Chapitre 1 : Reconstituer et comprendre les variations climatiques passées
Les variations climatiques des 500 derniers millions d'années
Notions et mots clés:
Albédo - Cycle du carbone - Variations climatiques - Thermomètre isotopique - Effet de serre - Période glaciaire et interglaciaire - Spectre/Diagramme pollinique - Indices géologiques

 Thermomètre isotopique :  δ 18O, le fractionnement isotopique, évaporation, carottes glaciaire + carottes de sediments océaniques carbonatés = archives climatiques, refroidissement (période froide), réchauffement (période chaude), période glaciaire, période interglaciaire, indices palynologique, indice préhistorique laissé par les humains du Paléolithique, le principe  d'actualisme, diagramme polinique
Schéma à connaître  : 

Sélection naturelle :théorie de Darwin sur l'évolution, selon laquelle l'élimination naturelle des individus les moins aptes dans la « lutte pour la vie » permet à l'espèce de se perfectionner de génération en génération.

Sélection sexuelle :cas particulier de la sélection naturelle dans laquelle des caractères conférant un avantage dans l’accès aux partenaires sexuels sont sélectionnés

Dérive génétique : variation aléatoire de la fréquence des allèles dans une population

Grâce aux travaux de Mendel, on a compris que l’évolution des génomes se fait par les gènes existants sous différentes formes, les allèles.

I- Un équilibre théorique

 Au début du XXe siècle, on s’intéresse à l’étude de la structure génétique d’une population, c’est à dire la fréquence des allèles présent et leur évolution au cours du temps. 

Pour que la fréquence des allèles dans une population soit stable, Hardy et Weinberg établissent un modèle théorique appelé modèle de Hardy-Weinberg basé sur 4 critères (sur une population d’organisme diploïdes ayant recours à la reproduction sexuée) :

- une population infini

- une population fermé (aucune migration)

- aucune mutation

- aucune sélection naturelle ou sexuelle

II- Forces évolutives

Mais dans les conditions réels cet équilibre théorique n’est jamais atteints par 4 forces évolutives

Les mutations

 Certaines mutations (cellules germinales) introduisent de nouveaux allèles dans la population. Cependant les mutations génétiques sont tout de même rare, leur impact sur l’évolution alléliques est donc limité et modeste. 

 La fréquence des allèles dans une population varie au cours du temps sous l’effet de facteurs environnementaux. Les allèles qui confère un avantage (ex: reproducteur pour la sélection sexuelle) dans un environnement donné ont tendance à se répandre tandis que les allèles défavorables se rarifie.

 → Guppy : Les mâles ayant des couleurs plus vivent ont tendances à avoir plus de chance à se reproduire mais également plus de chance de faire attraper par leur prédateur pour les mâles étant ternes c’est le contraire (→ sélection naturelle et sexuelle)

 Les populations ne sont pas toujours isolés, le modèle d’Hardy-Weinberg suppose une population sans arrivé ni départ d’individu or dans les situations réelles les populations ne sont pas fermé et migrent apportant de nouveaux allèles et d’échanges d’allèles entre les populations. 

 La migration permet la limitation des effets de consanguinité mais une diminution de l’adaptation de la population à son environnement.

La fréquence des allèles dans une population varie sous l’effet du hasard, c’est la dérive génétique. Elle conduit à la fixation ou disparition d’un allèle et donc à un appauvrissement de la population. Elle est d’autant plus marqué que la population est petite.

→ Amish :Dans la population Amish de Pennsylvanie, le syndrome d’Ellis van Crevel est relativement fréquent alors qu’il est exceptionnel dans le reste du monde. Dans toutes les familles Amish étudiées la mutation est la même et il a pu être démontré que toutes ces familles descendaient d’un même couple d’immigrants.

III- Un nouveau regard sur la notion d’espèce

Dans sa définition la plus courante, l’espèce est un groupe d’individus interféconds capables de donner naissances à une descendances fertiles. Mais les analyses génétiques permises par les progrès de séquençage d’ADN notamment par la mesure des flux de gènes entre population montrent qu’une population sont en réalité constituées de sous-population isolés et ne constituent pas qu’une mais plusieurs espèces.

→ L’éléphant d’Afrique est en réalité deux espèces : éléphant de forêt et éléphant de savane alors que jusqu’en 2000 on distinguait que deux espèces d’éléphants : éléphant d’Afrique et éléphant d’Asie

Schéma de l'évolution des génomes au sein des populations

Il y a donc un refroidissement au début du Cénozoïque.
-       Les foraminifères benthiques (êtres-vivants) augmentent : la température des eaux profondes se refroidit.
-       Diminution de la teneur en CO2 atmosphérique. Relation entre le CO2 et la température : moins de CO2 = baisse de la température.
-       Flysch de Zumaia en Espagne est un dépôt marin avec une alternance de calcaire et de marnes. Ces alternances sont dues à des alternances climatiques.
-       Au début du Cénozoïque : alternance régulière de dépôts calcaires et de dépôts marneux. C’est le climat qui contrôle la nature du dépôt = variation du climat.

=> Le Cénozoïque correspond à la dernière grande ère géologique. Après une brève période chaude, les 50 derniers millions d’années sont marqués par un refroidissement progressif.

Schéma :

Le déplacement des masses continentales à entrainés la modification des courants océaniques. 

Courant froid autour  l’antarctique =  installation de calotte glaciaire. 

Endosymbiose : La symbiose étant définie comme une association durable, à bénéfices réciproques entre 2 organismes vivants appelés symbiotes, si l’un des partenaires vit à l’intérieur des tissus ou des cellules de l’autre, on parle alors d'endosymbiose.

Transferts horizontaux : Echanges génétiques entre des organismes vivants non nécessairement apparentés (par ex : l'être humain et les microbes).

Transferts verticaux : Transferts assurés de génération en génération par la reproduction sexuée.

 

La complexification des génomes se fait par moyen de transferts horizontaux : ces transferts, qui ne résultent pas de la reproduction sexuée, peuvent se présenter sous forme de transformation bactérienne, de conjugaison bactérienne et également par transfert de virus. Ces transferts horizontaux permettent l'enrichissement des génomes (par exemple le génome humain comprend de nombreux gènes de bactéries, de virus, de plantes et de champignons) ainsi que la diversification des espèces vivantes. De plus, ces transferts horizontaux vont également jouer un grand rôle dans les caractères qui seront transmis aux générations futures par les transferts (cette fois-ci) verticaux. Ainsi, il est important den noter que les transferts horizontaux constituent des moyens de complexification et de diversification des génomes très importants (voir expérience de Griffith ou TP6 partie B).
Nota bene que les transferts horizontaux peuvent cependant parfois créer des résistances aux antibiotiques chez certaines bactéries (voir TP6 partie A)

 Chapitre 1: reconstituer et comprendre les variations climatiques passées 

II- Les variations climatiques depuis 800 000 ans 

 Définitions : 

 Observations : 

δ 18O = thermomètre isotopique 

Pour les sédiments carbonatés : durant une période chaude, il y a davantage d’18O qui s’évapore, donc moins d’18O sont présents dans l’eau et dans les tests des foraminifères. Donc plus le δ 18O est faible, plus la période correspondante est chaude. 

Mesures du δ 18O dans les carottes glaciaires et de sédiments carbonatés : ont permis de mettre en évidence une alternance de périodes glaciaires et interglaciaires au cours des derniers 800 000 ans. 

Données préhistoriques, géologiques et paléoécologiques : 

 Observation grains de pollen au microscope :  

Si présence de grains de pollen, de graminées et d’Armoise alors dépôt dans des conditions climatiques froides et sèches. 

Si présence de grains de pollen de chêne pédonculé, sapin et hêtre, alors dépôt dans conditions climatiques tempéré et humides. 

 Observations diagramme pollinique :  

- de 20 000 ans BP à 12 500 ans BP, les pollens qui prédominent sont Artemisia (armoise) et Poacée (graminées). Ce sont des végétaux caractéristiques des steppes des climats froids et secs. 

- Entre 12 500 et 8 500 BP, on observe une forte présence de Pinus (pins) et Betula (bouleau). Ce sont des végétaux caractéristiques des climats tempérés à froid et humide. 

- Enfin, à partir de 8 500 BP, les pollens de Quercus robur (chêne pédonculé) puis Abies (sapin) et Fagus (hêtre) apparaissent. Ce sont des végétaux caractéristiques des climats tempérés à chaud. 

 En appliquant, le principe d’actualisme, le climat a donc été froid et sec en Europe de 20 000 à 12 500 ans BP, puis il s’est réchauffé entre 12 500 et 8 500 ans BP pour devenir tempéré et plus humide. 

Actuellement, nous sommes dans une période interglaciaire.

Schéma : 

Nous partons ici d'une hypothèse scientifique (hypothèse de Lynn Margulis) avançant que les mitochondries et les chloroplastes pourraient initialement provenir de bactéries. La relation étroite entre des cellules primitives et ces organites énergétiques aurait mené à un transfert de gène du plaste dans les gènes de la cellule : nous parlons ici de théorie endosymbiotique. Et, en effet, grâce au TP7, nous pouvons relever de grands points communs entre ces deux organismes (similarités dans l'ultrastructure, présence de double membrane, pigments similaires) : de ce fait, il nous est possible de confirmer la théorie endosymbiotique de Lynn Margulis (voir TP7 en profondeur).

De ce fait et grâce aux preuves ci-dessus, nous pouvons expliquer en quels points et en quelles manières l'endosymbiose constitue une complexification des génomes : en effet, en s'associant à une cellule-hôte, les gènes de la cellule intégrée sont transférés au génome de la cellule-hôte, dotant ainsi ces organismes de nouvelles propriétés et d'une meilleure adaptation à l'environnement, ainsi que d'un pas supplémentaire dans l'évolution du vivant.

1°La localisation de la production de matière organique par photosynthèse :

   -dans les zones en présence de chlorophylle ( expérience de coloration de feuilles avec un cache à l’eau iodée; les zones vertes non-cachées se colorent en bleu traduisant la présence d’amidon)

   -dans les chloroplastes (coloration en bleu à l’intérieur des chloroplastes exposés à la lumière)  

2° les pigments chlorophylliens et leurs rôles :

   -pigments chlorophylliens absorbent les longueurs d'onde des couleurs bleues et rouge. Ces longueurs d’onde correspondent au longueurs d'onde auxquelles la photosynthèse est la plus efficace. —> ce sont donc les pigments qui récupèrent l’énergie lumineuse

   -l’énergie lumineuse permet d’initier une chaine d’oxydoréduction grâce à un transfert d’électron. La molécule d’eau va acquérir un fort pouvoir réducteur ( 2 H2O——> O2+4H+4e ). Cela va donc conduire à la formation de CO2 à partir d’eau

II) les processus bio chimiques de la photosynthèse. 

Oxydation : perte d’électrons

Réduction : gain d’électrons 

Expérience de Hill : la photosynthèse met en jeu des réactions d’oxydoréduction activées par l’énergie lumineuse. 

Expérience de Ruben et Kamen : le O2 produit provient de la dissociation de la molécule d’eau    2 H2O——> 4H+4e+O2

Expérience de Calvin et Benson : la matière organique produite provient du CO2. 

6 CO2———> C6H12O6

Donc équation bilan: 6 CO2 + 6 H2O———> C6H12O6 + 6O2 

III) Le devenir des produits de la photosynthèse 

-Molécules du stockage ( dans les graines, fruits, tubercule )

-Molécules de la croissance (cellulose) et du port dressé (lignite) de la plante 

-molécules des interactions avec d’autres espèces ( anthocyanes, tanins)