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Évolution et Diversité du Vivant (101-NYA-05) Bernadette Féry Automne 2008 Chapitres 1et 2 Campbell, 3 e édition CONCEPTS DE BIOLOGIE, DÉMARCHE SCIENTIFIQUE,

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1 Évolution et Diversité du Vivant (101-NYA-05) Bernadette Féry Automne 2008 Chapitres 1et 2 Campbell, 3 e édition CONCEPTS DE BIOLOGIE, DÉMARCHE SCIENTIFIQUE, NOTIONS MINIMALES DE CHIMIE Cours 1 Les poupées russes s’emboîtent les unes dans les autres tout comme les niveaux structuraux du vivant.

2 1.L’organisation complexe du vivant 2.Les caractéristiques du vivant 3.Les organismes sont des systèmes ouverts 4.La cellule est l’unité structurale et fonctionnelle de tout être vivant 5.La perpétuation de la vie repose sur l’information héréditaire de l’ADN (acide désoxyribonucléique) 6.Les deux grands types de cellules : procaryotes et eucaryotes 7.Les propriétés émergentes 8.La vie présente une grande diversité mais aussi une grande unité 9.Le processus de l’évolution explique la diversité et l’unité de la vie 10.La taxinomie, la science de la classification, classe les êtres vivants en trois domaines (l’arbre taxinomique reflète l’évolution) 11.Il existe une corrélation entre la structure et la fonction Partie 1 : Les concepts fondamentaux en biologie

3 1.L’organisation complexe du vivant L’organisation biologique correspond à une hiérarchie de niveaux structuraux s’édifiant les uns à partir des autres. Molécules Atomes Organites Cellules Tissus OrganesSystèmeOrganisme Population Communauté Écosystème La vie repose sur l’intégrité de ces niveaux structuraux

4 Particules subatomiques Électron, proton, neutron ou toute autre unité fondamentale de la matière Atome d’oxygène Source Atome Plus petite unité d’un élément qui conserve les propriétés de cet élément

5 Molécules Ensemble d’au moins deux atomes reliés par liaison chimique Molécule de chlorophylle Capte les ondes lumineuses HydrogèneMagnésium Carbone Organite Regroupement de molécules en une structure ayant un rôle défini (un petit organe dans la cellule) Organite : chloroplaste Organite photosynthétique qui contient la chlorophylle

6 Cellule Regroupement des organites et des molécules en une unité vivante, capable de se reproduire et jouant un rôle déterminé Cellules de la feuille Tissu Regroupement des cellules de même type et exerçant une fonction commune Tissus De l’épiderme et photosynthétique

7 Organe Regroupement de plusieurs tissus différents accomplissant une tâche précise Feuille Les racines et la tige sont aussi des organes Système conducteur Les tissus du xylème et les tissus du phloème font monter et descendre la sève chez les plantes. Système Regroupement d’organes et de tissus orientés vers une fonction globale Campbell (3 e éd.) — Figure 35.8 : 776

8 Organisme Regroupement des systèmes, des organes et des tissus en une entité vivante et reproductible Un tremble Population Ensemble des organismes de la même espèce qui vivent dans une même région Une population de trembles

9 Communauté Ensemble des populations animales, végétales et microbiennes qui habitent une même région (ensemble des vivants) Une communauté de Tanzanie Population de zèbres Population de graminées Population de gnous Un écosystème de Tanzanie Écosystème Regroupement d’une communauté et de son milieu physico-chimique (les vivants et leur milieu : terre, air, eau)

10 2.Les caractéristiques du vivant Campbell (3 e éd.) — Figure 1.2 : 2 Ordre « organisation complexe Ordre « organisation complexe » Le vivant présente une structure «ordonnée». Celle-ci résulte des divers niveaux d’organisation qui le constitue. (De l’atome à l’organisme en passant par les cellules, les tissus et les organes.) Utilisation de l'énergie Le vivant a besoin d’énergie (via la nourriture) afin de maintenir la cohésion de sa structure ordonnée.

11 Croissance et développement Le vivant est capable de croître et de se développer. Sensibilité La sensibilité du vivant le rend capable de réagir à l’environnement. Reproduction Le vivant se reproduit, il y a de plus en plus d’humains sur la Terre. Les structures non vivantes ne se reproduisent pas. La matière existe en quantité «finie».

12 Homéostasie «état stable du milieu interne» Le vivant maintient son milieu interne dans un état stable, une condition obligatoire pour maintenir ses cellules en vie. Ce lapin maintient sa température interne en perdant l’excès de chaleur par ses oreilles. Milieu interne = tous les liquides corporels Liquide entre les cellules (liquide interstitiel) Sang Lymphe LCR (liquide céphalo-rachidien) Humeurs dans l’œil Liquide des articulations …

13 Deux mécanismes de régulation permettent de garder l’homéostasie du milieu interne : la rétro-inhibition et la rétroactivation Dans la rétro-inhibition, un processus courant de régulation, la variable issue d’un processus engendre une boucle qui le contrecarre. Campbell (3 e éd.) — Figure 1.11 : 10 Exemples Un excès de produit bloque la voie enzymatique pour créer ce produit. Un excès de température engendre une boucle qui permet d’abaisser cette température. Une baisse d'oxygène sanguin crée une boucle qui accélère la respiration et fait remonter le taux d’oxygène.

14 Dans la rétroactivation, un processus plus rare de régulation, la variable issue d’un processus engendre une boucle qui l’accélère. Campbell (3 e éd.) — Figure 1.12 : 11 Exemples L’entrée d’ions sodium dans la cellule nerveuse crée une boucle qui accélère l’entrée d’autres ions sodium jusqu’au point de déclencher un influx nerveux. Après l’influx, le processus cesse. Lorsque le bébé pousse sur le col de l’utérus, il se crée une boucle qui engendre la sécrétion de l’hormone ocytocine. Celle ci fait contracter l’utérus et le bébé descend davantage sur le col ce qui entraîne la sécrétion d’encore plus d’hormone. Le processus s’amplifie de plus en plus puis cesse brusquement au moment de la délivrance. Lorsque l’on se blesse, une boucle de rétroactivation permet la formation d’un caillot sanguin. La boucle cesse dès que le caillot est formé. La régulation par rétroaction se produit à tous les niveaux de l’organisation biologique. Par exemple, si le nombre de proies chute, le nombre de prédateurs chute aussi.

15 Évolution et adaptation Le vivant s’adapte à l’environnement par le processus que l’on appelle «évolution». Cet hypocampe est remarquablement adapté à son environnement. Définition de l’évolution des espèces selon Darwin (le père de l’évolution) L’évolution des espèces est une «descendance avec modifications» c’est-à-dire une succession d’ancêtres ayant subi des transformations progressives au fil des générations.

16 Le mécanisme de l’évolution de Charles Darwin est la « sélection naturelle » Il y a des variations entre les individus d’une population. Dans la lutte pour la survie, les individus qui présentent les caractères les mieux adaptés à leur milieu sont favorisés et engendrent plus de descendants que les autres. Les caractères favorables s'accumulent avec le temps. La population évolue. Campbell (3 e éd.) — Figure 1.21 : 16 Il y a des pâles et des foncés. Les pâles, plus visibles, sont mangés (sélectionnés). Les foncés, survivent et se reproduisent. La population est adaptée à son milieu. Sélection = élimination

17 3.Les organismes sont des systèmes ouverts Les organismes sont des systèmes ouverts qui échangent sans cesse de la matière et de l’énergie avec leur environnement. Cette matière et cette énergie sont nécessaires pour maintenir l’intégrité de l’organisation complexe de chaque être vivant. Campbell (3 e éd.) — Figure 1.4 : 6 Plantes Animaux Énergie lumineuse Perte d’énergie sous forme de chaleur Nutriments

18 4.La cellule est l’unité structurale et fonctionnelle de tout être vivant La cellule est l’unité structurale et fonctionnelle de tout être vivant car elle est capable d’accomplir toutes les activités du vivant : elle mange, boit, digère, excrète, respire et se reproduit. Campbell (3 e éd.) — Figure 1.5 : 6 « En dessous » du niveau cellulaire, la vie est impossible. Ainsi, un chloroplaste ne peut vivre et fonctionner que s’il est intégré à une cellule végétale.

19 La cellule est l’unité fondamentale du vivant. Cela est si vrai que les plus petits organismes sont formés d’une seule cellule ; ce sont des unicellulaires. EuglènesEuglènes «photographed in a mass of mucilage» Des algues unicellulaires. Groupe des algues Règne des protistes PARAMÉCIESPARAMÉCIES « se nourrissant de débris organiques ». Comme des «animaux» unicellulaires. Groupe des protozoaires Règne des protistes

20 5.La perpétuation de la vie repose sur l’information héréditaire de l’ADN (acide désoxyribonucléique) La matière s’édifie à partir des instructions de l’ADN. ADN Campbell (3 e éd.) — Figure 1.7 : 6 Zone nucléoïde d’une bactérie Chez les bactéries, l’ADN se loge dans la zone nucléoïde. ADN Noyau des cellules animales, végétales, des cellules de champignons, des cellules de … ADN Chez les autres cellules, l’ADN se loge dans le noyau.

21 L’ADN est dans un chromosome. Un chromosome = une seule et longue molécule d’ADN et des protéines associées Campbell (3 e éd.) — Figure 19.2 : 393 ADN Protéines L’ADN contient des centaines ou des milliers de gènes (selon la longueur du chromosome). Un gène est un programme permettant de fabriquer une molécule de protéine. Les protéines sont de diverses nature : anticorps pour la défense immunitaire, protéines contractiles des muscles, enzymes pour la catalyse dans la cellule, etc. …… Gène pour fabriquer la protéine 30 Gène pour fabriquer la protéine 28 Gène 27Gène 28Gène 29Gène 30Gène 31 Protéines ADN

22 L’ADN est héréditaire : il est transmis des parents aux enfants mais aussi de cellules à cellules (grâce à la réplication) Réplication = dédoublement de l’ADN avant la division cellulaire Génome = lot de gènes reçus des parents, au moment de la conception Chacun de nous provenons d’une cellule unique contenant l’ADN de nos parents. La réplication de cet ADN (l’ADN se double) permet de transmettre ensuite ces gènes aux billons de cellules qui nous composent. ADN paternel (23 chromosomes dans le spermatozoïde) ADN maternel (23 chromosomes dans l’ovule) ADN du zygote (46 chromosomes) Zygote = première cellule de l’enfant Campbell (3 e éd.) — Figure 1.6 : 6 Chaque cellule de l’enfant possède les mêmes 46 chromosomes qu’il y avait dans son zygote.

23 6.Les deux grands types de cellules Milliards d'années = ma Micromètre = µm Les cellules eucaryotes Campbell (3 e éd.) — Figure 6.9 : 105 Noyau Chloroplaste Les plus récentes (2,5 ma). Les plus grosses (environ 50 µm). Un véritable noyau délimité par une membrane. Des organites membraneux, des petits organes entourés d’une membrane (chloroplastes, noyau…) Toutes les autres types de cellules Les cellules procaryotes Les plus anciennes (3,5 ma). Les plus petites (environ 5 µm). Pas de noyau mais une zone nucléoïde constituée d’un seul chromosome fortement replié. Pas d’organites membraneux. Toutes les cellules de type bactérien Campbell (3 e éd.) — Figure 18.2 : 366 Zone nucléoïde d’une bactérie Noyau d’une cellule eucaryote Virus

24 Identifiez : cellule eucaryote, cellule procaryote, noyau, zone nucléoïde, organite Biodic

25 7.Les propriétés émergentes Apparition à chaque niveau d'organisation supérieur, de nouvelles propriétés qui n’existaient pas au niveau inférieur. Quand on grimpe l’échelle biologique, les performances augmentent. Une cellule endothéliale (constituante des capillaires sanguins) a des propriétés particulières mais, seule, elle ne peut conduire le sang. Associée aux autres cellules endothéliales (tissu endothélial), elle contribue au tube qui canalise le sang, en absorbe certains produits et en y déverse d’autres. Exemple de la cellule endothéliale Inspiré de Life, 4 e éd., figure 1.2 : 5

26 Le tissu musculaire de l’estomac se contracte mais, seul, il ne peut exercer sa fonction. Associé aux autres tissus de l’estomac (nerveux, épithélial, conjonctif), il devient pleinement fonctionnel. En se contractant, il mélange les aliments aux sucs digestifs libérés par le tissu épithélial de l’estomac. Les aliments se transforment en bouillie acide. Inspiré de Life, 4 e éd., figure : 728 Exemple du tissu musculaire

27 La vie repose sur l’intégrité de tous ces niveaux structuraux. Si on détruit l’intégrité structurale d’un organisme, en lui enlevant un organe vital par exemple, il meurt. Par opposition, si on casse une roche en plusieurs fragments, la roche garde toutes ses propriétés. La vie est une propriété émergente. Les êtres vivants se caractérisent par leur très grande organisation qui repose sur une hiérarchie de niveaux structuraux, chacun des niveaux s'édifiant à partir du niveau inférieur.

28 8.La vie présente une grande diversité mais aussi une grande unité On connaît environ espèces et il en reste beaucoup d’autres à découvrir ! (Diversité) Collection de Coléoptères du Musée de Melbourne Les êtres vivants sont très variés et pourtant ils se ressemblent énormément. (Unité) Même code ADN chez les bactéries et les animaux Ressemblance au niveau moléculaire Campbell (3 e éd.) — Figure 1.19 : 15 Trois variantes d’un même thème ! Ressemblance au niveau organique Mêmes structures de cils chez les bactéries et les animaux Ressemblance au niveau cellulaire Campbell (3 e éd.) — Figure 1.16 : 14

29 9. Le processus de l’évolution explique la diversité et l’unité de la vie L’unité et la diversité du vivant s’explique par le processus de l’évolution. L’unité provient du fait que les organismes ont évolué à partir d’ancêtres communs. La diversité résulte du fait que les espèces ont développé des caractères différents pour s’adapter à de nouveaux milieux. Tous faits sur le même plan. (Unité) Se sont modifiés sous l’effet de la sélection naturelle sur des millions de générations dans divers contextes environnementaux. (Diversité) Exemple des membres antérieurs des mammifères Nageoire de baleine Bras Patte avant du cheval Aile de chauve- souris Campbell (3 e éd.) — Figure : 486

30 Arbre phylogénétique de classification ABCDE 10.La taxinomie La taxinomie est la branche de la biologie qui a pour objet de nommer les espèces et de les classifier en groupes apparentés de plus en plus larges afin de comprendre leur liens évolutifs (connaître leurs origines) Les branches de l’arbre qui sont au même niveau sont occupées par des groupes d’espèces qui se ressemblent beaucoup mais moins que dans les branches supérieures. Chaque espèce occupe l’extrémité d’une branche. À ce niveau, chaque espèce est nommée. Les espèces apparentées sont regroupées en de plus vastes ensembles. Plus on descend vers la base de l’arbre plus les branches sont grosses car elles regroupent des ensembles de plus en plus vastes. Théoriquement on peut remonter l’arbre généalogique jusqu’à y rencontrer le prototype ancestral apparu sur la Terre primitive, il y a environ 3,5 milliards d’années.

31 L’arbre taxinomique reflète l’évolution : il montre, à la fois, l’unité du vivant et sa diversité. ABCDE Diversité. De nombreuses espèces apparentées se distinguent par des petits détails. Unité. Ressemblance par certains grands traits communs. Les érables font partie des plantes à fleurs. Il existe environ espèces de plantes à fleurs. (Campbell, p. 626) Érable argenté Érable à sucre Érable de Pensylvannie

32 La taxinomie classe les êtres vivants en trois domaines Domaine des Bactéries Bactérie. Unicellulaires ou coloniaux. Divers modes de nutrition. Réparties en plusieurs règnes. Anciennement, étraient dans le règne des Monères Domaine des Archéobactéries Bactéries des milieux extrêmes (lacs salés, sources chaudes). Unicellulaires ou coloniaux. Divers modes de nutrition. Réparties en plusieurs règnes. Domaine des Eucaryotes Règnes des Protistes. Un seul règne fourre-tout qui englobe de nombreux organismes autant unicellulaires que pluricellulaires. Plusieurs font de la photosynthèse comme les Végétaux et d’autres ingèrent de la nourriture comme les Animaux. La tendance récente en taxinomie est de le diviser en plusieurs règnes. Règne des Végétaux Multicellulaires qui produisent leur nourriture par photosynthèse Règne des Eumycètes Multicellulaires qui décomposent, à l’extérieur d’eux- mêmes, les organismes morts et les débris organiques puis en absorbent les sous-produits. Règne des Animaux Multicellulaires qui ingèrent leur nourriture et la digèrent à l’intérieur d’eux-mêmes. Campbell (3 e éd.) — Figure 1.15 : 13

33 11.Il existe une corrélation entre la structure et la fonction Il y a une corrélation entre la structure (sa forme, son anatomie) et la fonction qu’exerce cette structure (sa physiologie, son fonctionnement), et ce, à tous les niveaux de l’organisation biologique. La forme aérodynamique et la grande surface portante des ailes (structure) permettent le vol (fonction). Les os creux des oiseaux les rendent plus légers (structure) et donc aptes à s’envoler (fonction). Campbell (2 e éd.) — Figure 1.6 : 8

34 Les prolongements des neurones les rendent aptes à transmettre l’influx nerveux d’un endroit à l’autre du corps. Mitochondrie Les replis de la membrane interne augmentent la surface ce qui permet de contenir plus d’enzymes pour la respiration cellulaire, sa fonction première. L’analyse d’une structure biologique nous donne des indices sur sa fonction et vice versa. L’analyse d’une fonction réalisée par une structure nous donne des indices sur la composition de cette structure.

35 12.La recherche mène à la science ! L’approche descriptive L’approche par hypothèses (hypothético-déductive) 13.Compléments sur la méthode scientifique Principes fondamentaux concernant les hypothèses Les diverses variables Principes concernant les expériences et les variables Groupes expérimentaux et groupes témoins Schéma résumé de l’approche hypothéticodéductive Partie 2 : Les voies de la recherche

36 12.La recherche mène à la science ! (Le mot science vient du mot latin scire qui signifie « savoir ».) La soif de connaître a poussé l’humain, depuis toujours, à chercher des réponses à ses questions. (Comment ? Pourquoi ?) Cette recherche, née de la curiosité naturelle, a engendré les connaissances (le savoir, la science) qui se sont accumulées au fil du temps. L’approche descriptive qui s’attache à décrire la nature L’approche par hypothèses qui essaie d’expliquer cette nature. La recherche, en biologie, emprunte principalement deux voies :

37 Approche descriptive Procède par observations et induction S’attache à décrire la nature par une observation attentive. (Décrire les structures d’une cellule, décrire le génome des espèces…) La cueillette des données se fait à l’aide des sens et d’outils qui les prolongent (règle, microscope, balance, …). Les données peuvent être qualitatives ou quantitatives. L’analyse rigoureuse des données peut aboutir à des conclusions importantes. Le raisonnement logique est l’induction ou raisonnement inductif : on énonce une généralité à partir d’un grand nombre de faits particuliers. Pendant deux siècles, les biologistes ont vu qu’il y avait des cellules dans tous les échantillons qu’ils observaient au microscope. ( Observations ) L’un d’eux, un jour, a généralisé en affirmant que tous les organismes étaient faits de cellules. ( Induction ) Un exemple de conclusion inductive

38 Approche par hypothèses Procède par observations, induction et déduction Processus de recherche structuré en une série d’étapes qui correspondent à la démarche scientifique (ou méthode scientifique) 1. On observe un événement. (Observations) 2.En lien avec cette observation, on pose une question ou on cerne un problème. 3. On formule une hypothèse «plausible» pour répondre à la question ou pour solutionner le problème. Par raisonnement inductif (induction) : à partir des faits particuliers (les observations), on formule une généralité — l’hypothèse. 4. On imagine une expérience pour vérifier l’hypothèse mais avant de procéder à cette expérience, on « prédit » les résultats qu’elle devrait donner si l’hypothèse est bonne. Par raisonnement déductif (déduction) : à partir de l’énoncé général (l’hypothèse), on prédit les résultats particuliers « prévisibles » de l’expérience — la prédiction. 5.On procède à l’expérience comme telle et on recueille les données. 6. On compile et analyse les données pour tirer la conclusion de l’expérience : l’hypothèse est réfutée ou non réfutée. Si les résultats «réfutent» l’hypothèse, il faut en faire une autre puis la vérifier à l’aide d’une autre expérience. Si les résultats «ne réfutent pas» l’hypothèse, celle-ci semble juste (jusqu’à preuve du contraire). 7. On publie les résultats. (Rapport de laboratoire)

39 L’expérience de « la lampe de poche qui ne marche pas » fait appel à l’approche par hypothèses (hypothéticodéductive) Campbell (3 e éd.) — Figure 1.25 : 19 Mise en contexte Vous êtes en camping et la lampe de poche ne fonctionne pas. Question. Pourquoi la lampe ne fonctionne pas ? Observation. La lampe de poche ne fonctionne pas. Hypothèse no 1. Les piles sont à plat. Hypothèse no 2. L’ampoule est grillée. INDUCTION (Du particulier au général)

40 Campbell (3 e éd.) — Figure 1.25 : 19 Prédiction. Le remplacement des piles résoudra le problème. La prédiction consiste à prévoir les résultats de l’expérience (avant de faire l’expérience). Hypothèse no 1. Les piles sont à plat. Hypothèse no 2. L’ampoule est grillée. Conclusion. L’hypothèse no 2 est non réfutée. Prédiction. Le remplacement de l’ampoule résoudra le problème. DÉDUCTION (Du général au particulier) Expérience et analyse des résultats. Je remplace les piles et la lampe ne fonctionne pas. Expérience et analyse des résultats. Je remplace l’ampoule et la lampe fonctionne. Conclusion. L’hypothèse no 1 est réfutée.

41 Si les piles sont à plat ( hypothèse ) et que je les remplace par des neuves ( expérience que je prévois faire ) alors la lampe devrait fonctionner ( prédiction). Si l’ampoule est grillée ( hypothèse ) et que je la remplace par des neuves ( expérience que je prévois faire ) alors la lampe devrait fonctionner ( prédiction). Reformulation des hypothèses précédentes en termes logiques « si — et — alors » Hypothèse no 1. Hypothèse no 2.

42 MISE EN CONTEXTE Guppys Paecilia reticulata L’expérience de Reznick/ Endler, sur les Guppys, fait appel à l’approche par hypothèses (hypothéticodéductive) Campbell (3 e éd.) — p. 484 David Reznick (Université de Californie à Riverside) et John Endler (Université de Californie à Santa Barbara) ont effectué des recherches sur les différences observées chez des populations de Guppys à la Trinité, une île des Petites Antilles. Les Guppys (Paecilia reticulata) sont des petits Poissons d’eau douce souvent élevés en aquariums domestiques. À l’île de Trinité, dans le fleuve Aripo et ses affluents, les Guppys vivent en populations relativement isolées les unes des autres. Source

43 Même cours d’eau. Même espèce de guppys. Différences de taille entre les populations des différents bassins (à moins de 100 m l’un de l’autre) en corrélation avec la grosseur du prédateur OBSERVATION Gros prédateur : cichlidé-brochet Petits guppies (à maturité) Petit prédateur : Épiplatis Gros guppys (à maturité) Campbell (3 e éd.) — Figure : 484 Quelle est la cause de ces différences biologiques entre ces populations de Guppys ? QUESTION

44 Hypothèse no 1 « en rapport avec la variable température de l’eau » Si la taille des guppys est en relation avec la température. (Hypothèse) Et que on prélève des populations de diverses tailles pour les élever dans des aquariums aux conditions identiques, sans prédateurs. C'est le groupe expérimental. On continue aussi d’étudier les populations naturelles. Ce sont les groupes témoins. (Expérience prévue) Alors les Guppys devraient tendre vers la même taille après quelques générations. (Prédiction) Cette hypothèse a été réfutée.

45 Hypothèse no 2 « en rapport avec la variable taille du prédateur » Si la taille des guppys est en relation inverse avec celle de leur prédateur. (Hypothèse) Et que on prélève une partie d’une population de guppys exposée habituellement aux gros cichlidés-brochets pour la transférer dans un site habité de petits épiplatis. C'est le groupe expérimental. On garde aussi une population naturelle en observation. C'est le groupe témoin. (Expérience prévue) Alors la taille des guppys du groupe expérimental augmentera après quelques générations. (Prédiction) Cette hypothèse a été non réfutée.

46 EXPÉRIENCE Groupe expérimental On prélève une partie de population de guppys exposée habituellement aux gros cichlidés- brochets et on les transfère dans un site habité de plus petits prédateurs : des épiplatis. Groupe témoin On garde une population naturelle en observation.

47 RÉSULTATS expérimentaux La taille des guppys transférés avec les petits prédateurs a augmenté. La taille des guppys des groupes témoins est demeurée semblable à ce qu’elle était au début de l’expérience. MâlesFemelles Campbell (3 e éd.) — Figure : 484 Groupes témoin Groupes expérimentaux

48 CONCLUSION L'hypothèse (la taille des guppys est en relation inverse avec celle de leur prédateur) est non réfutée. On ne peut affirmer toutefois que cette hypothèse est juste. Même les hypothèses les plus minutieusement vérifiées sont admises conditionnellement, en attendant une recherche plus poussée.

49 13.Compléments sur la méthode scientifique Principes fondamentaux concernant les hypothèses : plausible, vérifiable, jamais prouvée hors de tout doute. 1.Une hypothèse doit être plausible, basée sur l’expérience passée et sur les données fournies par l’approche descriptive. 2.Une hypothèse doit être vérifiable, c’est-à-dire qu’on doit pouvoir démontrer sa validité à l’aide d’une expérience. 3.Lors d’une étude expérimentale sur un sujet donné, il est préférable de faire plusieurs hypothèses, vérifiable chacune, par une expérience. 4.La vérification appuie une hypothèse non pas en prouvant qu’elle est correcte mais en ne l’éliminant pas par réfutation. Autrement dit, même si les résultats d’une expérience semblent confirmer une hypothèse, cette hypothèse n’est pas pour autant prouvée hors de tout doute. 5.Une hypothèse devient crédible parce qu’elle résiste aux différentes tentatives de réfutation et que les expériences éliminent (réfutent) les autres hypothèses.

50 Variables indépendante et dépendante La variable indépendante. Facteur que l'on fait varier (manipule) dans une expérience afin de vérifier son effet. Les variables dépendantes. Variables influencées par la variable dépendante. Sont des indicateurs des effets subis par la variable indépendante. Dans un super-marché, je place un produit à hauteur des yeux des acheteurs et il est acheté souvent. Si je le déplace plus haut ou plus bas, son taux d’achat diminue. La hauteur du produit est la variable indépendante. (Variable manipulée) Le taux d’achat est la variable dépendante. (Variable passive) Exemple Une expérience ne doit faire varier qu'une seule variable à la fois Si plusieurs variables sont soupçonnées, il faut une expérience différente pour chaque variable.

51 Groupe expérimental et groupe témoin (groupe contrôle, expérience contrôlée) Groupe expérimental. Expérience où l'on manipule la variable étudiée. Groupe témoin. Expérience où la variable à l’étude est absente ou maintenue constante. Le groupe témoin sert de point de comparaison pour vérifier les effets de la modification de la variable dans le groupe expérimental tout en annulant les effets de variables non désirées (puisque ces variables non désirées se retrouvent tout autant dans le groupe expérimental). En d’autres mots, les chercheurs «contrôlent» les variables non désirées non pas en les éliminant par contrôle de l’environnement, mais en annulant leurs effets au moyen de groupes témoins.

52 Cueillette et analyse des résultats Observations et questionnement sur un sujet Groupe expérimental La variable étudiée est présente Groupe témoin La variable étudiée est absente Hypothèse Vérification expérimentale de l’hypothèse Publication des résultats (rapport de laboratoire) 6 Prédiction des résultats que l’expérimentation donnera si l’hypothèse est juste Conclusion (Sur la justesse de l’hypothèse) Schéma résumé de l’approche hypothéticodéductive

53 14.Composition de la matière 15.L’atome et son élément 16.Les couches électroniques et le comportement chimique de l’atome 17.Les liaisons chimiques fortes : liaison covalente non polaire, liaison covalente polaire et liaison ionique 18.Les liaisons chimiques faibles : liaison ionique, liaison hydrogène et forces de Van der Waals Partie 3 : Notions minimales de chimie

54 14.Composition de la matière La matière est constituée d’éléments chimiques purs ou combinés en composés. On trouve 90 éléments à l’état naturel. Les plus abondants de la matière vivante sont CHON (96%) et CaKPS… (4%) [Voir l’appendice A5 pour les symboles] Élément. Un élément est une substance impossible à décomposer au cours de réactions chimiques. Composé. Un composé est une substance formée de deux ou plusieurs éléments (comme le NaCl).

55 15.L’atome et son élément L’atome est l’unité élémentaire de la matière. Comprend un noyau et des électrons. L'hydrogène est le seul atome qui n'a pas de neutrons ! Atome d’hélium Une ou plusieurs électrons Chaque électron a une charge négative (-1) et est de masse négligeable. Noyau (positif et "pesant"). Un ou plusieurs protons de charge positive (+1) et de masse significative. Un ou plusieurs neutrons électriquement neutres (0) et de masse significative O + O + - Protons Neutrons Électrons o

56 On désigne un atome à l'aide d'un symbole altéré de chiffres à sa gauche. Atome d’hélium - O + O + - He 4 2 Numéro atomique 2 protons (= Nombre d’électrons) Nombre de masse 2 protons + 2 neutrons (Masse du noyau) Les atomes sont neutres : leur nombre de protons égale leur nombre d’électrons. (He a 2 protons donc 2 électrons).

57 Les atomes diffèrent les uns des autres par leur nombre de protons. Les atomes de l’élément hydrogène ont toujours 1 proton. Les atomes de l’élément carbone ont toujours 6 protons. Les atomes de l’élément plutonium ont toujours 94 protons. Tous les atomes ayant le même nombre de protons, peu importe leur nombre de neutrons, présentent les mêmes propriétés chimiques et appartiennent au même élément. L’élément oxygène regroupe tous les atomes d’oxygène. 16 O  8 protons et 8 neutrons (le plus abondant de l'élément) 17 O  8 protons et 9 neutrons 18 O  8 protons et 10 neutrons (le plus lourd des trois)

58 Les isotopes sont les atomes de l'élément qui présentent un nombre différent de neutrons. Les isotopes de l'élément oxygène : 16 O, 17 O et 18 O Les isotopes de l'élément carbone sont 12 C, 13 C et 14 C. Utilité des radio-isotopes Industrie nucléaire. Marqueurs biologiques dans des expériences de recherche. Destruction sélective de tissus en médecine ( ex : cellules cancéreuses). Datation de fossiles avec le carbone 14. Les radio-isotopes sont des isotopes dont le noyau est instable par un excès de protons, de neutrons ou des deux. Ils se désintègrent spontanément en émettant des radiations : un autre atome (appartenant à un autre élément) est ainsi formé. tritium ( 3 H) carbone 14 ( 14 C) phosphore 32 ( 32 P) (3) radio-isotopes courants

59 Plus les atomes sont lourds, plus ils présentent de couches électroniques. La plupart des atomes qui constituent la matière vivante ont entre 1 et 3 couches électroniques. Les électrons gravitent autour du noyau en se répartissant en un certain nombre de couches électroniques. 16.Les couches électroniques et le comportement chimique de l’atome 1 couche 2 couches 3 couches Campbell (3 e éd.) — Figure 2.8 : 36 Hydrogène 1 H Carbone 6 C Azote 7 N Oxygène 8 O 5B5B 4 Be 3 Li 3F3F 11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl Hélium 2 He Argon 18 Ar Néon 10 Ne

60 La deuxième couche (couche L) est pleine et stable lorsqu'elle contient huit électrons. Les atomes de carbone, d'azote et d'oxygène ont deux couches électroniques. La troisième couche (couche M) est pleine et stable lorsqu'elle contient également huit électrons. Il existe une exception à cette règle dite "de l'octet" : l'atome de phosphore atteint sa stabilité lorsque sa troisième couche électronique contient dix électrons. La première couche (couche K) est pleine et stable lorsqu'elle possède deux électrons. Seuls les atomes d'hydrogène et d'hélium n'ont qu'une couche électronique. Les couches électroniques «périphériques» des divers atomes se saturent d’électrons lorsque des atomes compatibles se rapprochent et se donnent (ou perdent, ou mettent en commun) des électrons. Ceci assure la stabilité des atomes mis en jeu.

61 Seuls les électrons de la couche périphérique (électrons de valence ) participent aux réactions chimiques Quand deux atomes s'approchent, leurs noyaux demeurent très éloignés l'un de l'autre. Seuls leurs électrons périphériques entrent en contact et participent ainsi aux réactions chimiques. Les propriétés chimiques de l'atome sont déterminées par les électrons de valence. Comme ce sont les électrons de la couche périphérique qui réagissent pour établir des liaisons chimiques ce sont eux qui déterminent les propriétés chimiques de l'atome Les atomes qui ont le même nombre d’électrons de valence ont les mêmes propriétés chimiques.

62 Selon le nombre d’électrons présents sur la couche externe de l’atome, il se mobilise un certain nombre d’électrons pour saturer la couche électronique périphérique. 6C6C 7N7N 8O8O H possède (1) électron sur la première (et dernière) couche électronique. Il lui faut gagner (1) électron pour la compléter à 2. L’hydrogène établit (1) liaison chimique. Combien de liaison(s) pour : C ? N ? Ar ? S ? Na ? (plus facile de perdre 1 é que d’en gagner 7) 2 He 18 Ar 10 Ne Ces trois gaz sont dits «inertes» car ils ne réagissent pas. Leur dernier niveau énergétique est saturé. 1H1H 11 Na 16 S L’oxygène a (6) électrons de valence. Il lui faut donc (2) électrons pour compléter la couche périphérique à 8 électrons. L’oxygène établit (2) liaisons. 15 P

63 La liaison chimique. Une liaison chimique est une force qui maintient deux atomes proches l'un de l'autre suite à la stabilisation, chacun, de leur dernière couche électronique. Par partage, ajout ou perte d'électron(s). Une liaison chimique correspond à un doublet d’électrons de valence. Une molécule est la combinaison stable d’atomes qui se sont rapprochés afin de compléter, chacun, leur couche électronique périphérique. Réaction chimique. Une réaction chimique est le changement dans l'interaction des électrons au moment où les liaisons chimiques s’établissent ou se rompent. Radicaux libres. Il arrive que des atomes ou des molécules contenant des électrons de valence non appariés (célibataires) se forment dans l’organisme. Ces «radicaux libres» très instables et réactifs peuvent voler l’électron manquant à n’importe quel autre atome, même ceux appartenant à une substance utile comme les protéines. Très nocif.

64 17.Les liaisons chimiques fortes : liaison covalente non polaire et liaison covalente polaire Liaison covalente non polaire Partage égal des électrons Pas de pôle + ou - dans la molécule formée Les molécules d’hydrogène, d’oxygène et de méthane sont non polaires. Animation Liaisons fortes qui s’établissent entre les atomes en créant des molécules (liaisons intra-moléculaires). Chaque atome d’H partage 1é Molécule H 2 H — H Chaque atome d’O partage 2é Molécule O 2 O — O Chaque atome d’H partage 1é et l’atome de C partage 4é C et H ont presque la même affinité pour les électrons. En conséquence, ceux-ci passent à peu près autant de temps autour de H qu’autour de C. CH 4 est non polaire. Molécule CH 4 H — C — H H H

65 Liaison covalente polaire Partage inégal des électrons Les électrons passent plus de temps autour des atomes les plus électronégatifs. Pôle + et - dans la molécule formée. La molécule d’eau est polaire. En conséquence, les électrons passent plus de temps autour de l’oxygène qu’autour des hydrogène. L’oxygène devient partiellement négatif et les H deviennent partiellement positifs. L’oxygène a plus d’affinité pour les électrons que l’hydrogène. O H H Molécule H 2 O O — H H

66 Liaison ionique Transfert d'un ou plusieurs électrons à un atome fortement électronégatif. L'atome qui donne les électrons devient positif (un cation) et celui qui les reçoit devient négatif (un anion). Les ions formés restent «proches» par attraction de leurs charges opposées. Les composés formés sont appelés composés ioniques ou sels. La force des liaisons ioniques dépend de l’environnement. Un cristal de sel pur lorsqu’il est sec possède des liaisons tellement fortes qu’il faut un marteau et un ciseau pour le casser en deux. Cependant, si on le place dans l’eau, il se dissout. (Campbell, p. 41) La molécule de chlorure de sodium (sel de table) est ionique. Campbell (3 e éd.) — Figure 2.13 : 40 Animation Na + Ion sodium Cation (+) Cl - Ion chlorure Anion (-) Chlorure de sodium (Na Cl) Na Atome de sodium Cl Atome de chlore Chlorure de sodium (Na Cl) Na — Cl

67 18.Les liaisons chimiques faibles : liaisons hydrogène, liaisons ioniques et forces de Van der Waals Liaisons qui s’établissent mais aussi qui se rompent facilement (caractère réversible). Se forment entre des zones présentant des charges électroniques opposées, soit à l’intérieur de molécules (intra-moléculaires) ou soit entre des molécules (intermoléculaires). Rôles généraux des liaisons faibles Permettre des réactions cellulaires au moment où deux molécules sont associées de façon temporaire. Solidifier la structure des grosses molécules qui constituent le vivant (protéines et ADN).

68 S’établit entre des molécules déjà reliées par des liaisons covalentes polaires. Par attraction entre un atome légèrement négatif dans une molécule (souvent O) et un atome H légèrement positif dans une molécule voisine. A)Liaison hydrogène Liaisons H entre molécules d’eau et d’ammoniac Campbell (3 e éd.) — Figure 2.15 : 41 Une molécule d’ammoniacUne molécule d’eau + H et N sont des atomes très électronégatifs Liaisons H entre molécules d’eau Campbell (3 e éd.) — Figure 3.2 :

69 Un rôle biologique aux liaisons hydrogène Permettre plusieurs réactions cellulaires. Des molécules se lient par liaisons hydrogène, réagissent et se séparent. Campbell (3 e éd.) — Figure : 360 La synthèse d'une protéine requiert des liaisons H à deux moments. Exemple

70 Renforcer la forme tridimensionnelle des molécules biologiques. Des liens H s’établissent entre les parties « polaires » d’une molécule ce qui contribue à sa cohésion. Un autre rôle biologique aux liaisons hydrogène Campbell (3 e éd.) — Figure 16.7 : 324 L’ADN est formée de deux chaînes moléculaires retenues par des liaisons H. Exemple

71 B)Liaison ionique À l’intérieur des grosses molécules organiques (comme les protéines) il se produit diverses liaisons qui aident à la cohésion de la molécule. Parmi ces liaisons, il y a des liaisons ioniques. Campbell (3 e éd.) — Figure 5.20 : 86 Pont disulfure Liaison ionique Liaison hydrogène Interactions hydrophobes

72 C)Les forces de Van der Waals Le lézard gekko ( Gekko gekko ) escalade les murs grâce aux forces de Van der Waals qui s’établissent entre les molécules à l’extrémité des poils de ses pattes et les molécules à la surface du mur. Liaisons faibles « mouvantes et transitoires » qui s’établissent entre les régions des atomes et des molécules chargées positivement et négativement. Essentiellement causées par la mouvance des électrons qui changent continuellement de place et ne sont jamais répartis de façon symétrique. Source

73 FIN Chapitre 1 Tableau 1.1. p. 26 Révision du chapitre 1 : p. 27 sauf les picots : 5, 6 et 16 à 20 Autoévaluations : 1 à 12, sauf 5 Retour sur les concepts : 1.1 : 2 et 3, 1.2 : 1 et 3, 1.3 : 2 et 1.5 : 1 à 4 Chapitre 2 Révision du chapitre : p. 44 sauf l’avant-dernier picot. Autoévaluations : 1 à 6 et 8 à 12 Retour sur les concepts : 2.1 : 1 et 2, 2.2 : 1 à 3 et 2.3 : 1 et 2


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