Chapitre I. L'atmosphère terrestre et la vie (enseignement scientifique, terminale)

SEMAINE 1

Dans ce chapitre, nous comparerons la composition de l'atmosphère de la Terre primitive et l'atmosphère de la Terre actuelle.
La majorité des scientifiques s'accordent à penser que toutes les planètes su système solaire de sont formées au même moment, c'est à dire il y a environ 4,5 GA (giga-années) par accrétion de poussières stellaires. Certains corps, cependant, ne se sont pas maintenus agglomérés et ont données naissances aux astéroïdes qui forment des ceintures. Lorsque deux astéroïdes se choquent, l'un deux peut être expulsé de la ceinture et tomber par gravité sur une planète. On a alors une météorite.
Sachant que la composition des astéroïdes est la même que celle des planètes, les planétologues en ont déduit que la composition des gaz présents dans les astéroïdes (et les météorites) pouvaient être équivalente à celle des planètes primitives dont la Terre.

Composition des gaz d'une météorite

Composition comparée de l'atmosphère de la Terre primitive et de la Terre actuelle

Si on résume, l'atmosphère de la Terre primitive est constituée de beaucoup de vapeur d'eau et de CO2, et d'un peu de diazote. Il y a absence totale de dioxygène
Afin de conforter cette hypothèse, on a étudié la composition des gaz volcaniques. On constate que la composition globale est proche des hypothèses décrites plus haut.

Composition moyenne des gaz émis par un volcan

Une des particularités de l'atmosphère terrestre est la présence de dioxygène. Ce dioxygène est apparu sur Terre, il y a, environ 3 GA. La présence d'O2 sur Terre est un des paramètres qui explique l'évolution des formes de vie sur notre planète. Attention, l'absence d'O2 n'empêche pas la vie de se développer, comme les bactéries fermentaires le démontrent.

Evolution de la composition des gaz atmosphériques au cours du temps

Un autre des paramètres de l'apparition et de l'évolution de la vie sur Terre est le point triple de l'eau. Ce point triple de l'eau montre que dans les conditions de température et de pression régnant sur Terre, l'eau est présente sous ses trois états, liquide, solide, gazeux. C'est une particularité importante car si on prend une planète comme Mars, seule l'eau à l'état solide est présente.

Diagramme du point triple de l'eau

Origine et évolution du dioxygène sur Terre

En Afrique du Sud, on trouve une formation géologique appelée formation de Barberton datée 3,2 GA. On constate que cette formation est de couleur globalement rouge. En géologie, de telle roche sont caractéristique de la présence d'oxyde de fer.

La formation de Barberton

Si on regarde de plus près cette formation, on constate qu'elle est formée de couches successives (qui lui vaut son nom de minerai de fer rubané).

Le minerai de fer rubané

Cela signifie qu'on est présence de très vieilles roches sédimentaires qui ont été métamorphisées au cours du temps. Les roches sédimentaires se formant essentiellement en milieu marin, cela signifie que le dioxygène est apparu en milieu marin. Le dioxygène dissous dans l'eau a donc oxydé le fer à l'état d'ions solubles provoquant la formation d'un oxyde insoluble qui s'est déposé sur les fonds marins donnant les minerais de fer rubanés. La vie sur Terre serait apparu il y a environ -3,5 GA
On estime aujourd'hui que les premières traces de dioxygène sont dues à l'activité photosynthétique d'organisme procaryotes appelées cyanobactéries. Ces cyanobactérie, apparues il y a plus de 3 GA, existent toujours.

Une cyanobactérie actuelle, Anabœna

La photosynthèse nécessitant la lumière solaire, les premières cyanobactéries devaient être proches de la surface. C'est ce qu'on constate dans le cas des stromatolithes de Shark Bay en Australie. Ces stromatolithes sont des édifices calcaires construits par l'activité des cyanobactéries dans la zone intertidale (zone de balancement des marées).

Carte de l'Australie. Shark Bay est indiquée par une flèche noire

Stromatolithes à marée basse

Stromatolithes à marée haute

A suivre...

SEMAINE 2

Fiches de l'activité que nous aurions dû faire à partir d'aujourd'hui 9 septembre (sauf T1).

Attention Warning :
Même si ces fiches proviennent du site académique de Nantes, il y a une énorme ânerie dans le texte de la troisième fiche. A la troisième ligne sous les deux courbes, on peut lire cette abomination : "Ensuite lors de l'ajout de la solution du sulfate de fer, on note une diminution de cette photosynthèse ".
Outre le fait qu'on ne commence jamais une phrase par ensuite, la photosynthèse ne diminue pas. Tant qu'on éclaire une plante verte, elle photosynthétise. Simplement dans ce cas, le dioxygène est piégé par l'oxyde de fer et n'est donc pas libéré dans l'eau
On brûlait pour moins que ça au Moyen-âge !

Suite du cours (SEMAINE 2 pour les T1, SEMAINE 3 pour les autre)

Une coupe dans un stromatolithe actuel montre que seule la partie la plus externe est vivante et contient des cyanobactéries. Le reste est calcifié par précipitation de carbonate de calcium, cette précipitation étant due à l'activité photosynthétique.

Coupe dans un stromatolithe actuel

 

Les stromatolithes fossiles peuvent atteindre des tailles énormes comme le montre la photo ci-dessous prise dans le massif du Harz en Allemagne centrale.

 

Une coupe dans un stromatolithe fossile montre une structure tout à fait comparable au stromatolithe actuel. Si on applique l'actualisme (les mêmes causes engendrent les mêmes conséquence quelque soit l'époque), on peut considérer que les cyanobactéries fossiles sont bien à l'origine de l'apparition du dioxygène sur Terre.

Coupe de stromatolithe fossile

 

Une vidéo sur les stromatolithes géants des Bahamas découverts en 1986

 

A partir d'un certain nombre d'artéfacts géologiques on a pu reconstituer la courbe d'évolution du taux de dioxygène sur Terre depuis son apparition. Après que tout le fer II ait été oxydé, on estime que le dioxygène passe dans l'atmosphère, il y a environ 2,4 GA.

 

On peut constater que le taux de dioxygène a été au plus haut durant le carbonifère

 

Le carbonifère est une période du paléozoïque pendant laquelle les forêts (fougères arbustives surtout) recouvraient une grande partie des terres émergées. C'est de cette période que date les charbons du Nord-Pas-de-Calais. L'intense activité photosynthétique amène le taux de dioxygène à plus de 30%. Cette pression d'oxygène a entrainé une augmentation de la taille des insectes. C'est ainsi que Meganeura, une libellule, a pu atteindre une taille de 70 cm d'envergure.

Fossile de Meganeura au musée de Bruxelles

 

On peut ainsi facilement établir un cycle du dioxygène permettant de définir les phénomènes de consommation et de libération de O2. On parle de source pour la fabrication de dioxygène et de puits pour la consommation de dioxygène. On constate sur le schéma suivant que les deux phénomènes majeurs sont la photosynthèse (source) et la respiration (puits).

 

SEMAINE 4

Activités.

Observation microscopique de Cylindrospermum x 400. Cylindrospermum est une cyanobactérie filamenteuse.

 

Observation de coupe de stromatolithes à la loupe binoculaire. La partie la plus externe la était la zone photosynthétique occupée par les cyanobactéries.

 

SEMAINE 5

Le stockage et le cycle du carbone

Dans le cycle simplifié ci-dessous, on constate que le carbone se trouve sous deux états à la surface du globe :

— à l'état minéral dans l'atmosphère sous forme de CO2

— à l'état organique intégré dans la matière organique des êtres vivants.

Le passage de l'état minéral à l'état organique se fait essentiellement chez les végétaux grâce au phénomène de photosynthèse :

dioxyde de carbone + eau = glucose + dioxygène

Le passage de l'état organique se fait essentiellement par le phénomène de respiration cellulaire et de décomposition lorsque la matière organique est morte :

glucose + dioxygène = dioxyde de carbone + eau

 

Le phénomène de fossilisation se fait en milieu anoxyque (absence d'oxygène). La matière organique disparait peu à peu mais le carbone subsiste dans la roche carbonée (charbon ou pétrole). Lorsqu'on utilise un combustible fossile on libère donc du CO2 qui a été immobilisé il y a plusieurs centaines de millions d'années. Attention, il n'y a pas de stockage du dioxygène mais il y a stockage de carbone.

Fougère fossile conservée dans du charbon du Pas-de-Calais (Carbonifère, 300 millions d'années)

 

Le cycle du carbone ci-dessous a été réalisé d'après les travaux du GIEC (groupe intergouvernemental d'étude du climat). Il s'agit de la version 2014 qui a été réalisée au moment de la COP 21 qui a abouti aux accords de Paris sur le climat.

Ce cycle indiques deux informations principales :

— contrairement au cycle du dioxygène, le cycle du carbone n'est pas équilibré, il y plus de production de CO2 que de consommation

— ce déséquilibre est d'origine anthropique (activités humaines)

 

Présentation simplifiée de quelques molécules organiques

On peut classer les molécules biologiques soit par fonction, soit par structure.
Nous allons retenir ici 4 types de molécules organiques :
— les glucides
— les lipides
— les protéines
— les vitamines
Ces 4 grands types de molécules assurent trois fonctions :
— énergétique
— structurelle ou plastique
— biochimique

Les molécules énergétiques

Les glucides sont considérées comme les molécules énergétiques par excellence. Leur oxydation permet de maintenir la température interne constante chez les homéothermes. Chez les hibernants, lorsque la température extérieure baisse l'animal diminue son métabolisme jusqu'à un minimum pouvant atteindre —98% diminuant ainsi sa consommation de glucides afin de passer tout l'hiver sur ses réserves.

Loir en hibernation

Les ours ne sont pas des hibernants car leur température interne reste constante. On parle d'hivernation ou de semi-hibernation.

Ours en hivernation

Les lipides constituent, en grande partie, les réserves énergétiques de l'individu puisque l'organisme ne peut stocker qu'une très faible quantité de glucose sous forme de glycogène (100 g dans le foie et 200 g dans les muscles chez un homme). Ces réserves lipidiques sont les seules sources énergétiques dont dispose un hibernant.
Chez l'homme, ces réserves lipidiques sont stockées dans les tissus adipeux. Elles ne sont utilisées qu'en cas d'impossibilité d'utilisation directe des glucides.

Les molécules plastiques ou structurelles

Les lipides sont aussi des molécules qui interviennent dans la structuration de nombreux éléments biologiques comme les membranes plasmiques.
Parmi les lipides, on peut retenir en premier lieu, les acides gras. Ce sont des très longues molécules constituées de molécules de carbone et d'hydrogène et d'une fonction acide. Certains acides gras sont dits indispensables car leur carence (leur manque) peut entraîner de graves troubles. On peut citer l'acide arachidonique qui est un précurseur des prostaglandines qui interviennent dans les processus immunitaires.
Les acides gras sont classés en deux grands groupes, les acides gras saturés et les acides gras insaturés.
Les acides gras saturés ne contiennent pas de double liaison C=C. On les considère comme source de cholestérol sanguin et donc pouvant entraîner des risques de maladies cardiovasculaires. Ils sont d'origine animale (beurre, crème, graisse d'oie, graisse de bœuf). Cependant, leur suppression totale est dangereuse car ils sont nécessaires à la structuration des membranes.
Les acides gras insaturés sont de deux types :
— les acides gras mono-insaturés qui ne possèdent qu'une double liaison C=C
— les acides gras poly-insaturés qui possèdent plusieurs liaisons C=C.
Ils sont d'origine végétale (huiles). Il existe plusieurs nomenclatures des acides gras. Une très utilisée dans la consommation est la classification en oméga.
Certains acides gras insaturés auraient un effet préventif sur les maladies cardiovasculaires.

Les différents types d'acides gras

Quelques nomenclatures des acides gras

Un exemple d'alicament (aliment-médicament) : une bouteille d'huile avec des oméga-3

Un autre groupe de lipides est aussi très important dans le fonctionnement de l'organisme : les stéroïdes.
Parmi les stéroïdes un groupe de substances appelé stérols jouent un rôle essentiel dans la constitutions des lipides de membranes associés aux protéines. Le plus connu est le cholestérol qui est synthétisé à partir d'aliments comme les œufs, le foie, la viande ou la cervelle.
Le cholestérol a mauvaise réputation car on l'a associé longtemps aux maladies cardiovasculaires. Aujourd'hui, compte-tenu du caractère héréditaires de l'hyper-cholestérolémie, on a tendance à ne plus proposer de régime dépourvu de lipides.

Les protéines sont constituées de chaînes d'acides aminés. L'apport en acides aminés se fait par la nutrition. S'il existe 20 acides aminés naturels, seuls 10 sont dix essentiels ou indispensables. De nombreuses expériences au début du XXème siècle, ont montré qu'un régime sans cystéine proposé à des rats entrainait le dépérissement des animaux.
Attention, les acides aminés essentiels ne sont pas les mêmes selon les espèces animales.
On a pu montré que les animaux se développent bien s'il reçoivent une mélange équilibré de ces acides aminés.
Le ratio entre les acides aminés est différent chez l'enfant (ration de croissance) et chez l'adulte (ration d'entretien).

Amino-acides essentiels et non essentiels chez l'homme. Le cas de l'arginine est discuté.

Un certain nombre d'acides aminés sont obtenus par transamination dans l'organisme. Cela signifie qu'un acide aminé va réagir avec une autre molécule pour donner un nouvel acide aminé. Ces réactions sont catalysées par des enzymes appelées transaminases.
On considère qu'un individu normal doit consommer environ 1 g de protéines par jour par kilo de poids de corps. Chez les adolescents, les femmes enceintes et les femmes allaitantes, le taux doit être légèrement supérieur. C'est le cas aussi chez les sportifs qui veulent augmenter leur masse musculaire.
Le prise de protéine a donc un aspect qualitatif et quantitatif. Certains acides aminés n'étant présent que dans les produits d'origine animale, les personnes qui suivent un régime végétarien ou végan doivent être suivies par un nutritionniste (sérieux) et à fortiori, les enfants, afin de trouver des solutions de remplacement.
Un excès de protéines — on a vu des culturistes absorber 3,5 ou 4 g de protéines par kilo de poids de corps — peut entrainer des dommages irrémédiables à la fonction rénale. Ces dommages se traduisent, la plupart du temps, par des crises d'urémie. Les reins n'assurant plus leur fonction, l'urée qui est normalement excrétée, se retrouve dans le sang. Sans une intervention rapide et une dialyse, une crise d'urémie est souvent fatale.

Un bodybuilder des années 2000 dont les reins ont lâché par excès de protéines (et sans doute d'anabolisants). Il a eu de la chance d'être pris en charge rapidement.

Une carence protéique se traduit chez l'adulte par une fonte musculaire. Chez l'enfant ou le fœtus, la croissance est réduite et le développement mental peut être altéré. Ce problème est récurrent dans les pays en voie de développement. Les ONG estiment qu'en 2020, 45 millions de personnes en Afrique sont menacés par la famine. Depuis les années 1950, une carence en protéines s'appelle un kwashiorkor un mot provenant d'une langue parlée en Afrique de l'ouest (Ghana) et signifiant, "enfant rouge" du fait de la dépigmentation des enfants atteints.
Les ONG s'inquiètent de l'apparition des ces problèmes de nutrition qui apparaissent sporadiquement dans les camps de réfugiés. La situation risque de devenir incontrôlable lorsque de très grandes migrations de populations se produiront suite aux changements climatiques.

Une fillette atteinte de kwashiorkor

Les molécules fonctionnelles

Nous retiendrons deux grands types de molécules fonctionnelles : les hormones et les vitamines

Les hormones 

Les hormones sont des molécules qui sont sécrétées par une glande et agissent sur une autre glande ou un organe. Elles sont véhiculées par le sang et se fixe sur des récepteurs spécifiques portés par les glandes sur lesquelles elles agissent.

Les hormones protéiques
Comme leur nom l'indique ces molécules sont constitués de protéines. On peut citer comme exemple, les deux hormones pancréatiques qui agissent sur les cellules hépatiques afin de réguler la glycémie. L'insuline permet une baisse de la glycémie en provoquant le stockage du glucose par le foie sous forme de glycogène alors que son antagoniste, le glucagon provoque un déstockage du glucose en cas d'hypoglycémie.

Le foie et le pancréas

La molécule d'insuline

La molécule de glucagon

Les hormones lipidiques
Dérivant des stérols, les hormones stéroïdiennes ont des rôles très variées. Nous retiendrons deux types d'hormones stéroïdiennees, les hormones d'origine surrénalienne et les hormones d'origine gonadique.
Les glandes surrénales sont des petites glandes situées au dessus des reins. C'est le cas du cortisol.

Position des glandes surrénales

Rôles des surrénales

Les glucocorticoïdes agissent sur le métabolisme, sur les processus inflammatoires, et sur le rythme circadien, c'est à dire le cycle de 24 heures de fonctionnement de l'organisme.
Les minéralocorticoïdes agissent essentiellement sur l'homéostasie hydrique (régulation de la quantité d'eau dans l'organisme) et sur l'activité rénale. C'est le cas de l'aldostérone.

Les services rendus par les écosystèmes (1ère spé SVT)

Impact humain sur les  écosystèmes

Les forêts européennes sont, comme nous l'avons vu, des forêt artificielles. On distingue deux grands types de peuplement forestier :
— les futaies qui sont composées de grands arbres feuillus ou résineux
— les taillis, plus bas, qui sont constitués de rejets de grands arbres.
Une partie des forêts européennes est mixte, c'est à dire constituée de taillis et de futaies.

Une futaie

Un taillis

L'exploitation d'une forêt implique des coupes. On parle de coupe rase lorsque tous les arbres, futaie ou taillis, sont coupés. Ce type de coupe a un impacte visuel immédiat, mais aussi des impacts écologiques comme une baisse de la biodiversité et un risque d'érosion des sols.

Conséquences d'une coupe

Les forêts tropicales sont des forêts primaires. Ces forêts sont un réservoir de biodiversité immense. La plus grande menace pour ces forêts primaires est la déforestation, particulièrement à Bornéo et en Amazonie, d'autant que les pouvoirs politiques sont complices. L'élimination de la forêt entraîne la disparition d'espèces endémiques (spécifiques au lieu) dont les différents orang-outans sont l'exemple le plus célèbre. Compte tenu de la forte érosion des sols due à des pluies très abondantes (climats tropical ou équatorial), les sols dénudés s'appauvrissent très rapidement et se transforment en bad-lands ou plus aucun arbre ne peut pousser.

Evolution de la surface forestière sur le globe entre 2000 et 2015

Exemple de déforestation dans une zone tropicale

Evolution de la surface de forêts à Bornéo depuis les années 1950

Déforestation à Bornéo pour la culture du palmier à huile

L'orang-outan, une des victimes de la déforestation à Bornéo

Déforestation en Amazonie par incendies pour installer des cultures de soja.

Exploitation de gisements pétroliers en Amazonie

Effet de la déforestation sur le développement de certaines maladies

Les populations amazoniennes sont menacées par la déforestation

Caricature de Plantu

Les services écosystémiques

On appelle services écosystémiques l'ensemble des ressources gratuitement fournies par un écosystème. On les divise en trois types.

Les trois types de services écosystémiques

Les services d'approvisionnement
Ils désignent les ressources utilisées par les humains, comme le bois, la nourriture (gibiers, plantes, champignons) ou des molécules d'intérêt (pour la pharmacologie par exemple).

Les services de régulation
Un des phénomènes de régulation les plus importants provoqués par une forêt est le piégeage du CO2. En effet, une forêt consomme plus de CO2 par photosynthèse qu'elle n'en rejette par respiration. La forêt est un véritable puits de carbone.

Le rôle d'un forêt comme puits de CO2

Un autre des services de régulation est le stockage de l'eau dans les nappes et aussi la régulation des crues. La présence d'une bande forestière le long d'un cour d'eau (ripisylve) permet aussi une diminution de la pollution des nappes par les engrais les arbres jouant le rôle de pièges à engrais.

Le rôle d'un forêt dans la protection des eaux

Rôle de la forêt dans le cycle de l'eau

Rôle des arbres dans l'élimination des polluants aériens

Les services culturels

Une forêt est un lieu de détente et de jeux divers, randonnées, accrobranches, etc. Elle permet aussi de sensibiliser le public à la notion de biodiversité et surtout, à sa protection.

La gestion rationnelle des ressources exploitables

Le concept de gestion durable des forêts a été défini lors de la conférence de Rio en 1992. Elle permet de gérer rationnellement les forêts.
La sylviculture traditionnelle consiste à pratiquer des coupes permettant la régénération de la forêt. C'est le type d'exploitation qu'on observe dans la forêt des Landes créée artificiellement sous Napoléon III et constituée uniquement de pins maritimes. Il faut souligner sa grande sensibilité aux incendies du fait de l'essence choisie et du vent omniprésent.
Ce type d'exploitation est économiquement rentable mais un danger pour la biodiversité lorsqu'une coupe est effectuée.
La sylviculture écologique associe diverses essences forestières d'âges variés. Si l'exploitation en est moins facile et moins rentable, elle permet un meilleur maintient de la biodiversité et une meilleure résistance aux aléas climatiques et biologiques.
Lorsqu'un milieu naturel est affectée par une catastrophe sa résilience peut être insuffisante, et l'homme doit intervenir. On parle d'ingénierie écologique.
On peut soit réhabiliter le biotope et la biocénose d'origine en réintroduisant les espèces d'origine, soit réaffecter le lieu à un autre écosystème lorsque les dégâts ont été trop importants.