Trois thèmes obligatoires de 7 à 8 semaines chacun (durée indicative : 7 à 8 heures de cours et 3 heures d'activités pratiques)

Un thème au choix de 7 à 8 semaines (durée indicative : 7 à 8 heures de cours et 3 heures d'activités pratiques)

Communication nerveuse

Alimentation, production alimentaire, environnement

Du génotype au phénotype, applications biotechnologiques

Une ressource naturelle : le bois

Procréation

Une ressource indispensable : l'eau

Place de l'homme dans l'évolution

ACTIVITÉS ENVISAGEABLES

NOTIONS ET CONTENUS

- Étude de la conduction et de la transmission du message nociceptif.


- Observation d'une coupe de moelle épinière.
- Observation d'une coupe de ganglion spinal.
- Enregistrement EXAO d'un potentiel de nerf.
- Interprétation de messages nerveux au niveau de fibres.
- Observation d'électronographie de synapses.
- Mise en évidence du fonctionnement synaptique à l'aide de films vidéo.

Communication nerveuse
La communication nerveuse se manifeste par des combinaisons de signaux électriques enregistrables constituant des messages. Ces messages sont rapidement propagés dans un seul sens par des chaînes de neurones, cellules spécialisées connectées entre elles.

Les corps cellulaires sont regroupés dans les centres nerveux et les ganglions nerveux. Des fibres nerveuses relient les centres nerveux entre eux et aux organes périphériques.

Les neurones communiquent entre eux par des synapses. À leur niveau, l'association neurotransmetteur-récepteur assure la transmission des messages.

- Comparaison du message émis par les neurones médullaires avant et après action de la morphine.




- Étude d'une cartographie de l'encéphale visualisant les récepteurs opioïdes.

Modulation du message nerveux : enképhalines et récepteurs opioïdes
La transmission des messages nerveux peut être modulée par des peptides tels que les enképhalines ou morphines endogènes, qui agissent à différents niveaux du système nerveux central.

Dans la corne dorsale de la moelle épinière, les enképhalines interviennent au niveau des neurones nociceptifs. Les enképhalines sont libérées par des interneurones spécialisés. Elles vont se fixer sur des récepteurs spécifiques localisés dans la membrane des neurones post-synaptiques. Elles inhibent ainsi la transmission des messages nociceptifs vers le cerveau.

Dans le cerveau, la fixation des enképhalines sur les récepteurs opioïdes des neurones modulateurs provoque la levée de l'inhibition qu'ils exercent sur l'activité des neurones dopaminergiques. Par voie de conséquence, cette levée d'inhibition entraîne une secrétion accrue de dopamine qui contribue à la sensation de plaisir.

Modulation de l'activité synaptique par des molécules exogènes : un exemple, la morphine
La morphine, en se fixant sur les récepteurs opioïdes localisés sur les neurones de la corne dorsale de la moelle, est à l'origine d'une puissante activité analgésique qui n'entraîne pas une dépendance.
La morphine et ses dérivés de synthèse comme l'héroïne peuvent être à l'origine d'une sensation de plaisir. La genèse de cette sensation résulte de la fixation de la morphine sur les récepteurs opioïdes du cerveau en mimant l'action des morphines endogènes.

Les mécanismes de la dépendance
Contrairement aux enképhalines, la morphine n'est pas rapidement dégradée.
La morphine (ou l'héroïne), prise de façon répétée au cours du temps, engendre tolérance, dépendance physiologique et dépendance psychique (état de manque). C'est cet état de manque qui est à l'origine de la toxicomanie.
Limites : l'étude des mécanismes d'action des drogues autres que la morphine n'est pas au programme.
La plupart des drogues (héroïne, nicotine, alcool, cocaïne, principe actif du cannabis, ectasy) agissent, par des mécanismes différents, sur les neurones dopaminergiques des systèmes de récompense.
La dépendance aux drogues est un phénomène complexe qui est tributaire de facteurs psychologiques, mais aussi de facteurs environnementaux. L'arrêt de la prise de toute drogue nécessite la mise en application d'un protocole de sevrage qui implique un suivi médical prolongé et une aide psychologique.

ACTIVITÉS ENVISAGEABLES

NOTIONS ET CONTENUS

- Analyse de divers exemples : drépanocytose, phénylcétonurie ou mucoviscidose, xéroderma pigmentosum, rétinites pigmentaires ...


- Observation comparative des séquences de différents allèles et des séquences protéiques correspondantes, conséquences pour le phénotype macroscopique.


- Analyse d'exemples de production de nouvelles protéines par transgénèse intraspécifique, ou interspécifique (hormone de croissance, insuline, facteur de coagulation...).

De l'information génétique au phénotype - Applications
Des phénotypes à différents niveaux d'organisation du vivant
Le phénotype peut se définir à différentes échelles : macroscopique, cellulaire et moléculaire.

La relation entre ADN et protéines
Les gènes sont des segments de la molécule d'ADN codants pour des protéines. La séquence des nucléotides dans l'ADN gouverne la séquence des acides aminés dans la protéine selon un système de correspondance, le code génétique. Les propriétés des protéines dépendent de leur séquence respective en acides aminés.
Ces protéines, en régissant la structure et les activités cellulaires, contribuent à l'établissement du phénotype.

La modification du génotype d'un organisme par transgénèse, qui permet de produire de nouvelles protéines, repose sur l'universalité du code génétique.
Limites : Seuls sont traités les exemples permettant l'acquisition des notions d'échelle d'observation des phénotypes. On ne parlera ici que des parties codantes des gènes. Les mécanismes de la transcription et de la traduction sont hors programme.

- Analyse de divers exemples : pigments des yeux de drosophile, albinisme, groupes sanguins...



- Analyse de divers exemples : drépanocytose, phénylcétonurie (effets du passage de la phénylalanine vers le tissu cérébral, de l'alimentation...), cancer (prédisposition familiale, rôle de l'environnement et de l'alimentation).

- Étude d'un diagnostic prénatal.
- Débat argumenté en relation avec l'enseignement d'éducation civique, juridique et sociale.

Complexité des relations entre génotype et phénotype - Applications
Un phénotype macroscopique donné résulte de processus biologiques gouvernés par l'expression de plusieurs gènes. La mutation de l'un seulement de ces gènes peut altérer ce phénotype. Un même phénotype macroscopique peut donc correspondre à plusieurs génotypes.

La réalisation d'un phénotype macroscopique dépend de l'interaction de plusieurs gènes entre eux et avec les facteurs de l'environnement.


Médecine prédictive et diagnostic prénatal ont pour but de détecter la présence de certains allèles chez un individu.

ACTIVITÉS ENVISAGEABLES

NOTIONS ET CONTENUS

- Dissection de l'appareil génital de la souris.

- Observations microscopiques de coupes d'ovaires et d'utérus.


- Analyses d'expériences relatives au rôle endocrine des ovaires et au contrôle exercé par le complexe hypothalamo-hypophysaire (vidéos, logiciels...).






- Observations microscopiques de spermatozoïdes.







- Étude de la fécondation en s'appuyant sur des films vidéo.

Des processus biologiques contrôlés par des hormones
Cycle menstruel, cycle ovarien
Chez la femme, à partir de la puberté et jusqu'à la ménopause, la physiologie sexuelle s'inscrit dans un cycle menstruel.
L'activité ovarienne est sous le contrôle du complexe hypothalamo-hypophysaire dont le fonctionnement est contrôlé par l'ovaire lui-même (rétro-contrôle négatif exercé par les hormones ovariennes) et par des stimuli d'origine interne ou externe.
L'ovaire contrôle le cycle utérin, ce qui synchronise l'ovulation et la réceptivité utérine à l'implantation de l'embryon.

L'augmentation pré-ovulatoire de la sécrétion des œstrogènes exerce un rétro-contrôle positif sur l'axe hypothalamo-hypophysaire et permet d'assurer le synchronisme entre la maturation folliculaire et la commande hypophysaire de l'ovulation.
Limites : les sécrétions pulsatiles des hormones ne sont pas au programme.
La production de gamètes mâles
Chez l'homme, la production des gamètes mâles est continue de la puberté jusqu'à la fin de la vie. L'activité testiculaire est sous le contrôle du complexe hypothalamo- hypophysaire.
Limites : l'étude des différentes étapes de la spermatogénèse est hors programme.
Rencontre des gamètes
La rencontre des gamètes est conditionnée, au moins en partie, par la qualité de la glaire cervicale.
La fécondation a lieu dans le tiers supérieur des trompes et n'est possible que pendant une brève période après l'ovulation.
Limites : la description détaillée des phénomènes cytologiques de la fécondation n'est pas au programme .
Début de la grossesse
Après fécondation et nidation, la sécrétion de l'hormone HCG par le tout jeune embryon permet la poursuite de l'activité du corps jaune et, par conséquent, la sécrétion de proges térone indispensable au maintien de la muqueuse utérine au début de la grossesse.
Les tests de grossesse consistent à détecter cette hormone dans les urines.

- Enquêtes sur les différents types de pilules contraceptives, leur composition et leurs modes d'action ; enquêtes sur les autres moyens contraceptifs.







- Films vidéo sur la surveillance de la grossesse.











- Enquêtes et débats sur les problèmes éthiques.

Maîtrise de la reproduction
Régulation des naissances
La contraception hormonale féminine s'appuie sur l'ensemble des connaissances sur le déterminisme hormonal de la physiologie sexuelle.
La contraception hormonale masculine est encore à l'état de recherche. On ne peut donc parler d'application médicale.
Outre la prise d'une contraception hormonale par la femme, le couple peut utiliser d'autres moyens contraceptifs visant à empêcher la rencontre des gamètes ou l'im plantation de l'embryon. En cas d'échec de la contraception, l'interruption volontaire de grossesse (IVG) reste un ultime recours.
Aide médicalisée à la procréation
Le suivi de la grossesse :
Pendant toute la période de la grossesse, la femme et le fœtus sont médicalement surveillés grâce à différents moyens d'investigation (analyses sanguines, échographies et, si nécessaires, amniocentèse ou choriocentèse...). En cas de dépistage d'une anomalie grave du fœtus, diverses mesures peuvent être mises en œuvre, qui peuvent aller jusqu'à proposer une IVG thérapeutique.
Infertilité et procréation médicalement assistée :
Les causes d'infertilité d'un couple sont diverses et touchent aussi bien l'homme que la femme. Les dosages hormonaux fournissent des renseignements sur l'activité des gonades et du complexe hypothalamo-hypophysaire.
Différentes techniques médicales peuvent apporter une solution (l'insémination artificielle, la FIVETE, l'ICSI).
Le développement de ces techniques nouvelles posent des questions éthiques.

ACTIVITÉS ENVISAGEABLES

NOTIONS ET CONTENUS

- Étude de la composition chimique de divers aliments.
- Élaboration et mise en œuvre d'un protocole de dégustation permettant d'évaluer les préférences alimentaires.




- Utilisation de logiciels adaptés pour estimer la valeur du métabolisme individuel et la couverture des besoins nutritionnels.


- Interprétation de documents (graphiques, textes historiques ou d'actualité...) relatant les effets de carences alimentaires ou d'excès.

Comportements alimentaires et satisfaction des besoins
Choix des aliments
Les aliments comportent des substances minérales et organiques en proportions diverses.
L'eau est un aliment essentiel.
L'appétence alimentaire nécessite la mise en jeu de plusieurs fonctions sensorielles.
Évaluation des besoins
La ration alimentaire dépend de plusieurs paramètres (âge, sexe, intensité de l'activité, caractéristiques morphologiques et physiologiques).
L'équilibre nutritionnel est à la fois qualitatif et quantitatif.
Conséquences d'une ration déséquilibrée
La prise alimentaire ne coïncide pas toujours avec les besoins nutritionnels.
Les déséquilibres alimentaires, fréquemment liés au contexte socio-économique, ont des effets néfastes sur la santé.

- Construction d'une pyramide des biomasses.





- Étude comparée des besoins nutritifs des plantes et des apports d'engrais. - Exemple des cultures hors sol.



- Étude d'un exemple de pollution (engrais nitratés, pesticides...).

Production alimentaire et environnement
Évaluation des productions alimentaires
La production végétale est à la base de la production animale et d'une partie de la production humaine.
La production de la matière animale nécessite une production végétale quanti tativement importante.
Fonctionnement d'un agrosystème, ses conséquences environnementales
Un agrosystème est un système déséquilibré dont l'exploitation intensive nécessite un entretien.
Cet entretien permet de lutter par différents moyens contre les parasites, les ravageurs et les plantes adventices.
L'apport d'engrais permet une productivité accrue.
Les conséquences des apports exogènes (engrais, pesticides) sur un agrosystème induisent des "déséquilibres biologiques" et des pollutions qui peuvent nuire à la santé humaine et animale.

ACTIVITÉS ENVISAGEABLES

NOTIONS ET CONTENUS

- Étude d'articles d'actualité. Exemples de divers bois et de leurs qualités (densité, dureté, couleurs, sens de coupe).
- Étude documentaire des espèces utilisées dans l'industrie. Lieux de production en France et dans le monde.


- Observations de coupes transversales et longitudinales de bois, analyse d'un bloc diagramme, cernes, bois d'été et de printemps, notion de cambium et cycle d'activité.


- Analyse cytochimique. Étude de clichés de microscopie électronique à balayage et à transmission.

- Analyse de documents sur la fabrication de la pâte à papier et sur ses conséquences.

Le bois, un matériau d'usage courant
Utilisations du bois : propriétés générales mises en jeu
Le bois a des usages multiples. Ils sont liés à des propriétés communes à tous les bois ou spécifiques d'une espèce donnée : résistance, capacité d'isolation, imputrescibilité, flottabilité, combustion, source de cellulose...


Structure et propriétés
Certains usages du bois s'expliquent par les propriétés physiques liées à sa structure cellulaire (vaisseaux et fibres) et à son mode de croissance (cambium, cernes, aubier, cœur).
Nature chimique du bois : utilisations spécifiques et renforcement de certaines propriétés physiques
Les composants des parois des vaisseaux et des fibres (cellulose et lignine, tanins et composés phénoliques, pigments) conditionnent les usages des différentes essences de bois (industrie papetière, bois d'œuvre, bois de charpente...).

- Mise en évidence d'une circulation d'eau dans la plante.
- Mise en évidence des échanges gazeux dans l'écosystème.
- Construction d'un bilan des échanges de dioxygène et de carbone entre les réservoirs de l'écosystème forestier.



- Au cours d'une sortie sur le terrain, suivi d'une évolution forestière de la pépinière à la coupe, des accidents de développement de la forêt et des conditions de la régénération.
- Analyse de documents d'actualité en liaison avec les conséquences de l'exploitation ou de la surexploitation des forêts.

Importance et gestion des écosystèmes forestiers
Participation du bois aux grands équilibres de la planète
La forêt participe aux cycles de l'eau et du carbone. Elle représente un stock biologique de carbone. Sa destruction massive par des phénomènes naturels ou par l'homme (incendies, combustion...) peut perturber ces grands cycles.


Activités industrielles et gestion des forêts
La gestion d'une forêt doit assurer une production continue. Une mauvaise gestion ou une surexploitation conduisent à des déséquilibres des écosystèmes et peuvent avoir des conséquences importantes sur les sols.



Biotechnologies, la filière bois
Les recherches actuelles en biotechnologie des espèces forestières (transgenèse, conservation des ressources génétiques, interactions plantes / micro-organismes) contribuent à améliorer les conditions d'exploitation et d'utilisation des forêts.

ACTIVITÉS ENVISAGEABLES

NOTIONS ET CONTENUS

- Étude de cartes infrarouges, de cartes météorologiques, de cartes de pluviométrie.



- Construction du cycle de l'eau à partir de données numériques.
- Mise en évidence de l'évapotranspiration chez les plantes.

- Étude de la capacité de rétention de l'eau par le sol.

L'eau sur la planète
L'eau douce est une ressource indispensable aux êtres vivants et aux activités humaines.
L'eau de la planète est répartie dans différents réservoirs (océans, glaciers et calottes polaires, atmosphère, lacs et rivières, nappes phréatiques, sol, biosphère).
Les transferts quantitatifs entre les différents réservoirs constituent le cycle de l'eau.


L'eau douce est inégalement répartie à l'intérieur des continents. Son utilisation par l'homme (urbanisation, irrigation) modifie le flux de l'eau entre les différents réservoirs et peut aboutir à la désertification.
Limites : l'eau mantellique et les mécanismes physico-chimiques de transfert d'eau ne sont pas au programme.

- Construction de modèles analogiques de nappes.
- Exploitation informatique d'une banque de données.
- Analyse des critères de potabilité.


- Mise en évidence d'une DBO (demande biologique en oxygène) ou d'une DCO (demande chimique en oxygène).
- Étude d'un exemple de traitement.

- Mise en évidence d'une auto-épuration.
- Visites de captages pourvus d'aires de protection et d'une station d'épuration.

Gestion de l'eau
L'eau douce utilisée est puisée dans les lacs, les cours d'eau et les réservoirs souterrains.
Elle peut être stockée temporairement dans des réservoirs superficiels.
Les réservoirs souterrains et superficiels sont sensibles aux pollutions biologiques ou chimiques (nitrates, pesticides, radionucléides...).
La protection des réservoirs et un traitement des eaux usées sont indispensables. Les matières organiques polluantes peuvent être dégradées sous l'action de micro-organismes .
L'homme utilise les propriétés de ces micro-organismes dans le traitement des eaux usées.

ACTIVITÉS ENVISAGEABLES

NOTIONS ET CONTENUS

- Utilisation d'un logiciel de phylogénie et de pièces anatomiques pour établir les relations de parenté entre les vertébrés. Étude d'arbres phylogénétiques.
- Établissement du calendrier simplifié de l'évolution des êtres vivants au cours du temps.


- Utilisation d'un logiciel d'analyse génique et de la banque de données sur les gènes des primates pour établir l'apparentement homme- chimpanzé.

À la recherche de "l'ancêtre commun"
Chaque espèce est issue d'une longue suite de générations au cours de laquelle lescaractères qui la définissent sont apparus à différentes périodes dans l'histoire dela terre. Ainsi, l'homme est un eucaryote, un vertébré, un amniote, un mammifère,un primate, un hominoïde et un homininé.
Par la prise en compte des caractères homologues et de l'état ancestral ou dérivé deces caractères, on peut construire des relations de parenté entre les êtres vivants.
Les données moléculaires confortent l'idée que c'est avec le chimpanzé que l'hommepartage l'ancêtre commun le plus récent. Cet ancêtre commun n'est pas un chimpanzéni un homme. Il devait posséder des caractères appartenant à la fois à l'homme et au chimpanzé. Parmi ces caractères figurent un répertoire locomoteur incluant une certaine forme de bipédie et l'usage d'outils.

- Utilisation de logiciels et de banques de données pour comparer les séquences de gènes et mettre en évidence le polymorphisme des gènes (antitrypsine,HLA).
- Comparaison de gènes, familles de gènes (globines,gènes homéotiques...).

- Comparaison des squelettes des australopithèques, de l'homme et du chimpanzé, en rapport avec la bipédie.

- Analyse critique de divers scénarios relatifs à la bipédie.
- Interprétation de données expérimentales en rapport avec la notion de sélection naturelle (phalène du bouleau).
- Critique scientifique de textes d'inspiration ou d'expression lamarckienne.

Les mécanismes de l'évolution
Les génomes des espèces sont des archives. Ils permettent d'imaginer les événementsgénétiques moléculaires de l'évolution qui ont conduit à des innovations, à leurdiversification et à leur complexification (familles multigéniques, gènes chimères...).Ces innovations génétiques sont aléatoires ; leur nature ne dépend pas des caracté-ristiques du milieu. L'évolution des génomes résulte d'un bricolage moléculaire qui a conduit à faire du neuf avec du vieux.
Ainsi, l'acquisition de la bipédie dans la lignée humaine ne fait pas intervenir uneexplication finaliste. À l'origine de la bipédie se trouvent des innovations génétiques.Elles ont dû affecter les gènes du développement.
Les conditions de l'environnement peuvent jouer le rôle de crible vis-à-vis des nouveautés phénotypiques engendrées par les innovations génétiques (sélection naturelle).
De ce fait, l'évolution dans la lignée humaine comme dans les autres lignées peutêtre dépendante de changements dans l'environnement. Elle est contingente.

- Comparaison de crânes, d'endocrânes, de pelvisd'hominidés.
- Observation d'objets caractéristiques des culturesdes hominidés.

Émergence du genre Homo
Diverses caractéristiques morpho-anatomiques et comportementales contribuent à définir le genre Homo (volume et morphologie crânienne, bipédie, fabrication d'outils, vie sociale et culturelle).
La découverte de traces d'activité et de restes fossiles fait remonter de plus en plusdans le temps, l'apparition du genre Homo.
L'analyse génétique des populations humaines suggère qu'elles dérivent toutes d'une seule population d'Homo sapiens. Les données fossiles indiquent que celle-ci a pour origine géographique le Proche-Orient ou l'Afrique.