent dans tous les organes de la plante où ils sont métabolisés, grâce à des enzymes variées, en produits assurant les différentes fonctions biologiques dont :
– la croissance et le port de la plante (cellulose, lignine) ;
– le stockage de la matière organique (saccharose, amidon, protéines, lipides) sous forme de réserves dans différents organes, qui permet notamment de résister aux conditions défavorables ou d’assurer la reproduction ;
– les interactions mutualistes ou compétitives avec d’autres espèces (anthocyanes, tanins).

Notions fondamentales : chloroplaste, pigments chlorophylliens, photolyse de l’eau, réduction du CO2, sève brute et sève élaborée, diversité chimique dans la plante.



3) Reproduction de la plante entre vie fixée et mobilité

Les plantes ont deux modalités de reproduction : sexuée et asexuée. La reproduction asexuée repose sur la totipotence des cellules végétales et les capacités de croissance indéfinie des plantes, à partir de presque n’importe quelle partie du végétal (tiges, racines, feuilles).

La reproduction sexuée est assurée chez les Angiospermes par la fleur où se trouvent les gamètes femelles, au sein du pistil, et les grains de pollen, portés par les étamines, vecteurs des gamètes mâles. Chez certaines espèces, la fécondation des gamètes femelles par les gamètes mâles de la même fleur est possible, voire obligatoire. Dans les autres cas, elle est rendue impossible par divers mécanismes d’incompatibilité. La fécondation croisée implique une mobilité des grains de pollen d’une plante à une autre. Dans une majorité de cas, la pollinisation repose sur une collaboration entre plante et pollinisateur en relation avec la structure florale ; le vent peut aussi transporter le pollen.

À l’issue de la fécondation, la fleur qui porte des ovules se transforme en un fruit qui renferme des graines. La graine contient l’embryon d’une future plante qu’elle protège (enveloppe résistante) et nourrit à la germination en utilisant des molécules de réserve préalablement accumulées.

La dispersion des graines est une étape de mobilité dans la reproduction de la plante. Elle repose sur un mutualisme animal disperseur / plante et sur des agents physiques (vent, eau) ou des dispositifs spécifiques à la plante.

Notions fondamentales : totipotence ; clonage ; fleur : pistil, ovule végétal, étamine, pollen ; fruit ; graine ; pollinisation et dissémination par le vent ou les animaux ; coévolution.



4) La domestication des plantes

Les pratiques culturales (par exemple pour la production de graines) constituent un enjeu majeur pour nourrir l’humanité.
La sélection (empirique ou programmée) exercée par l’être humain sur les plantes cultivées au cours des siècles a retenu des caractéristiques différentes de celles qui étaient favorables à leurs ancêtres sauvages. Cette sélection s’est opérée au cours de l’établissement d’une relation mutualiste entre plantes et êtres humains.

Aujourd’hui, de nombreuses techniques favorisent la création de plus en plus rapide de nouvelles variétés végétales (par hybridation, par utilisation des biotechnologies…). La production de semences commerciales est devenue une activité spécialisée.
Une espèce cultivée présente souvent de nombreuses variétés (forme de biodiversité). Cette diversité résulte de mutations dans des gènes particuliers. L’étude des génomes montre un appauvrissement global de la diversité allélique lors de la domestication. La perte de certaines caractéristiques des plantes sauvages (comme des défenses chimiques ou des capacités de dissémination) et l’extension de leur culture favorisent le développement des maladies infectieuses végétales. Ces fragilités doivent être compensées par des pratiques culturales spécifiques. L’exploitation des ressources génétiques (historiques ou sauvages si elles existent) permet d’envisager de nouvelles méthodes de cultures (réduction de l’usage des intrants, limitation des ravageurs par lutte biologique).

La domestication des plantes, menée dans différentes régions du monde, a eu des conséquences importantes dans l’histoire des populations humaines. Elle a contribué à la sélection de caractères génétiques humains spécifiques.

Notions fondamentales : plante sauvage, plante domestiquée, diversité génétique, sélection artificielle, coévolution, évolution culturelle.


Partie 2 : Les climats de la Terre : comprendre le passé pour agir aujourd’hui et demain


1) Reconstituer et comprendre les variations climatiques passées

D’environ 1°C en 150 ans, le réchauffement climatique observé au début du XXIe siècle est corrélé à la perturbation du cycle biogéochimique du carbone par l’émission de gaz à effet de serre liée aux activités humaines. À l’échelle du Quaternaire, des données préhistoriques, géologiques et paléo-écologiques attestent l’existence, sur la période s’étendant entre -120 000 et -11 000 ans, d’une glaciation, c’est-àdire d’une période de temps où la baisse planétaire des températures conduit à une vaste extension des calottes glaciaires. Les témoignages glaciaires (moraines), la mesure de rapports isotopiques de l’oxygène dans les carottes polaires antarctiques et les sédiments font apparaître une alternance de périodes glaciaires et interglaciaires durant les derniers 800 000 ans.

Les rapports isotopiques montrent des variations cycliques coïncidant avec des variations périodiques des paramètres orbitaux de la Terre. Celles-ci ont modifié la puissance solaire reçue et ont été accompagnées de boucles de rétroactions positives et négatives (albédo lié à l’asymétrie des masses continentales dans les deux hémisphères, solubilité océanique du CO2) ; elles sont à l’origine des entrées et des sorties de glaciation.

Globalement, à l’échelle du Cénozoïque, et depuis 30 millions d’années, les indices géochimiques des sédiments marins montrent une tendance générale à la baisse de température moyenne du globe. Celle-ci apparaît associée à une baisse de la concentration atmosphérique de CO2 en relation avec l’altération des matériaux continentaux, notamment à la suite des orogénèses du Tertiaire. De plus, la variation de la position des continents a modifié la circulation océanique.

Au Mésozoïque, pendant le Crétacé, les variations climatiques se manifestent par une tendance à une hausse de température. Du fait de l’augmentation de l’activité des dorsales, la géodynamique terrestre interne semble principalement responsable de ces variations.

Au Paléozoïque, des indices paléontologiques et géologiques, corrélés à l’échelle planétaire et
tenant compte des paléolatitudes, révèlent une importante glaciation au Carbonifère-Permien. Par la modification du cycle géochimique du carbone qu’elles ont entraînée, l’altération de la chaîne hercynienne et la fossilisation importante de matière organique (grands gisements carbonés) sont tenues pour responsables de cette glaciation.

Notions fondamentales : effet de serre, gaz à effet de serre, cycle du carbone, cycles de Milankovitch, albédo, principe d’actualisme, rapports isotopiques, tectonique des plaques, circulation océanique.




2) Comprendre les conséquences du réchauffement climatique et les possibilités d’actions

Un effort de recherche scientifique majeur est mené depuis quelques dizaines d’années pour élaborer un modèle robuste sur le changement climatique, ses causes et ses conséquences, et pour définir les actions qui peuvent être conduites pour y faire face. En dehors des effets abiotiques, le réchauffement climatique a des impacts importants sur la biodiversité et la santé humaine : par des effets directs sur les populations (effectifs, état sanitaire, répartition à la surface du globe) et sur leur évolution ; par des effets indirects liés aux perturbations des écosystèmes naturels et agricoles (approvisionnement et régulation).

L’augmentation de la concentration en CO2 favorise la production de biomasse, mais des difficultés peuvent résulter de la faible disponibilité des terres agricoles suite à la désertification ou à la montée du niveau marin, à la diffusion de pathogènes, à l’évolution de la qualité des sols et des apports en eau).

Aux niveaux individuel et collectif, il convient de mener des recherches et d’entreprendre des actions : en agissant par la réduction des émissions de gaz à effet de serre (les bénéfices et inconvénients de méthodes de stockage du carbone sont à l’étude) ; en proposant des adaptations.

Il existe, dans différents pays, des plans d’action bâtis sur un consensus scientifique, dont l’objectif est de renforcer l’acquisition des connaissances, ainsi que l’évaluation éclairée et modulable des stratégies mises en place.

Notions fondamentales : élaboration du consensus scientifique, stratégies d’atténuation et d’adaptation.


Thème III : Le corps humain et la santé


Partie 1 : Comportements, mouvement et système nerveux



1) Les réflexes

Les réflexes mettent en jeu différents éléments qui constituent l’arc-réflexe. À partir d’une sensation de départ (stimulus) captée par un récepteur sensoriel, un message nerveux codé en potentiels d’action est élaboré. Il circule dans les neurones sensoriels jusqu’au centre nerveux (corne dorsale de la moelle épinière) où se produit le relais synaptique sur le neurone-moteur.

Celui-ci conduit le message nerveux jusqu’à la synapse neuromusculaire, qui met en jeu l’acétylcholine. La formation puis la propagation d’un potentiel d’action dans la cellule musculaire entraînent l’ouverture de canaux calciques à l’origine d’une augmentation de la concentration cytosolique en ions calcium, provenant du réticulum sarcoplasmique pour les muscles squelettiques. Cela induit la contraction musculaire et la réponse motrice au stimulus.

Notions fondamentales : éléments fonctionnels de l’arc-réflexe ; muscles antagonistes ; caractéristiques structurales et fonctionnelles du neurone ; éléments structurels des synapses neuro-neuronale et neuromusculaire ; codage électrique en fréquence ; codage biochimique en concentration.



2) Cerveau et mouvement volontaire

Le cerveau est composé de neurones et de cellules gliales assurant le bon fonctionnement de l’ensemble. L’exploration du cortex cérébral permet de situer les aires motrices spécialisées à l’origine des mouvements volontaires. Les messages nerveux moteurs qui partent du cerveau cheminent par des faisceaux de neurones qui « descendent » dans la moelle jusqu’aux neuronesmoteurs. Le corps cellulaire du neurone-moteur reçoit des informations diverses qu’il intègre sous la forme d’un message moteur unique et chaque fibre musculaire reçoit le message d’un seul neurone moteur.

Certains dysfonctionnements du système nerveux modifient le comportement et ont des conséquences sur la santé. L’apprentissage ou la récupération de la fonction cérébrale après un accident reposent sur une capacité essentielle : la plasticité cérébrale.

Notions fondamentales : intégration par le neurone moteur, sommation temporelle et spatiale, aire motrice, plasticité cérébrale.



3) Le cerveau, un organe fragile à préserver

Les aires corticales communiquent entre elles par des voies neuronales où se propagent des potentiels d’action dont la fréquence d’émission est modulée par un ensemble de neurotransmetteurs. La prise de substances exogènes (alcool, drogues) peut entraîner la perturbation des messages nerveux et provoquer des comportements addictifs.

Notions fondamentales : neurotransmetteur, molécules exogènes.


Partie 2 : Produire le mouvement : contraction musculaire et apport d’énergie


1) La cellule musculaire : une structure spécialisée permettant son propre raccourcissement

Le muscle strié est un ensemble de cellules musculaires dites striées, organisées en faisceaux musculaires. Le raccourcissement et l’épaississement des muscles lors de la contraction musculaire permettent le mouvement relatif des deux os auxquels ils sont reliés par des tendons.

La cellule musculaire, cellule spécialisée, est caractérisée par un cytosquelette particulier (actine et myosine) permettant le raccourcissement de la cellule. La contraction musculaire nécessite des ions calcium et l’utilisation d’ATP comme source d’énergie. Dans certaines myopathies, la dégénérescence des cellules musculaires est due à un défaut dans les interactions entre les protéines membranaires des cellules et la matrice extra-cellulaire.

Notions fondamentales : fonctionnement musculaire, contraction, relâchement, ATP.



2) Origine de l’ATP nécessaire à la contraction de la cellule musculaire

L’énergie est apportée sous forme de molécules d’ATP à toutes les cellules. Il n’y a pas de stockage de l’ATP, cette molécule est produite par les cellules à partir de matière organique, notamment le glucose. L’oxydation du glucose comprend la glycolyse (dans le hyaloplasme) puis le cycle de Krebs (dans la mitochondrie) : dans leur ensemble, ces réactions
produisent du CO2 et des composés réduits NADH, H+. La chaîne respiratoire mitochondriale permet la réoxydation des composés réduits, par la réduction de dioxygène en eau. Ces réactions conduisent à la production d’ATP qui permet les activités cellulaires. Il existe une autre voie métabolique dans les cellules musculaires, qui ne nécessite pas d’oxygène et produit beaucoup moins d’ATP.

Les métabolismes anaérobie ou aérobie dépendent du type d’effort à fournir. Des substances exogènes peuvent intervenir sur la masse ou le métabolisme musculaire, avec des effets parfois graves sur la santé.

Notions fondamentales : respiration cellulaire, glycolyse, cycle de Krebs, fermentation lactique, rendement, produits dopants.



3) Le contrôle des flux de glucose, source essentielle d’énergie des cellules musculaires

Les cellules musculaires ont besoin de nutriments, principalement de glucose et de dioxygène, puisés dans le sang. Les réserves de glucose se trouvent sous forme de glycogène dans les cellules musculaires et dans les cellules hépatiques. Elles servent à entretenir des flux de glucose, variables selon l’activité, entre les organes sources (intestin et foie) et les organes consommateurs (dont les muscles).

La glycémie est la concentration de glucose dans le sang, maintenue dans un intervalle relativement étroit autour d’une valeur d’équilibre proche de 1g.L-1. Elle dépend des apports alimentaires et est régulée par deux hormones sécrétées par le pancréas.

Un dysfonctionnement de la régulation de la glycémie entraîne des complications qui peuvent être à l’origine
de diabètes. L’insuline entraîne l’entrée de glucose dans les cellules musculaires (et hépatiques) et le glucagon provoque la sortie du glucose des cellules hépatiques, grâce à des protéines membranaires transportant le glucose.

Notions fondamentales : hormones hyper et hypo glycémiantes, système de régulation, organisation fonctionnelle du pancréas endocrine, récepteurs à insuline et à glucagon, diabète insulinodépendant ou non insulinodépendant.


Partie 3 : Comportements et stress : vers une vision intégrée de l’organisme


1) L’adaptabilité de l’organisme

Face aux perturbations de son environnement, l’être humain dispose de réponses adaptatives impliquant le système nerveux et lui permettant de produire des comportements appropriés. Le stress aigu désigne ces réponses face aux agents stresseurs.

La réponse de l’organisme est d’abord très rapide : le système limbique est stimulé, en particulier les zones impliquées dans les émotions telles que l’amygdale. Cela a pour conséquence la libération d’adrénaline par la glande médullo-surrénale. L’adrénaline provoque une augmentation du rythme cardiaque, de la fréquence respiratoire et la libération de glucose dans le sang. Une autre conséquence des agents stresseurs au niveau cérébral est la sécrétion de CRH par l’hypothalamus : le CRH met à contribution l’axe hypothalamo-hypophyso-corticosurrénalien, entrainant dans un second temps la libération du cortisol. Le cortisol favorise la mobilisation du glucose et inhibe certaines fonctions (dont le système immunitaire). Le cortisol exerce en retour un rétrocontrôle négatif sur la libération de CRH par l’hypothalamus et favorise le rétablissement de conditions de fonctionnement durable (résilience).

Ces différentes voies physiologiques sont coordonnées au sein d’un système, qualifié de complexe, et permettent l’adaptabilité de l’organisme.


Notions fondamentales
: stress aigu, agents stresseurs, axe hypothalamo-hypophysocorticosurrénalien, CRH, adrénaline, cortisol, rétrocontrôle, système limbique (amygdale, hippocampe), résilience, adaptabilité, système complexe.


2) L’organisme débordé dans ses capacités d’adaptation

Si les agents stresseurs sont trop intenses ou si leur action dure, les mécanismes physiologiques sont débordés et le système se dérègle. C’est le stress chronique. Il peut entraîner des modifications de certaines structures du cerveau, notamment du système limbique et du cortex préfrontal. Cette forme de plasticité, dite mal-adaptative, se traduit par d’éventuelles perturbations de l’attention, de la mémoire et des performances cognitives.

Ces dérèglements engendrent diverses pathologies qui sont traitées par des médicaments dont l’effet vise à favoriser la résilience. La prise de ces médicaments, comme les benzodiazépines dans le cas de l’anxiété, doit suivre un protocole rigoureux afin de ne pas provoquer d’autres perturbations notamment une sédation et des troubles de l’attention. Certaines pratiques non médicamenteuses sont aussi susceptibles de limiter les dérèglements et de favoriser la résilience du système. Chaque individu est différent face aux agents stresseurs, le stress intégrant des dimensions multiples et liées.

Notions fondamentales : stress chronique, système limbique (amygdale, hippocampe), cortex préfrontal, plasticité du système nerveux, résilience.




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