mercredi 30 novembre 2016

THEME : LA TERRE DANS L'UNIVERS, LA VIE ET L'EVOLUTION DE LA VIE. L'utilisation de l'ATP par les cellules musculaires (Spé)

Notre organisme, et particulièrement nos muscles, a besoin d'énergie pour fonctionner. Cette énergie est fournie par les nutriments. Cependant une utilisation directe est impossible dans l'organisme. Tout transfert d'énergie passe par l'intermédiaire d'une molécule appelée ATP (adénosine tri-phosphate) :
Une adénosine tri-phosphate contient 3 molécules de phosphate riche en énergie. Lorsqu'on détache le 3ème phosphate, on libère ainsi une grande quantité d'énergie. La molécule ainsi obtenue est l'ADP (adénosine di-phosphate). La libération du 3ème phosphate se fait par hydrolyse et l'accrochage d'un phosphate à une molécule est appelée phosphorylation. Rappelons qu'un phosphate isolé sera ainsi un phosphate inorganique Pi. La réaction est la suivante :


Comment la cellule musculaire fabrique de l'ATP
L'activité physique est conditionnée par l'activité des cellules musculaires. Comme toute cellule, la cellule musculaire (ou fibre musculaire) a besoin d'énergie, c'est à dire d'ATP, pour fonctionner.
Lorsqu'on parle d'une activité musculaire, il faudrait plutôt parler des activés musculaires. En effet, selon que l'on soulève un poids ou que l'on fait un jogging, l'effort n'est pas le même.
Le tableau suivant, met en évidence, ces différences à partir de quelques sports :

L'effort d'un haltérophile est bref et très demandeur en énergie. C'est un sport qui demande de l'explosivité. L'ATP nécessaire à cet effort est fabriqué à partir d'une molécule phosphorylée, la phosphocréatine (P-Cr) comme le montre le graphe suivant :

La réaction est la suivante :



On constate que la réaction ne nécessite pas de dioxygène. On est donc dans une réaction anaérobie. Cette réaction ne produit pas de substance de déchet comme l'acide lactique. On parle de métabolisme anaérobie alactique.
La créatine est une molécule synthétisée par le corps humain. Elle est cependant utilisée comme supplément par le sportifs (et les sportifs du dimanche !) avec des résultats extrêmement aléatoire, selon l'individu et la qualité du produit.



Si un effort explosif demande un métabolisme particulier, il sollicite aussi des fibres musculaires particulières. Les tableaux suivants précisent les spécificités métaboliques des fibres musculaires :



On constate que les fibres de type II possèdent un métabolisme anaérobie alactique. Ce sont donc ces fibres II qui sont le plus sollicitées en haltérophilie et dans les sports explosifs.
Si on revient au tableau des différents sports, on constate que lors d'un effort de quelques minutes, le métabolisme de la cellule musculaire n'est pas le même. Il y a production d'acide lactique comme le montre le document suivant :


On constate que dès que le taux de phosphocréatine a atteint un niveau assez bas, la production d'acide lactique se met a grimper.
On peut indiquer la réaction qui forme l'acide lactique musculaire :



Quel est l'origine du glucose qui interveint dans le métabolisme anaérobie lactique et aérobie ?
Il existe dans les tissus des formes de stockage du glucose. Une est particulièrement important, le glycogène.

Nous allons donc vérifier qu'il existe des réserve de glycogène dans le muscle, en utilisant de la viande de bœuf.

Protocole


On obtient le résultat suivant :


On obtient aussi une précipitation du glycogène dans l'éthanol.
Le glycogène musculaire, par glycogénolyse, va donc donner des molécules de glucose capables de fournir le substrat nécessaire à la réaction. Ce sont aussi les fibres de type II qui assurent le métabolisme anaérobie lactique.
Dans le cas des sports de fond, c'est le métabolisme aérobie qui prend la relève. On est dans le cadre de la respiration cellulaire. C'est toujours le glycogène qui est la source de l'énergie mais dans ce cas, après glycogénolyse, le glucose est totalement oxydé en CO2.

Utilisation du glycogène chez un marathonien.


Dans ce cas, comme l'indique le tableau déjà cité, ce sont les fibres de type I qui sont sollicitées.

Les différents types de métabolismes


Nous venons de voir comment la cellule musculaire récupère de l'énergie sous forme d'ATP. 
Intéressons nous maintenant aux mécanismes de dépense d'énergie, c'est à dire à la contraction musculaire.
Un muscle est constitué de grandes cellules contenant plusieurs noyaux, appelées fibres musculaires ou myocytes. Le cytoplasme est appelée sarcoplasme. La cellule musculaire contient des fibrilles protéiques appelées myofibrilles.


Les documents suivants montrent la structures des fibres musculaires :


On peut constater que les fibres de type II sont beaucoup moins riches en mitochondries :

les myofibrilles sont essentiellement constitués d'actine et de myosine. Leurs structures sont données sur le document ci-dessous :


La structure des fibrilles varie selon que la fibre est contractée ou décontractée.


La contraction musculaire est due à la rotation des têtes de myosine qui s'accrochent au filaments d'actines. Cet accrochage permet de déplacement relatif des fibres ce qui entraîne la contraction musculaire.
Le mouvement de la tête de myosine nécessite de l'énergie. c'est à ce niveau que l'ATP fabriqué par la cellule musculaire va être consommé selon les modalités suivantes :











mardi 15 novembre 2016

THEME 1B. LA TECTONIQUE DES PLAQUES : L'HISTOIRE D'UN MODELE. La naissance de l'idée de dérive des continents (1ere S)

Comment on se représentait la Terre autrefois
Dès l'Antiquité, Eratosthène calcule le rayon terrestre estimé à 6400 km environ. En revanche, la connaissance de l'intérieur du globe va rester embryonnaire pratiquement jusqu'au début du XXème siècle.
Les connaissances ont été résumé par le jésuite Athanasius Kircher au XVIIème siècle. Les volcans sont animés par l'activité d'un feu central et par une circulation des vents à l'intérieur du globe.



C'est une conception proche qu'on retrouve chez Jules Vernes (1828-1905) dans son Voyage au centre de la Terre (1864). Les volcans sont plus le sujet de belles aquarelles que d'un travail scientifique.

Quelques aquarelles d'une éruption du Vésuve à la fin du XVIIIème siècle




Il faudra attendre 1902 et le travail d'Alfred Lacroix sur l'éruption de la Montagne Pélée à la Martinique, pour que la volcanologie commence timidement son existence.
C'est l'autrichien Eduard Suess, le plus grand géologue de son époque, qui fixe les idées vers 1900. La Terre était au début une boule de matière en fusion qui se refroidit progressivement en créant à sa surface une croûte.
Au cours du temps, par deshydratation, la terre perd du volume et la croûte se plisse comme la peau d'une pomme, créant des creux occupés par les océans et des zones élevées, les chaînes de montagne.


Tous les géologues dans les années 1900-1920 sont donc convaincus que les continents terrestres n'ont jamais subi de déplacement. Ils soutiennent donc un modèle fixiste.

Les apports d'Alfred Wegener (1880-1930)
Alfred Wegener est un scientifique allemand qui le premier imagine une mobilité des continents. Il appelle ce mécanisme "dérive des continents". Il affirme que durant le Carbonifère et le Permien, les continents étaient réunis sous la forme d'un super-continent unique : la Pangée (étymologiquement "toute la Terre", en grec).



Grâce à un certain nombre d'indices sur lesquels nous allons revenir, Wegener reconstitue la Pangée à partir des différents continents actuels.


Les arguments de Wegener
La reconstitution de la Pangée par Wegener se fonde sur plusieurs arguments.



— la complémentarité des lignes de côtes et des massifs montagneux anciens. C'est particulièrement visible dans le cas de l'Amérique du sud et de l'Afrique.


— la reconstitution de la paléo-calotte polaire sud datant de la Pangée, rend bien compte des traces fossiles actuelles trouvées sur plusieurs continents.



— Plusieurs fossiles comme la fougère Glossopteris et les vertébrés Lystrosaurus, Cynognathus et Mesosaurus se retrouvent sur plusieurs continents. Cette présence est donc difficile à expliquer dans le cas d'un modèle fixiste de la Terre.


— le dernier argument de Wegener est plus complexe. On rappelle qu'à l'époque, les géologues pensaient que les continents et les fonds océaniques étaient de même nature, l'ensemble découlant d'une contraction terrestre.


Wegener fait remarquer alors que la répartition des altitudes et des profondeurs devrait donc suivre une courbe de Gauss comme la suivante :


Cette courbe est dite unimodale puisqu'elle ne présente qu'un maximum. Or lorsqu'on établit une courbe de la répartition des altitudes et des profondeurs réelles, on obtient la figure suivante :


La courbe réelle n'est donc pas unimodale mais bimodale :


Pour Wegener, une seule explication est possible, les fonds océaniques et les continents ne sont pas de même nature géologique. En tant que glaciologue, il s'est intéressé à la dérive des icebergs sur l'océan. il suppose alors que les continents peuvent dériver sur le matériau du fond océanique qui présenterait des caractéristiques d'élasticité et de déformabilité permettant le déplacement latéral des continents.


vendredi 2 septembre 2016

THEME 1. ATMOSPHERE, HYDROSPHERE, CLIMAT. De l'atmosphère primitive à l'atmosphère actuelle (Spé)

Comme le climat est en grande partie du à la composition en gaz de l'atmosphère, nous allons nous intéresser à la composition des gaz de l'atmosphère et à son évolution depuis l'origine du globe, il y a 4,5 Ga.

Comment reconstituer la composition de l'atmosphère primitive et comment a t-elle évolué?

Le document suivant propose une des hypothèses de l'origine des planètes.


On considère aujourd'hui que les planètes et les météorites se sont formées en même temps par accrétion et collision avec d'autres corps céleste. On considèrent donc que la composition de météorites indifférenciées comme les chondrites correspond (en gros !) à la composition de la Terre primitive indifférenciées.


Une chondrite


L'analyse de la composition des gaz chondritiques permet de se faire une bonne idée de la composition originelle en gaz de la Terre.


Une autre piste est celle des gaz volcanique, qui correspondent à la fraction non dégazée des gaz originelles du globe.


On remarque que l'ordre de grandeur dans les deux cas est très proche. On peut donc considérer que l'hypothèse est bonne et que la composition en gaz de l'atmosphère primitive est une moyenne entre les valeurs ainsi déterminées (avec une forte marge d'incertitude).
Soulignons que la composition de l'atmosphère primitive reste une hypothèse et non un fait !
On peut donc établir un tableau de comparaison entre atmosphère primitive supposée et atmosphère actuelle mesurée.


On a pu ainsi construire une courbe d'évolution des gaz atmosphériques au cours du temps.
*Attention, ce graphe ne tient pas compte de la teneur en H2O de l'atmosphère primitive, de là la différence de pourcentage.

Trois gaz principaux interviennent donc dans la composition de l'atmosphère. nous allons en retenir deux qui ont un rôle biologique essentiel, le dioxyde de carbone (CO2) et le dioxygène (O2).

Comment expliquer la diminution du taux de CO2 au cours du temps dans l'atmosphère terrestre ?

Au début de l'évolution de la planète, la température de surface est très élevée. L'eau est donc à l'état de vapeur. Très vite la température de surface diminue entraînant la condensation de la vapeur d'eau. De plus, il semble que des météorites géocroiseurs (qui rencontrent l'orbite terrestre) ait augmenté la quantité d'eau liquide à la surface du globe. La courbe de dissolution du CO2 dans l'eau montre que plus la température baisse et plus la solubilité du CO2 augmente.



Comment expliquer l'apparition et l'augmentation du taux de dioxygène dans l'atmosphère terrestre au cours du temps ? Quels sont les indices que l'on peut utiliser ?

Sur les courbes d'évolutions du taux de dioxygène, on peut constater que celui-ci apparaît il y a environ 3 Ga. 


Comment a t-on pu fixer la date d'apparition de l'oxygène à la surface du globe ? 
Pour répondre à cette question, il faut s'intéresser à une formation géologique particulière, la formation de Barberton, en Afrique du sud, au niveau de la flèche rouge.


On trouve là des roches à l'aspect particulier, dit rubané, formées d'une alternance de couches rouges et de couches plus grises.


On a pu interpréter ces couche rouges comme des couches riches en oxydes de fer. Ces minerais de fer rubané (BIF) ne peuvent apparaître qu'en présence de dioxygène.


On a pu dater sur le terrain cette formation. On estime leur âge à environ 3 à 3,5 Ga. On pense donc que ces BIF représentent les plus anciennes traces de la présence de dioxygène sur la planète.
On sait que cette formation est le résultat d'un dépot sédimentaire. Cela signifie que l'apparition du dioxygène s'est fait dans le milieu océanique primitif.
Afin de démontrer la nécessité de deux éléments, le dioxygène et l'eau pour obtenir de l'oxyde de fer, on peut faire une expérience simple. 
On fait le montage suivant :


On rappelle que l'eau bouillie est désoxygénée dans des proportions importantes.
Au bout de quelques jours, on obtient les résultats suivants :


On constate que l'oxyde de fer n'apparait qu'en présence d'eau et de dioxygène.
Quelle put être donc, l'origine de ce dioxygène ?
La courbe suivante, présentant l'évolution du taux d'oxygène au cours du temps nous donne une indication précieuse, l'apparition des cyanobactéries.


Les cyanobactéries sont des procaryotes. Leur particularités est d'être verte, c'est à dire de contenir de la chlorophylle.

Anabaena au microscope optique


Une étude précise de la structure des cyanobactéries a pu mettre en évidence la présence de thylakoïdes qui sont les structures contenant la chlorophylle. Or la chlorophylle est le pigment qui permet la photosynthèse.


Le mécanisme de la photosynthèse est bien connu :

Dioxyde de carbone + eau = glucose + dioxygène

Le dioxygène est donc un produit secondaire de la photosynthèse. On peut estimer que c'est l'apparition de la photosynthèse qui a permis l'apparition du dioxygène sur Terre et donc par conséquent, l'oxydation du minerai de fer.
Encore actuellement, c'est l'activité photosynthétique des végétaux qui assurent la présence du dioxygène sur notre planète.
Dans l'océan primitif, il devait exister des grandes quantités de cyanobactéries. Des colonies cyanobactériennes sont connus encore actuellement, notamment au niveau de Shark Bay en Australie (flèche noire).


Ces colonies , connues sous le nom de stromatolites sont installées dans les zones intertidales (zones de balancement des marées). Ces colonies sont alternativement immergées et émergées.





Si on fait une coupe transversale dans un stromatolite, on constate l'existence d'une série de couches de carbonate de calcium (CaCO3).





La présence de ces masses de CaCO3 s'explique facilement. Lorsque le CO2 dissous dans l'eau est capté par les cyanobactéries, les ions hydrogénocarbonates solubles dans l'eau, passent à l'état de carbonates insolubles et précipites en donnant ces stromatolites.
Une expérience faite en laboratoire permet de constater que des cyanobactéries éclairées du genre Anabæna en suspension dans une eau riche en hydrogénocarbonate produisent des cristaux de carbonate bien visibles;



On connait des stromatolites fossiles de très grandes dimensions, comme dans le massif allemand du Harz.