CBSV en terminale STL Biotechnologies ou SPCL Réflexions sur les limites du programme

CBSV en terminale STL Cinq thèmes d’étude portant sur les systèmes vivants Le programme de la classe terminale complète les quatre thèmes déjà abordés en classe de première et les prolonge par un cinquième thème portant sur les systèmes vivants de grande échelle qui permet d’avoir une vision plus globale sur les enjeux du monde contemporain et d’amener l’élève à développer une réflexion citoyenne … Ce dernier thème est un lieu privilégié de réinvestissement des compétences acquises dans les autres thèmes.

CBSV en terminale STL Thème 1 : Les systèmes vivants présentent une organisation particulière de la matière 1.6 Les virus sont des systèmes biologiques non cellulaires Thème 2 : Les systèmes vivants échangent de la matière et de l'énergie 2.5. Les systèmes vivants assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées 2.6. Les voies métaboliques des systèmes vivants sont exploitées dans les bio-industries

2.5. Les systèmes vivants assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées

2.5. Les systèmes vivants assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées 1ère PARTIE : Vision générale sur le métabolisme  Mise en évidence des échanges  Notion de système ouvert / fermé / isolé

2.5. Les systèmes vivants assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées 2ème PARTIE : Une transformation chimique est elle toujours totale ? Vocabulaire : réactif, produit, transformation et réaction chimique, avancement d’une réaction chimique Etude d’une réaction totale (ex : HCl + H2O) Etude d’une réaction limitée (ex : CH3COOH + H2O) Synthèse : Équation de la réaction A + 2B  C Etat initial (mol) L’avancement est 0 nA 0 nB 0 Etat intermédiaire (mol) L'avancement est x nA 0 - x nB 0 - 2x x Etat final (mol) L'avancement est xf nA 0 - xf nB 0 - 2xf xf

Transformation totale Transformation limitée 2.5. Les systèmes vivants assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées Transformation totale Transformation limitée Constatation Le système cesse d’évoluer quand il a atteint l’avancement maximal. Le système cesse d’évoluer sans atteindre l’avancement maximal. Avancement final xf xfinal = xmax xfinal < xmax Taux d’avancement t t = xf / xmax avec t = 1 t = xf / xmax avec t < 1 Concentrations des espèces chimiques à l’état final Constantes - 0 pour le réactif limitant - maximum pour les produits Réactifs et produits coexistent avec des concentrations caractéristiques de l’état d’équilibre Conséquence pour la transformation du système Au moins un réactif a été totalement consommé (le réactif limitant), donc la réaction s’arrête par manque de réactif  plus aucune transformation A l’état d’équilibre, les concentrations en réactifs et produits sont telles qu’ils se forment et disparaissent à la même vitesse : vsens1 strictement égale et annule vsens-1  équilibre dynamique

2.5. Les systèmes vivants assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées 3ème PARTIE : Etude de l’état d’équilibre d’un système chimique fermé a A + b B c C + d D Notion de quotient de réaction Qr = [C]c.[D]d / ([A]a.[B]b) ou Qr = nCc.nDd / (nAa.nBb) Constante d’équilibre Keq = Qr,f = [C]cf.[D]df / ([A]af.[B]bf) ou nfCc.nfDd / (nfAa.nfBb) Prévision du sens d’évolution d’un système L’état initial du système peut être caractérisée par le quotient de réaction initial noté Qr,i : Qr,i = [C]ci.[D]di / ([A]ai.[B]bi) ou niCc.niDd / (niAa.niBb)

2.5. Les systèmes vivants assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées 3ème PARTIE : Etude de l’état d’équilibre d’un système chimique fermé Selon les conc. initiales des espèces chimiques qui constituent le système, 3 cas peuvent se présenter.

2.5. Les systèmes vivants assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées 3ème PARTIE : Etude de l’état d’équilibre d’un système chimique fermé Etude d’un exemple : Réaction estérification / hydrolyse Rappel acide carboxylique / alcool / ester / nomenclature Mise en évidence de l’état d’équilibre Influence des conditions opératoires : T et catalyseur Déplacement de l’équilibre en augmentant la quantité de réactif ou en éliminant le produit formé Remerciements / Références utilisées : Documents mis en ligne sur le site UPBM par S Le Compte - Lycée Louise Michel - Grenoble

2.5. Les systèmes vivants assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées

2.5. Les systèmes vivants assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées 4ème PARTIE : Aspect énergétique d’une transformation chimique Une réaction est favorisée quand la valeur de la constante d’équilibre K(T) est élevée c’est-à-dire quand l’enthalpie libre standard de la réaction ΔrG° est négative. Une transformation chimique est favorisée à pH = 7,0 et à 37°C quand l'enthalpie libre standard de la réaction ΔrG°' est négative. Problèmes soulevés à la lecture du programme : Jusqu‘où doit-on aller dans les définitions : énergie interne U, enthalpie H, enthalpie libre G, entropie S ? Faut-il donner et utiliser les relations : ΔrG° = - RT . ln K ? ΔrG = ΔrG° + RT . ln Qr,i ? Faut-il évoquer le problème de l‘irréversibilité cellulaire lorsque  ΔrG° > 20 kJ.mol-1 ?

CBSV en terminale STL Thème 3 : Les systèmes vivants maintiennent leur intégrité et leur identité en échangeant de l'information 3.2 Les systèmes vivants utilisent deux grandes voies de communication  La régulation de l’axe gonadotrope et la maitrise de la procréation 3.3 Le maintien de l’intégrité de l’organisme par les mécanismes immuns nécessite la reconnaissance du soi et une coopération entre les cellules immunocompétentes

CBSV en terminale STL Thème 4 : Les systèmes vivants contiennent, échangent et utilisent de l'information génétique 4.2 Le phénotype d’un individu est lié à l’expression de son génotype 4.3 La séquence codante d’un gène permet l’expression d’un caractère via la synthèse d’une protéine 4.4 L’information génétique est conservée par réplication de l’ADN 4.5 La reproduction sexuée permet la rencontre de deux informations génétiques 4.6 L’ADN est un objet des biotechnologies

CBSV en terminale STL Thème 5 : Des systèmes vivants existent à grande échelle : écosystèmes et biosphère 5.1 Les organismes vivants sont divers mais apparentés 5.2 Le sol et l’agrosystème sont deux écosystèmes de surface 5.3 La biosphère est une interface entre différentes enveloppes terrestres 5.4 Les organismes vivants sont utilisés par l’Homme comme agents de dépollution et de production

Thème 5 : Pistes de réflexion / R. MITRE CBSV Terminale Thème 5 : Pistes de réflexion / R. MITRE Thème 5 - Des systèmes vivants existent à grande échelle : écosystèmes et biosphère Systèmes vivants de grande échelle, la biosphère et ses écosystèmes participent aux échanges de matière et d’énergie entre différentes enveloppes terrestres ; la biosphère contribue ainsi au recyclage de la matière et des éléments qui la constituent. Les organismes vivants, quant à eux, peuvent être utilisés comme agents de dépollution ou d’élaboration d’espèces chimiques ; des procédés sont actuellement exploités à l’échelle industrielle et d’autres sont encore étudiées à l’état de prototype. Tous s’attachent à résoudre des problèmes sociétaux et environnementaux.

Des ambitions modestes… Seulement 4 chapitres Référentiel très court comparativement aux autres parties du programme  Grande liberté pédagogique pour aborder le problème

5.1 Les organismes sont divers mais apparentés Notions générales de biodiversité Acquérir le vocabulaire adapté : écosystème, biotope, biocénose En écologie, un biotope est littéralement un type de lieu de vie défini par des caractéristiques physiques et chimiques déterminées relativement uniformes. Ce milieu héberge un ensemble de formes de vie composant la biocénose: flore, faune, fonge (champignons), et des populations de micro-organismes. Biotope + Biocénose = Ecosystème Aborder les différentes échelles d’étude de la biodiversité : habitat, populations, gènes Aborder les outils numériques d’évaluation de la biodiversité (richesse, équitabilité…) Faire le lien entre diversité génétique et évolution des espèces (remodelage chromosomique…)

5.1 Les organismes sont divers mais apparentés Explorer un exemple de biodiversité génétique : les antigènes du CMH Construire des arbres phylogénétiques à partir de séquences d’ADN Notion de chronomètre moléculaire, ex ARNr 16S Méthodologie de construction : matrice de distances… Les outils actuels en ligne fonctionnant à partir des bases de données internationales : NCBI (National Center for Biotechnology Information), phylogene.fr

5.2 Sol et agrosystème sont 2 écosystèmes de surface

5.2 Sol et agrosystème – partie 1 Développer la notion d’écosytème : Ses composantes : biotope et biocénose Son fonctionnement en équilibre (à opposer plus tard avec le fonctionnement de l’agrosystème)

5.2 Sol et agrosystème – partie 1 Sol : étude des horizons d’une tranche de sol (sortie terrain ? Rapporter des échantillons pour les TP à venir ?) Idées de TP Dosage de la matière organique / matière minérale d’un sol Etude de la variété des microorganismes présent dans les sols : exemple des mycètes simple à réaliser (extraction + isolement) Documents pour faire le liens avec leurs rôle de décomposeurs

5.2 Sol et agrosystème – partie 1 Chaîne alimentaire du sol  introduction à la notion de cycle du carbone de la partie 5.3 Etude de docs : construire la chaine alimentaire Vidéos CNRS Sortie terrain Synthèse : réseau trophique  fonctionnement cyclique  cycle de la matière  système en équilibre fragile

5.2 Sol et agrosystème – partie 2 Agrosystème = écosystème maintenu en déséquilibre par l’activité humaine Apports d’intrants (engrais, pesticides…) Sorties de matière organique = culture à forte valeur ajoutée recherchée Appauvrissement du milieu Épuisement des sols Appauvrissement de la biodiversité  une seule espèce majoritaire en général Ressources: bilans agricoles, études de populations dans un champs vs une prairie ? Elargissement possible à d’autres écosystèmes : aquatique  lien avec épuration 5.4

5.3 La biosphère est une interface entre différentes enveloppes terrestres Vocabulaire : biosphère, atmosphère, lithosphère, hydrosphère Rôle des microorganismes décomposeurs (liens avec microorganismes du sol…) Bactéries nitrifiantes (nitritation + nitratation) Fixation N2 par associations symbiotiques (nodules) ou cellules spécialisées (cyanobactéries), données de recherche ou de bouquins, nitrogénase, stratégies…

5.3 La biosphère est une interface entre différentes enveloppes terrestres Construire des cycles simples avec les principaux concepts : assimilation, transferts, dissimilation, flux Exploiter des cycles déjà tout fait et mettre en évidence l’importance des microorganismes dans ces cycles de la matière

5.4 Les organismes vivants sont utilisés par l’Homme… Montrer que les connaissances acquises sur les métabolismes permettent d’exploiter des travailleurs bon marché Epuration des eaux usées = exploitation de l’autoépuration naturelle des milieux de manière intensive Avantages : naturel, coûts réduits… Limites : molécules artificielles… Même concept général que écosystème vs. agrosystème

5.4 Les organismes vivants sont utilisés par l’Homme… TP : observation de la faune épuratoire de boues activées, retrouver la chaîne alimentaire aquatique, faire le lien entre disparition de la pollution organique et croissance de la biomasse (boues) Digesteurs de boues : boues  biogaz (H2 + CH4) à partir de métabolismes anaérobies contrôlés

5.4 Les organismes vivants sont utilisés par l’Homme… Biocarburants : microalgues productrices de lipides Similitude de structure entre un hydrocarbure et un acide gras estérifié Microalgues autotrophes  rentable, mais éthique ? Les mêmes algues sont utilisées au Mexique comme source de protéines végétales pour l’alimentation humaine…