Attention, Warning, Achtung !
Ci-dessous l'exercice du DS où il manquait la question. A refaire pour la rentrée. Pour les classes qui ont eu la question en cours de route, je garde la meilleure des deux versions, pour ceux qui n'ont pas été avertis, je compterai celle-ci.
Semaine 6
Le séquençage du génome
La diversité allélique entre les génomes humains individuels permet de les identifier et par comparaison de reconstituer leur parenté
La mise au point du séquençage du génome par Frederick Sanger en 1977 (prix Nobel en 1958 et 1980) en a permis le décryptage.
Travail à faire
L'homme est un primate
L'homme appartient au groupe des primates qui regroupent les Lémuriens (présents à Madagascar), les Simiiformes (singes) et quelques petits groupes comme les Tarsiiformes.
Les primates sont caractérisés par un gros cerveau, un développement lent, une durée de vie longue. une vision en 3D et pourla majorité un pouce opposable aux autres doigts.
Les Makis. Lémuriens
Le Aye-aye (Daubantonia madagascarensis). Lémuriens
Le Tarsier spectre. Tarsiiformes
Le Nasique de Bornéo. Simiiformes
Les Macaques japonais. Simiiformes
Les Babouins. Simiiformes
Les Hylobathes. Simiiformes
L'Orang-outan. Simiiformes pongidés
Gorilla sp. Simiiformes hominidés
Pan troglodytes (Chimpanzé). Simiiformes hominidés
Pan paniscus (Bonobo). Simiiformes hominidés
Homo sapiens (Homme). Simiiformes hominidés
Phylogénie simplifiée des primates
Phylogénie simplifiée de la lignée humaine
L'utilisation de l'ADN mitochondrial pour construire un arbre phylogénétique (travail pratique fait en classe)
Les mitochondries sont des organites cellulaires qui assurent l'ensemble des besoins énergétiques des cellules grâce au phénomène de respiration cellulaire. Ces organites possèdent un ADN indépendant de l'ADN nucléaire qui est uniquement d'origine maternelle puisque les mitochondries du spermatozoïde ne pénètrent pas dans l'ovule au moment de la fécondation. On peut donc ainsi reconstituer les filiations matrilinéaires en séquençant l'ADN mitochondrial qui, étant plus petit, se conserve mieux que l'ADN nucléaire.
L'ADN mitochondrial
Pendant longtemps, l'étude des différentes espèces ne pouvait se faire que par l'analyse morphologique des restes des parties dures (os, dents). Il était donc impossible si différentes espèces contemporaines étaient capables de s"hybrider. C'est l'invention du séquençage de l'ADN quia permis de faire des progrès décisifs à partir de 2010. Etant donné que l'ADN s'altère avec le temps, il est impossible de travailler sur des Hominidés fossiles trop anciens. Les études se sont donc focalisées sur 3 espèces, Homo sapiens (l'homme moderne), Homo neanderthalensis (l'homme de Néandertal) et Homo denisovensis (l'homme de Denisova) qui ont vécu dans la zone eurasienne à partir de - 200 000 ans
Protocole
L'arbre phylogénétique obtenu
Analyse de l'arbre
Il se construit à partir d'une matrice des distances génétiques. On appelle distance génétiques le pourcentage de différences entre les nucléotides pour deux espèces données pour une même séquence d'ADN. Plus le pourcentage est élevé et plus la distance génétique est grande, donc plus les deux espèces sont génétiquement éloignées.
Sur l'arbre, les nœuds représentent le dernier ancêtre commun hypothétique (ACH) entre deux lignées. Plus deux espèces sont distantes l'une de l'autre moins elles sont capable de s'hybrider. Cela signifie que, lorsque deux lignées viennent de diverger, les individus qui leur appartiennent sont capables de s'hybrider.
Les relations entre Homo denisovensis et les deux autres espèces d'Homo contemporaines
L'Homme de Denisova (dans l'Altaï) a été découvert en 2010 sous la forme d'une phalange. Depuis d'autres restes ont été découverts, notamment une mandibule découverte au Tibet en 2019.
Les restes d'Homo denisovensis
Vu la petite quantité de restes découverts, il n'était pas possible aux paléontologues de déterminer si on avait à à faire à une nouvelle espèce ou bien des individus appartenant soit aux Sapiens soit aux Néandertaliens par la comparaison morphologique des crânes. On a donc procédé a une comparaison des ADN mitochondriaux des trois types d'individus.
En comparant les ADN mitochondriaux complets de trois individus (Anagène en ligne) on obtient les résultats suivants :
— comparaison Denisova/Sapiens : 2,4 % de différence
— comparaison Denisova/Neandertal : 2,3 % de différence
— comparaison Sapiens/Neandertal : 1,3 % de différence
On peut donc en conclure que l'homme de Denisova est bien une nouvelle espèce différente d'Homo neanderthalensis et d'Homo sapiens.
Hybridation interspécifique
Lorsqu'on regarde la carte suivante, on constate que l'aire de répartition (les endroits où vivaient les individus) des trois espèces se recouvrait partiellement. On peut donc faire l'hypothèse que des hybridations entre les individus d'espèces différentes mais encore très proches ont pu se produire
Aire de répartition des Néandertaliens et des Dénisoviens
Aire de répartition des Sapiens. Attention, cette carte est devenue obsolète en partie, depuis la découverte dans le Djebel Irhoud au Maroc de Sapiens primitifs datés de -300 000 ans (publiée en 2017)
Alors que depuis les années 1980, on considérait que les Sapiens et la Néandertaliens n'avaient pu s'hybrider que très brièvement au Proche-Orient à une date très ancienne, en 2010, le séquençage puis l'utilisation de la PCR sur des fragments de génome de Néandertaliens par l'équipe de paléontologie humaine du Max Planck Institut de Leipzig, ont montré que le génome de l'homme moderne possède au moins 4 % d'ADN provenant des Néandertaliens, ce qui démontre une hybridation beaucoup plus importante que ce que l'on soupçonnait.
Des travaux ultérieurs ont permis d'établir les relations suivantes entre les trois espèces. Attention, la paléontologie humaine évolue très rapidement et ce diagramme ne représente qu'une hypothèse au temps t qui peut être confirmée ou infirmée à tout moment.
L'adaptation à la vie en altitude
La répartition des gènes provenant des Néandertaliens et des Denisoviens est différent selon les populations humaines modernes. On peut ainsi étudier la répartition du gène EPAS1 qui intervient dans la respiration.
Du fait de la baisse de pression en dioxygène en altitude, le nombre d'hématies (globules rouges) augmentent afin de compenser cette baisse du taux de dioxygène. La viscosité du sang augmente donc, ce qui est à l'origine du "mal des montagnes". Cependant les tibétains ou les andins, qui vivent entre 3000 et 5000 m d'altitude, sont capables d'une intense activité physique.
Des chercheurs ont comparé le génome de 50 tibétains vivant à 4000 m d'altitude et de 40 chinois de l'ethnie Han dominante dans les plaines. Sur le graphe suivant, on constate que la répartition des gènes et des allèles est la même pour les deux populations sauf en ce qui concerne le gène EPAS1 qui intervient dans la synthèse des hématies. dont les allèles ne se répartissent pas de la même façon dans les deux populations.
A partir de ces observations, le scénario suivant a été proposé : Homo denisovensis sibérien s'hybride avec Homo sapiens, lors des migrations de celui-ci. Les hybrides ainsi obtenus sont porteurs de l'allèle G de EPAS1. L'allèle G est récessif et se maintient uniquement dans les populations vivant en altitude car il leur donne un avantage sélectif (modèle darwinien de sélection naturelle). En revanche, il disparait au profit de l'allèle C chez les populations vivant en plaine.
SEMAINE 5
Ne confondez pas, comme on le fait trop souvent, météorologie et climatologie !
La météorologie étudie les phénomènes atmosphériques (températures, vents, nébulosité, hygrométrie) à court terme (jours, semaines).
La climatologie étudie les variations de ces facteurs à long ou très long terme (siècles, millénaires).
On utilise des valeurs moyennes des grandeurs atmosphériques étudiées.
Donc, ce n'est pas parce qu'une année il y a un hiver plus froid, que le réchauffement climatique n'existe pas comme l'affirme Donald Trump.
La carte des climats montrent de grandes variétés en terme de température ou d'hygrométrie. Les courants océaniques jouent un rôle majeur dans les climats. Le Gulf-Stream permet à l'Europe de l'ouest de bénéficier d'un climat doux, alors que pour une même position latitudinale, la façade est de l'Amérique du Nord est refroidi par le courant du Labrador.
La température terrestre à différentes échelles de temps
A la température à la surface du globe est un des indicateurs les plus importants pour estimer un climat global. On peut remonter jusqu'à -800 000 ans en étudiant la composition des gaz situés à l'intérieur de bulles d'air piégées dans les glaces de l'Antarctique Les variations de composition permettent d'évaluer les fluctuations de température au cours du temps.
Coupe dans une carotte de glace
La courbe qu'on obtient montre une rythmicité de l'ordre de 100 000 ans. Tous les 100 000 ans environ, on a un optimum de température (période interglaciaire) qui alterne avec un minimum de température (maximum glaciaire). Cette rythmicité est due à des paramètres astronomiques reliant la Terre et sa position par rapport au soleil.
Courbe des températures durant les 800 000 dernières années
Les méthodes palynologiques
Le pollen est l'élément mâle intervenant dans la reproduction sexuée des plantes à fleurs. Sa paroi épaisse lui procure une résistance remarquable durant des périodes de temps très longues. Sachant que chaque plante a un preferendum écologique (température, humidité, ensoleillement), on peut facilement reconstituer l'évolution d'un climat d'une zone en étudiant la succession des pollens dans une carotte de sol.
Chaque pollen a une forme et une taille qui lui permet d'être facilement reconnu.
Pollen de lix x 400
Pollen de pin x 400
Détermination des changements de climats par la palynologie (Travail pratique)
Protocole
Résultat
Variations climatiques à plus petite échelles temporelle
Cependant, il existe des variations climatiques à plus petite échelle de temps. Le plus célèbre est le "petit âge glaciaire" qui s'est produit dans l'hémisphère nord entre 1275 et 1850 environ. Cette baisse de la température qui suit l'optimum climatique médiéval a été relevé par les historiens à travers les textes et documents de la période.
Evolution de la température de l'hémisphère nord depuis 2000 ans
Chasseurs dans la neige du peintre flamand Pieter Bruegel l'Ancien (vers 1565)
La Tamise gelée à Londres par Abraham Hondius (avant 1666)
Extension de la Mer de glace (plus grand glacier français) en 1644 (vert), 1821 (rouge), 1897 (orange)
Origine du "petit âge glaciaire"
Les aléas climatiques peuvent avoir des origines variées. Dans le cas du "petit âge glaciaire", la majorité des scientifiques pensent qu'il est dû à une série de 4 éruptions volcaniques majeures qui auraient eu lieu entre 1250 et 1300 et qui auraient projeté des quantités colossales d'aérosols dans l'atmosphère. La plus importante a été déterminée comme étant celle du mont Samalas sur l'île de Lombok (Indonésie) en 1257. Qualifiée par les volcanologues de "méga-colossale" elle aurait été la plus importante des 10 000 dernières années.
La caldera d'explosion Segara-Anak issue de l'éruption du Samalas. La caldera est occupée par un lac alimenté par les pluies intenses. Au centre le volcan en activité correspond au débouché de l'ancienne chambre magmatique.
Le changement climatique actuel
Plusieurs indices permettent d'appréhender le réchauffement climatique actuel, notamment la précocité de plus en plus grande des vendanges ou de la cueillette des cerises.
Evolution de la date des vendanges entre 1892 et 2014
Le graphe suivant donne un aperçu des écarts de température par rapport à la moyenne. En bleu, des écarts négatifs et en rouge positifs. On constate que depuis 1980, toutes les années présentent une température supérieure à la moyenne.
Un autre indice important est le recul des glaciers comme le montre ces deux photos prises au glacier du Pasterze (le plus important des Alpes autrichiennes) en 1994 et 2020.
Les scientifiques s'inquiètent aussi de la fonte du pergélisol (ou permafrost) en Alaska ou en Sibérie. Cette fonte libère de grandes quantités de méthane, autre gaz à effet de serre.
Conséquence de la fonte du pergélisol au Nunavut (nord du Canada)
Les cratères dus à la libération de méthane en Sibérie
Mise en évidence de la libération du méthane au Yukon
Une autre conséquence non pas climatique mais sociale est la perte de stabilité des maisons et immeubles construits sans fondation, directement sur le sol gelé.
Exemple proche de Fairbanks (Alaska)
Exemple à Chersky extrême nord de la Sibérie
L'effet de serre et ses conséquences
L'effet de serre est ainsi appelé car il a été observé dans des serres. On constate ainsi une augmentation de la température à l'intérieur par emprisonnement des infra-rouges.
L'effet de serre atmosphérique est du à certains gaz qui sont capable d'absorber les rayons infrarouges, entrainant ainsi une augmentation de la température atmosphérique car les infra-rouges ne sont plus renvoyés dans la stratosphère.
Schéma du mécanisme de l'effet de serre
Spectre d'absorption IR (infra-rouge) du diazote. Pas d'effet de serre
Spectre d'absorption IR du dioxyde de carbone. Effet de serre
Spectre d'absorption IR du méthane. Effet de serre
Des mesures faites dans les carottes de glace de l'Antarctique et du Groenland ont montré des variations du taux de CO2 corrélées aux variations de température comme le montre le graphique suivant :
Des mesures directes du taux de CO2 faites au sommet du Mona Loa sur la grande île d'Hawaï montre une augmentation très rapide du taux de CO2 au cours de ces 60 dernières années.
Quelles sont les causes de cette augmentation. Notion de forçage radiatif
Le terme de forçage radiatif est défini par le GIEC (Groupe intergouvernemental sur l'évolution du climat) comme "l'équilibre entre le rayonnement solaire entrant et les émissions d'infra-rouges émis dans l'atmosphère". Le forçage radiatif des gaz à effet de serre est donc positif. En revanche, les aérosols (poussières volcaniques ou industrielles par exemple) ont tendance à renvoyer les rayons solaires vers leur émetteur. Dans ce cas, le forçage radiatif est négatif.
Si le bilan des forçages radiatifs est positif, la Terre a tendance à se réchauffer. C'est ce qui se passe en ce moment. Dans la cas contraire, la planète se refroidit.
Bilan des forçage radiatifs actuels
Une première conséquence, la dilatation thermique des océans
On considère que la thermocline océanique est à 1000 mètres de profondeur. Au delà, il est admis que la température océanique reste constante. Le coefficient thermique de dilatation de l'eau est de 2,6 x 10-4, soit 2,6 ml de dilatation pour 1 litre d'eau dans le cas d'une augmentation de température de 1 °C.Un calcul simple montre que le bilan de cette dilatation montre une augmentation d'une quinzaine de centimètres en 100 ans du niveau océanique.
Variations de la température océanique depuis 1850
Variations du niveau océanique depuis 1700
Si cette augmentation peut sembler modeste, il ne faut pas oublier d'y ajouter l'effet de la fonte des glaces de Terre. L'effet cumulé des deux phénomènes entrain une augmentation de 20 à 30 cm par siècle environ dans le cas d'une augmentation de 1° C. Cependant le danger ne doit pas être négligé. En effet durant une tempête, la pression atmosphérique est très basse, ce qui entraine une augmentation du niveau marin de l'ordre du mètre voire plus. Si le coefficient de marée est élevée, toutes les côtes d'altitude inférieure à 4/5 mètres sont menacées. C'est ce qui s'est passé à la Faute-sur-Mer lors de la tempête Xynthia en 2010 ou lors de l'Ouragan Katrina à La Nouvelle-Orléans en 2005
Vue de la Nouvelle-Orléans après le passage de Katrina
Vue de la Faute-sur-Mer après la tempête Xynthia
De très grandes villes situées à des altitude faibles sont dès lors menacées comme Bangkok en 2018.
L'augmentation du niveau océanique et l'augmentation de l'intensité des tempêtes et des cyclones due au réchauffement des océans accélèrent le recul du trait de côtes notamment en France. Un cas emblématique est celui de l'immeuble Le Signal construit à Soulac-sur-Mer dans les années 1960 à 300 mètres de l'Atlantique et qui est, depuis les grandes tempêtes de 201, directement menacé par les flots.
L'immeuble Le Signal en 1960
L'immeuble Le Signal en 2014
Les paramètres astronomiques et les facteurs amplificateurs
Dans la première moitié du XXème siècle, un mathématicien serbe, Milutin Milankovitch, s'est intéressé aux paramètres astronomiques influant sur le climat terrestre. Il a retenu 3 facteurs principaux :
— la modification de l'orbite terrestre autour du soleil qui oscille entre une ellipse très allongée et un quasi-cercle modifiant ainsi l'insolation de la planète
— la modification de l'angle de l'axe terrestre par rapport à la verticale qui oscille entre 22,5° et 23,5°
— la périhélie qui est l'oscillation de la terre autour de son axe, comme une toupie et qui explique la précession des équinoxes. Ces détails des facteurs sont hors-programme mais il est intéressant d'en avoir entendu parler.
L'ensemble de ces facteurs ne peut faire varier la température terrestre que de 0,5° au maximum, variation largement insuffisante pour expliquer les grandes oscillations climatiques. Il existe donc des facteurs amplificateurs (ou rétroaction positive) qui sont de deux types :
— l'augmentation ou la diminution des GES dans l'atmosphère
— la baisse ou l'augmentation de l'albedo en fonction de la tailles des glaciers.
L'effet amplificateur de l'albédo
L'effet amplificateur des GES du pergélisol
Afin de limiter l'augmentation des GES, notamment le CO2, certains scientifiques prêchent pour la plantation de nombreux jeunes arbres. En effet, si un arbre adulte rejette autant de CO2 par respiration qu'il en absorbe par photosynthèse, un arbre jeune photosynthétise beaucoup plus. Une forêt de jeunes arbres pourrait donc être un véritable puits de carbone.
