comment raisonner de façon correcte au quotidien

C O U R S D ' E N S E I G N E M E N T S C I E N T I F I Q U E ( S V T ) | 1

La science augmente nos connaissances à l'aide d'observations tangibles, répétables et mesurables. La science se rapproche de la vérité car elle est basée sur la recherche systématique de l'erreur.

Introduction à l'enseignement pluridisciplinaire de sciences

Que cherche-t-on ? Avoir raison ou chercher la vérité pour comprendre notre environnement complexe ?

Comment raisonner de façon correcte au quotidien ?

système Méthode intuitive Méthode analytique

processus inné acquis

rapidité rapide et simpliste lent et complexe

fiabilité peu fiable très fiable

émotion vs raison émotion ( indignation - peur - envie ... ) raison

jugement jugement sollicité suspension de jugement

Faits ou opinions ? Basé sur des convictions préétablies Basé sur les faits

Pensée biaisée Dissonance cognitive et biais de confirmation Absence de biais

Pour résumer : "Je veux croire" "analysons objectivement et rigoureusement"

Quelques citations utiles dans la compréhension des sciences

Ce qui est affirmé sans preuve, peut être nié sans preuve Euclide Définir, c'est limiter Oscar Wilde Le plus grand ennemi de la connaissance n'est pas l'ignorance mais l'illusion de la connaissance. Stephen Hawking la science est un ensemble d'erreurs rectifiées Gaston Bachelard La science est l'asymptote de la vérité Victor Hugo



Évaluation des compétences en SVT

- Restituer et mobiliser les connaissances exigibles, expliquer leur mode de construction et leur évolution

au cours de l'histoire des sciences ( synthèse / vie courante )

ex. comment est-on arrivé à comprendre l'évolution des espèces et quel est le lien avec la résistance des

bactéries aux antibiotiques ? Comment est-on arrivé à démontrer la tectonique des plaques ? Comment

fonctionne la vaccination ? Comment peut-on dater des roches terrestres ?

- Rechercher, extraire et exploiter l'information utile ( analyse de documents / vie courante )

ex. comment comprendre comment agit une drogue sur l'organisme humain ? La Lune possède-t-elle une

influence sur le corps humain ? Quelles sont les causes de cette maladie ? Comment chercher sur internet ?

- Raisonner, argumenter, démontrer en exerçant un regard critique ( analyse de docs / vie courante )

Ex de propos sur internet : la Lune agit sur la qualité du sommeil. Les vaccins sont dangereux. L'acupuncture

est utilisée comme anesthésiant général pour des opérations à cœur ouvert . Le curcuma est un aliment miracle

qui soigne le cancer. La cure détox vous permettra de perdre des kilos après les fêtes. On peut utiliser la

géothermie en Franche-Comté pour s'affranchir du nucléaire. Un produit naturel est bon. La Terre a 5000 ans.

- Communiquer à l'écrit et à l'oral en utilisant un langage rigoureux et des outils pertinents pour une

argumentation péremptoire ( analyse de documents / synthèse / vie courante )

ex. Débattre en classe , sur les réseaux sociaux ou dans un devoir sur un sujet de société. Qu'est ce que la GPA ?

la vaccination ? le SIDA se transmet-il par la salive ? Et pourquoi pas ? Le cannabis n'est pas dangereux, vrai

ou faux ? Qu'est ce qu'un pharmakon ? le rasoir d'Ockham ? un biais de perception ? Quelle est la différence

entre science et croyance ? Le monde est complexe, vous devez en saisir les subtilités pour le comprendre.

- Mettre en œuvre un protocole expérimental dans le respect des consignes de sécurité et de l'environnement

ex. Lire et appliquer en toute autonomie un protocole expérimental en utilisant les bons produits et les bons outils.

- Analyser un problème et concevoir un protocole ( TP / analyse de documents )

ex. Comment capter des émissions à ultrasons de chauve-souris ? Comment mettre en évidence la présence de

pigments chlorophyllien au sein d'une espèce végétale ?Comment tester l'efficacité de bouchons d'oreille ?

- Valider ou invalider une hypothèse , un résultat d'expérience via un raisonnement rigoureux ( TP /

analyse de documents / vie courante )

ex. Le réchauffement climatique est-il réel ? Les écosystèmes coralliens sont-ils en danger ? La Terre est-elle

plate ? La Terre a-t-elle 5000 ans ?Le Wifi est-il dangereux ? La tisane detox agit-elle vraiment sur nous ?

Ne cessez jamais d'être PLOC dans votre raisonnement ! Cédric Soulier



DM à réaliser - Musée des Confluences de Lyon (exposition pérenne "espèces" + exposition temporaire) I ) Un niveau d'organisation : les éléments chimiques ( = atomes ) cours vu uniquement avec le professeur de chimie

II ) Des édifices ordonnés : les cristaux + cours vu avec le professeur de chimie 1) La structure cristalline

Une structure cristalline est définie par une maille élémentaire répétée périodiquement. Cf chimie

2) Les cristaux des roches ( cf TP )

Une roche est constituée de minéraux, eux-mêmes composés d’éléments chimiques. Un minéral se caractérise donc par une composition chimique précise. Minéral constitué d’un seul élément chimique : l’or (Au) / le diamant (C) Minéral constitué de plusieurs éléments chimiques : la calcite (CaCO3) Un minéral de caractérise également par son organisation cristalline. L’arrangement des atomes dans l’espace et selon une symétrie précise permet de définir la structure cristalline du minéral. Une roche peut être composé d’un seul minéral comme le calcaire, constitué de calcite, ou de plusieurs minéraux comme le granite, constitué de quartz, de micas et de feldspaths.

3) Les cristaux dans le monde vivant La biominéralisation est le processus selon lequel des êtres vivants créent des minéraux. Les êtres vivants possèdent ainsi des structures cristallines qui jouent des rôles variés. Chez les animaux, les biominéraux constituent des tissus durs formant une charpente protectrice et fonctionnelle. Exemple : Les os du squelette des Vertébrés sont composés de cristaux d’hydroxyapatite qui constituent une réserve de phosphore et de calcium pour l’organisme. Les dents sont constituées d’hydroxyapatite, permettant une dureté fonctionnelle pour couper, déchirer, broyer les aliments. Les cristaux de nacre chez les Mollusques confère une grande résistance et rigidité. Chez certains Végétaux, on peut trouver des cristaux d’oxalate de calcium qui causent des irritations dissuasives chez les herbivores (ex. les jonquilles, la rhubarbe…) Des cristaux peuvent être produits chez l’être humain et être à l’origine de certaines pathologies. Ex. les calculs rénaux qui causent des coliques néphrétiques

Ens. Scientifique - SVT TThhèèmmee 11 : UUnnee lloonngguuee hhiissttooiirree ddee llaa mmaattiièèrree



III) La cellule, unité du Vivant : une structure complexe Qu’est-ce que le Vivant ? L’idée d’une entité élémentaire du Vivant apparaît de façon purement théorique dès l’Antiquité. Comment le vérifier ? Pléthore de scientifiques essaient d’en savoir plus… 1) Des premières observations de cellules à la théorie cellulaire a) L’invention du microscope

❖ En Hollande, Jansen père et fils invente le microscope à l’aide de deux lentilles en 1590 ❖ Robert Hooke, physicien astronome anglais, observe dans une fine couche de liège des

structures répétitives qu’il appelle « cellules » en comparaison aux cellules d’un monastère. ❖ Toujours en Hollande, en 1673, Antoni Van Leeuwenhoeck , drapier et chercheur

amateur, observe pour la première fois des bactéries à l’aide d’un microscope optique qui grossit 275 fois. En 1675, il est également le premier à observer le noyau cellulaire et à faire une description détaillée de la cellule.

b) La théorie cellulaire

❖ Au milieu du XVIIIème siècle, Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon, dit Buffon,

naturaliste bourguignon, a l’intuition que des éléments se répètent dans les organismes. ❖ En 1839, Theodor Schwann, physiologiste allemand, et Matthias Jakob Schleiden,

botaniste allemand, déclarent que tout organisme est constitué d’une association d’unités vivantes nommées cellules. Ce premier axe de leur théorie n’a jamais été démenti. En revanche ces chercheurs proposaient le concept de génération spontanée, c’est-à-dire que les cellules apparaissent spontanément à partir de matière inerte. Il sera contredit bien plus tard à l’aide d’observations plus poussées, notamment par Louis Pasteur.

❖ En 1855, Robert Remak, médecin neurologue allemand à Poznań (Prusse), conclut en observant l’évolution d’embryons de poulets, qu’une cellule naît d’une autre cellule par fission binaire. NB : Étant juif, il n’a pas pu obtenir le statut de professeur.

❖ La même année, Rudolf Virchow, médecin et vice-recteur d’un hôpital à Berlin, fils d’un modeste agriculteur prussien, confirme les travaux de Remak à l’ensemble des cellules : toute cellule provient d’une autre cellule. NB1 : Il considéra la médecine comme une science sociale et s’impliqua dans l’hygiène publique. Il milita pour le tout-à-l’égout et un approvisionnement central en eau potable. NB2 : il réalisa des travaux remarquables sur l’évolution des cancers. NB3 : Il découvrit les globules blancs présents dans le sang.

❖ En 1861, Louis Pasteur, chimiste franc-comtois (il n’était pas médecin !), démontre par expérimentation (cf livre p.55), que la théorie de la génération spontanée est erronée. Cela confirme les travaux de ces confrères allemands. NB : il mit au point la méthode de pasteurisation, découvrit les microorganismes capables de fermentation, découvrit le lien entre micro-organismes et maladies contagieuses et mit au point la vaccination pour les humains. En l’honneur de Jenner, il invente le terme de « vaccin ». Il fonda l’institut Pasteur et forma plusieurs chercheurs en infectiologie et en immunologie.

Pour résumer : les trois principes de base de la théorie cellulaire : - Tous les organismes sont constitués d’une ou plusieurs cellules - La cellule est l’unité de base pour la structure et la fonction des organismes - Les cellules proviennent d’autres cellules par division cellulaire



Xavier Bichat, médecin anatomiste franc-comtois, pratiquant à Lyon (à l’Hôtel-Dieu), à Bourg-en-Bresse puis à Paris, détermina en 1801 le rôle des tissus chez l’être humain. Un tissu est l’ensemble de cellules réalisant la même fonction. NB : Xavier Bichat meurt prématurément en 1802 à 30 ans après une coupure avec un outil non stérilisé lors d’une dissection. On peut désormais rajouter à la théorie cellulaire : - Le métabolisme de base à lieu à l’intérieur des cellules (cf thème 2 : bilan thermique du corps humain) - Le matériel génétique et les informations génétiques sont partagés lors de la division cellulaire La connaissance scientifique s’établit grâce à des progrès techniques. 2) L'exploration de la cellule au microscope Le perfectionnement des techniques de microscopie au cours du XXème siècle a permis d’atteindre une résolution de 200 nanomètres (200 nm) et par conséquent d’observer les organites des cellules. Dans les années 1950, la mise au point du microscope électronique a permis d’observer les structures fines des organites jusqu’à l’échelle moléculaire (ex. l’ADN peut être observé au microscope électronique à transmission). Les microscopes électroniques à balayage (MEB) donnent accès au relief des objets observés.

Schéma d’une cellule procaryote (bactérie)

Schéma d’une cellule eucaryote animale



Schéma d’une cellule eucaryote végétale

3) La structure de membrane plasmique Observée au microscope électronique, on peut observer que l’épaisseur de la membrane plasmique est de 8 nanomètres. D’autre part, on remarque que la membrane plasmique est constituée de 2 feuillets d’assemblage de lipides et de protéines. On parle de bicouche lipidique pour définir la membrane plasmique. La stabilité de la membrane plasmique est assurée par les interactions entre les parties hydrophiles et hydrophobes de ses composants. Cf schéma d’un phospholipide.

Schéma de la membrane plasmique Les constituants membranaires sont mobiles. On peut alors considérer la membrane plasmique comme une mosaïque lipo-protéique fluide.



I ) Le rayonnement solaire + cours vu avec le professeur de sciences physiques

a) Le soleil, siège de la fusion nucléaire Une étoile est un astre constitué de gaz hydrogène produisant sa propre lumière et de la chaleur par réaction nucléaire. La température à la surface du soleil varie entre 5500°C et 6000°C. Cette énergie thermique est issue de la fusion de 2 atomes d’hydrogènes. T°(K) = T°(C) + 273,15 Cours vu avec le professeur de sciences physiques ( E=mc² )

b) Le soleil, source d’ondes électromagnétiques

Cours vu avec le professeur de sciences physiques ( loi de Wien et modèle du corps noir )

c) Les propriétés du rayonnement solaire.

α) la puissance solaire reçue par la planète

La température qui règne à la surface des planètes dépend de la distance qui les sépare du soleil : plus la planète est éloignée, plus la température à sa surface est froide ( ex. éloignement par rapport à une cheminée ) . Or, le soleil est non seulement une source d’énergie thermique, mais également une source d’énergie lumineuse. Chaque planète reçoit une quantité d’énergie constante tout au long de l’année : c’est la constante solaire. Ainsi la planète Terre reçoit 1368 Watt/m² en haut de l’atmosphère, soit 342 W.m-2 en 24 heures. La présence d’une atmosphère sur une planète augmente la température à sa surface. Cf chapitre effet de serre

Ens. Scientifique - SVT TThhèèmmee 22 :

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β) l’albedo

Le rayonnement émis par le soleil peut être soit réfléchi, soit absorbé par la surface du globe. Le pouvoir de réflexion d’un rayonnement est appelé albedo. ( ex. les rayons UV réfléchis sur la neige provoquent le bronzage de notre peau ). Il correspond au rapport de quantité d’énergie réfléchie sur la quantité d’énergie incidente. C’est un nombre sans dimension dont la valeur se situe entre 0 et 1. Exemple : albédo de la neige = 0,8 : la neige réfléchit 80% du rayonnement total reçu. Le rayonnement absorbé est alors de 20%. Ainsi, une surface de couleur blanche possède un fort albédo. Un corps noir quant à lui absorbe l’énergie solaire ( lumière et chaleur ). Un miroir parfait a un albédo de 1. L’albédo terrestre moyen est évalué à 0,31

d) le rayonnement solaire et les climats La répartition des climats et des températures associées à la surface de la Terre dépend de la latitude. Ces variations climatiques de part et d’autre de l’Equateur sont dues à la sphéricité de la Terre et donc de la répartition inégale de l’énergie solaire à la surface terrestre. L’intensité de la photosynthèse, et la biomasse qui en résultent, diminuent avec l’augmentation de la latitude. (cf chapitre III) NB : Calcul de la surface d’une sphère : 4πr²

e) le rayonnement solaire et les saisons La Terre tourne autour du soleil en 365,256 jours. Son axe de rotation incliné d’un angle de 23°26’ par rapport au plan de rotation conserve toujours la même inclinaison ( vers l’étoile polaire ) De ce fait, l’hémisphère Nord capte plus d’énergie solaire en été qu’en hiver. De plus l’angle d’incidence des rayons solaires étant plus élevé, l’énergie solaire est plus concentrée et la température augmente. L’existence de saisons est donc liée à l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre. La puissance solaire reçue par unité de surface terrestre dépend de l’heure (variation diurne) , du moment de l’année (variation saisonnière) et de la latitude (zonation climatique)



II ) Le bilan radiatif terrestre

a) Équilibre dynamique et effet de serre

Le rayonnement solaire absorbé par l’atmosphère, les océans et les continents est transformé en chaleur, augmentant ainsi la température terrestre de surface. Or, tout corps porté à une certaine température émet à son tour des radiations dont la longueur d’onde dépend de la température. La Terre émet ainsi un rayonnement infrarouge vers l’espace. Cf cours IV) 1) sur l’énergie thermique Aussi, le sol terrestre émet un rayonnement électromagnétique dans le domaine infrarouge dont la puissance par unité de surface augmente avec la température. L’atmosphère terrestre participe également au rayonnement infrarouge terrestre : les gaz de l’atmosphère, CO2 et H2O, absorbent une fraction du rayonnement infrarouge émis par le sol. En retour, elle émet aussi un rayonnement vers le sol et l’espace. C’est ce qu’on appelle l’effet de serre. La puissance reçue par le sol en un lieu donné est égale à la somme de la puissance reçue par le Soleil et celle reçue par l’atmosphère. Le bilan radiatif net de la planète correspond donc à la différence entre le flux solaire absorbé et le flux infrarouge émis vers l’espace. Lorsque le sol reçoit au total une puissance moyenne égale à celle qu’il émet, le bilan est nul et on atteint un équilibre dynamique. Quand le bilan radiatif est à l’équilibre, la température moyenne de surface de la Terre est d’environ +15°C et dépend de l’absorption du rayonnement solaire. Or, elle-même est déterminée par l’albédo terrestre. Plus il sera faible, plus le rayonnement absorbé sera important et plus la température augmentera. Certains gaz à effet de serre (GES) absorbent le rayonnement infrarouge émis par le sol et le réémettent vers le sol. On comprend alors que si la quantité de gaz à effet de serre, comme le CO2 ou le méthane CH4, augmente dans l’atmosphère, cela engendre un réchauffement climatique. Le réchauffement climatique peut provoquer des phénomènes météorologiques violents. (canicules intenses , sécheresse extrêmes , feux de forêt de grande ampleur , cyclones dévastateurs de plus en plus fréquents , inondations meurtrières…) D’autre part, la fonte du permafrost ( terre constamment gelée au-delà du 60°parralèle ) libère également du dioxyde de carbone, accélérant davantage le réchauffement climatique. Certains modèles prédisent, si les énergies fossiles continuent d’être utilisées, une augmentation de température globale de l’atmosphère terrestre jusqu’à +7°C en 2100. Des villes comme Venise, Dunkerque, Calais , Arles , La Rochelle , Bordeaux, Amsterdam , Bangkok , Osaka , Tokyo , Dacca , Hô Chi Minh-Ville , Miami , Abidjan sont clairement menacées par la montée des eaux.

La température de la surface de la terre est constante lorsque le bilan radiatif terrestre est équilibré



b) Différence entre météorologie et climatologie La météorologie est la science qui étudie les phénomènes atmosphériques en se basant sur la mécanique des fluides et les lois de la thermodynamique. Elle traite du temps qu’il fait maintenant ou qu’il fera à très court-terme – de l’instant présent jusqu’à quelques jours tout au plus – pour une zone donnée. Exemple : un épisode de vague de froid au Québec en janvier 2018. La climatologie quant à elle se porte sur une étude plus globale : elle s’intéresse aux moyennes des paramètres météorologiques sur de longues durées. Les climatologues décrivent les variations du climat dans le passé et prévoient l’évolution du climat futur. Exemple : Lyon possèdera un climat méditerranéen, très chaud et sec en 2030.

c) le bilan radiatif terrestre en schémas

Septembre 2019 – Janvier 2020 : des incendies bushfire gigantesques en Australie : 6 000 000 ha de forêt partent en fumée avec une faune endémique en péril. Vu sur les réseaux sociaux : "Ces feux en Australie, l'horreur ! Comment peut-on encore nier le réchauffement climatique à

présent ?" Pourtant, il y a de ça un an, une vague de froid battant tous les records frappait le nord des États-Unis, avec des

températures sous les -30°C Les climato-sceptiques avaient adoré : voilà bien la preuve que le climat est stable voire se refroidit ! À chaque évènement particulièrement froid ou chaud quelque part sur cette planète, c'est le même cirque : la guerre sur

les réseaux reprend. Et ça n'avance à rien Un rappel pour argumenter :

❌ La survenue d'un évènement climatique extrême n'est la preuve... de rien du tout.

❌ Un record de température une année n'est la preuve de rien du tout.

✅ Des records de chaleur battus tous les ans pendant des décennies sont la preuve que quelque chose de gros se passe en arrière plan. En l’occurrence ici, une accélération du réchauffement climatique provoqué par l’activité humaine.

https://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9canique_des_fluides

https://fr.wikipedia.org/wiki/Thermodynamique



III ) Une conversion biologique de l'énergie solaire (et donc lumineuse) : la photosynthèse

a) Les besoins des organismes végétaux (rappels de 2nde) , quelques notions de biochimie

La biosphère constitue l’ensemble des êtres vivants sur notre planète. Tout être vivant produit sa propre matière organique à partir de ce qu’il prélève dans le milieu.

Parmi la centaine d’éléments chimiques naturels, seulement six sont nettement plus abondants dans le monde vivant que dans le monde minéral : le carbone (C), l'hydrogène (H), l'oxygène (O), l'azote (N), le phosphore (P) et le soufre (S). Le vivant présente donc une unité chimique. - Les molécules organiques ( issues de la matière carbonée ), comme le glucose, possèdent toutes des atomes de carbone associés à des atomes d’hydrogène et sont susceptibles de libérer facilement de l'énergie. - Les molécules minérales ( issues de la matière minérale ), comme le dioxyde de carbone ou l'eau, ne contiennent pas de carbone associé à des atomes d’hydrogène et existent indépendamment des êtres vivants.

Rappels de l’organisation d’une cellule végétale chlorophyllienne

siège de la respiration cellulaire

vacuole

siège de la photosynthèse

Schéma simplifié représentant l’ultrastructure d’une cellule végétale chlorophyllienne

a) La photosynthèse à l’échelle d’une cellule, un métabolisme nécessitant la présence de lumière

La cellule végétale peut comporter des organites supplémentaires de forme arrondie et de couleur verte : les chloroplastes. Le pigment vert contenu dans les chloroplastes s’appelle la chlorophylle ( cf thème sur la matière ). On parle alors de cellule chlorophyllienne.

Paroi cellulosique

Membrane plasmique

Chloroplaste

contenant la

chlorophylle

Mitochondrie

Noyau avec

chromatine

Cytoplasme

Ens. Scientifique - SVT TThhèèmmee 22 suite :

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En présence de lumière, on constate une hausse de la concentration en dioxygène et une baisse de la concentration en dioxyde de carbone dans le milieu de l’organisme chlorophyllien. S’il n’est pas exposé à la lumière, on observe l’inverse. Autrement dit, à l’obscurité, l’organisme respire.

b) Les pigments à l’origine de l’absorption de l’énergie lumineuse

Les pigments sont des molécules colorées qui convertissent l’énergie solaire en énergie chimique, en récupérant l’énergie des photons liés aux ondes lumineuses. Sans lumière, la photosynthèse ne peut avoir lieu. Ceci est réalisable grâce à différents pigments présents dans les chloroplastes des cellules de feuille : les chlorophylles (de couleur verte) et les caroténoïdes (de couleur jaune-orange). Ces pigments permettent de convertir l’énergie solaire en énergie chimique. Cf schéma d’une cellule végétale fonctionnelle à schématiser et à apprendre par cœur

Le spectre d’absorption de la chlorophylle contenue dans les chloroplastes montre un maximum d’absorption dans le rouge (680 nm) et le bleu (440 nm). La chlorophylle n’absorbe pas le vert, d’où sa couleur. L’intensité de la photosynthèse peut être mesurée par la quantité de dioxygène [ j’insiste sur dioxygène et non oxygène ] dégagée au cours du temps ou la quantité de dioxyde de carbone [ on préférera ce terme à celui de gaz carbonique ] absorbée. Sa variation selon la longueur d’onde correspond au spectre d’action de la photosynthèse. Le spectre d’action de la photosynthèse se superpose au spectre d’absorption de la chlorophylle. On en déduit bien que l’énergie lumineuse absorbée par la chlorophylle est bien utilisée pour réaliser la photosynthèse en convertissant l’énergie solaire en énergie chimique.

Spectre d’absorption des différents pigments et spectre d’action de la photosynthèse ▼



c) La photosynthèse à l’échelle de la feuille A l’échelle de la feuille, la photosynthèse utilise une très faible fraction de la puissance radiative reçue. On mesure l’efficacité photosynthétique comme le rapport entre la production primaire brute PPB ( quantité totale de matière organique produite par unité de temps grâce à la photosynthèse ) et la quantité d’énergie totale d’énergie reçue . Cette efficacité photosynthétique est très faible : moins de 5 %. Elle s’explique par différents facteurs :

- Les pigments n’absorbent que les rayonnements rouge et le bleu, d’où une perte d’énergie - Les conditions de température, d’humidité, de nutrition minérale ne sont pas forcément

toutes optimales simultanément, la vitesse de photosynthèse peut s’en trouver affecter - L’absorption d’une majorité du rayonnement incident se fait par des constituants cellulaires

autres que les pigments chlorophylliens.

Le reste du rayonnement incident au niveau d’une feuille ( qui n’est donc pas absorbé ) va - être diffusé par conduction sous forme de chaleur - transmis par convection sous forme de chaleur – réfléchi à la surface de la feuille

Toute l’énergie absorbée n’est pas convertie en matière organique (production primaire) : elle peut être libérée sous forme de chaleur ou par vaporisation de l’eau qui s’échappe à travers de petits orifices à la surface des feuilles, les stomates, lors de l’évapotranspiration foliaire. Près de 80 % de la matière organique produite ( principalement sous forme d’amidon ) est dégradée au cours de la respiration pour libérer l’énergie dont la plante a besoin ( cf schéma )

Ces différentes pertes d’énergie expliquent le faible rendement de la photosynthèse. (rendement = énergie stockée sous forme de matière organique [production nette] / énergie reçue )

On peut alors distinguer la productivité primaire nette PPN de la productivité primaire brute PPB PPB : production de biomasse végétale grâce à la photosynthèse PPN : production de biomasse végétale grâce à la photosynthèse non consommée par la respiration ( 80% de la PPB est consommée par la respiration ). La PPN est donc de 20%.

d) La photosynthèse à l’échelle du végétal

L’évapotranspiration est à la fois le moteur de la circulation de la sève à l’intérieur du végétal mais permet également un rafraichissement général suite à un échauffement



Les cellules chlorophylliennes sont capables de synthétiser leur matière organique à partir de substances minérales qu’elles puisent dans le milieu : on parle alors d’autotrophie. Le rôle des chloroplastes est de capter l’énergie lumineuse grâce à la chlorophylle pour fabriquer de la matière organique, essentiellement de l’amidon ( glucide complexe constitué de plusieurs molécules de glucose ) , on appelle ce métabolisme la photosynthèse ( = synthèse de matière organique en présence de lumière ). Ce métabolisme consomme du dioxyde de carbone et libère du dioxygène. La source de carbone est donc le CO2. Chez les Végétaux supérieurs, les gaz ( dioxygène, dioxyde de carbone et vapeur d’eau ) pénètrent et ressortent de la feuille par des orifices appelés stomates. L’eau et les sels minéraux sont puisés par les racines de la plante et constituent la sève brute. Cette sève apportera l’eau et les éléments minéraux nécessaires aux autres cellules de la plante.

Equation bilan de la photosynthèse se réalisant au niveau du chloroplaste :

6C O 2 + 12 H 2 0 + lu m iè r e - - - - - - - - - - > C 6 H 1 2 O 6 + 6O 2 + 6 H 2 O dioxyde de carbone eau AMIDON dioxygène eau absorbé apportée par la produit par absorbé rejetée par la cellule sève brute le chloroplaste par la cellule par la cellule

Pour résumer, la photosynthèse permet l’élaboration de matière organique (amidon) à partir du carbone minéral (CO2), de l’eau (H2O) et de l’énergie lumineuse prélevés dans l’environnement. Ce processus est réalisé chez les plantes vertes, les algues et certaines bactéries telles que les cyanobactéries. Chez les végétaux supérieurs, la photosynthèse se déroule principalement au niveau des feuilles.

Tableau récapitulatif :

cellule réalisant la photosynthèse

cellule ne réalisant pas la photosynthèse

Type de cellule

Cellule chlorophyllienne

Cellule non chlorophyllienne

Source d’énergie

lumière

matière organique

Source de carbone

dioxyde de carbone

matière organique prélevée

Organites présents

chloroplastes et mitochondries

uniquement mitochondries

Activités métaboliques

possibles

photosynthèse et respiration

uniquement respiration

Exemples

d’organes et d'organismes

Les feuilles du châtaignier,

Les feuilles de la pomme de terre Une euglène Une élodée

Une cyanobactérie

La châtaigne du châtaignier,

Le tubercule de la pomme de terre N’importe quel animal,

N’importe quel champignon, Une bactérie Staphylocoque



e) La photosynthèse à l’échelle de l’écosystème

Un écosystème est l’ensemble formé par la biocénose ( soit l’ensemble des êtres vivants ) et le biotope ( soit les conditions physico-chimiques de leur milieu de vie ( rochers, température, vent …). Les organismes chlorophylliens sont les seuls sur Terre à pouvoir synthétiser de la matière organique à partir de la matière minérale en présence de lumière ( = autotrophie ). Les autres êtres vivants doivent nécessairement consommer de la matière organique provenant d’autres êtres vivants ( = hétérotrophie ). Les organismes chlorophylliens ( végétaux, phytoplancton ) se trouvent ainsi à la base des réseaux trophiques ( ou réseaux alimentaires ) dans les écosystèmes. Ces premiers maillons de la chaîne, producteurs de matière organique, sont appelés producteurs primaires. Les autres organismes hétérotrophes, dépendant d’autres êtres vivants sont des producteurs secondaires.

f) La photosynthèse à l’échelle planétaire

La biosphère est l’ensemble des êtres vivants sur le globe (Animaux, Végétaux, Champignons, Protozoaires et Bactéries). La biomasse est la quantité totale de matière organique produite par les êtres vivants dans un écosystème. La photosynthèse permet la production de matières organiques (amidon, cellulose…) par les plantes à partir de l’eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone grâce à la lumière captée par la chlorophylle des feuilles. Cette production de biomasse s’accompagne d’un rejet de dioxygène atmosphérique. Les végétaux chlorophylliens se trouvant sur la majeure partie de la surface du globe, ils produisent une biomasse considérable par photosynthèse. La biomasse étant une source d’énergie (ex. glucose à partir de l’amidon), la photosynthèse permet donc l’entrée d’énergie et de matière minérale dans la biosphère.



A l’échelle de la planète, les organismes chlorophylliens utilisent pour la photosynthèse environ 0,1 % de la puissance solaire totale disponible.

Ce n’est donc qu’une infime partie de l’énergie solaire reçue alors que la conversion en énergie chimique bénéficie à une large majorité d’êtres vivants. La photosynthèse est donc indispensable car elle est à l’origine des flux terrestres au sein de la biosphère. Producteur primaire Producteur secondaire Producteur tertiaire

Le devenir de la matière organique ingérée ►

AUTOTROPHE

HÉTÉROTROPHE

HÉTÉROTROPHE

HÉTÉROTROPHE



▼ SCHÉMA – BILAN à CONNAITRE impérativement



1 : 3 : 2 : 4 :



g) La formation des combustibles fossiles

a) Le cycle du carbone ( rappels )

Tous les êtres vivants présents dans la forêt (arbres compris) respirent et par définition consomment du dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Ainsi, le dioxyde de carbone et le dioxygène sont constamment régénérés dans l’atmosphère. Les forêts âgées sont des écosystèmes équilibrés : la libération par respiration de CO2 dans l’atmosphère est égale à la consommation de CO2 atmosphérique par photosynthèse. En revanche, les forêts jeunes, par conséquent en croissance, fixent plus de CO2 qu’elles n’en libèrent car elles produisent énormément de matières organiques. Elles agissent comme de véritables puits de carbone en piégeant le CO2 atmosphérique.

Schéma-bilan du cycle du carbone

( méthane ) ( biomasse )

( calcaire ) ( charbon / pétrole )

b) Les combustibles fossiles : l’exemple du charbon

Les combustibles fossiles ont tous une origine biologique : ils sont tous issus d’une biomasse ( et par conséquent, une concentration élevée en carbone ). Une combustion produit toujours du CO2 et du H2O. Le charbon de la plupart des bassins miniers français ( St Etienne , Le Creusot, les bassins miniers du nord de la France) a pour origine le bois des forêts tropicales marécageuses datant de plus de 300 millions d'années. Il en va de même pour les bassins miniers européens de la Ruhr, de la Saxe, du Royaume-Uni et de Pologne.



Les étapes de la formation des combustibles fossiles Le charbon résulte de la décomposition dans l'eau, à l'abri de l'air, de débris de végétaux terrestres (feuilles, tronc, branches...), autrement dit, de la décomposition de la biomasse végétale (créée grâce à l’énergie solaire par photosynthèse).

➢ La sédimentation

Habituellement quand les végétaux d'une forêt meurent, les longues molécules organiques qui les constituent sont décomposées par l'action des organismes décomposeurs. Ces transformations chimiques consomment du dioxygène. C'est pourquoi, lorsqu'une grande quantité de végétaux se trouve noyée dans une couche d'eau peu profonde, celle-ci s'appauvrit en dioxygène. Une partie des végétaux morts peut alors échapper à la dégradation par ces organismes. Grâce à l’érosion, les cours d’eau entraînent des sédiments (sable, argiles) qui recouvrent peu à peu la couche de débris végétaux à l’origine du futur charbon.

➢ La subsidence S’opère alors un enfouissement progressif de la biomasse végétale sous le poids des sédiments qui s’accumulent.

➢ La décomposition de la biomasse par les bactéries anaérobies ( dans un milieu privé de dioxygène ) Dans ces conditions, sous l'action de bactéries vivant en l'absence de dioxygène et sous l'effet d'une augmentation lente de la pression et de la température, liée à l'enfouissement très lent et progressif des débris, les molécules organiques végétales évoluent : les molécules volatiles (O2, H2 et N2) sont libérées et le carbone se concentre (houille : 55 à 75 % de Carbone, lignite : 75 à 90 % de C, anthracite : + de 90 % de C). L’enfoncement du bassin sédimentaire (autrement appelé subsidence) permet d’assurer une accumulation de sédiments sur des épaisseurs importantes et donc une évolution du charbon de plus en plus concentré en carbone. Une molécule riche en hydrogène et en carbone est appelée kérogène.

➢ L’enfoncement du kérogène L’enfoncement du kérogène, via la subsidence, continue et les conditions de pression et de température continuent d’augmenter. Il se produit alors une pyrolyse, c’est-à-dire une dégradation thermique de la matière organique. Cela engendre soit du pétrole ( huile ), soit du gaz , soit du charbon.

Visualisation de la fenêtre à hydrocarbures



Ce processus de formation des combustibles fossiles dure plusieurs millions d'années . Aussi cette transformation de végétaux morts en charbon forme le plus fréquemment de nombreuses couches (= veines) superposées. Le charbon est par conséquent une ressource naturelle qui s'épuise et qui est non renouvelable à court terme.

Schéma-bilan de la formation du charbon

Le pétrole quant à lui résulte de l’enfouissement lent du plancton marin dans les mêmes conditions. Autrement dit, si la biomasse initiale est terrestre, on obtient du charbon, si elle est aquatique, on obtient du pétrole ou du gaz naturel.

La combustion d’une énergie fossile restitue à l’atmosphère du CO2 prélevé par photosynthèse et piégé durant des millions d’années dans la roche. ( cf cycle du carbone )

Développement d’une forêt

marécageuse au bord de l’eau.

Destruction et immersion de la forêt.

Enfoncement du bassin : subsidence

Des sédiments se déposent au fur et à

mesure : la subsidence continue.

La subsidence continue :

La biomasse se transforme en charbon.

Une nouvelle forêt apparaît au bord de l’eau.



h) Une pollution de l’air létale

Les particules issues de la combustion d’une énergie fossile polluent l’air ambiant de microparticules. Aussi, on compte 67 000 décès / an à cause de la pollution de l'air en France. On compte alors pléthore de décès prématurés à cause des particules fines qui s'infiltrent non seulement dans nos poumons mais aussi dans le sang via les alvéoles pulmonaires. Autrement dit, 1 décès sur 1000 serait du à une mauvaise qualité de l'air. Les régions les plus touchées sont les zones urbaines, notamment l'île de France, l'axe Lyon-Marseille et le nord-est de la France. 8,8 millions de personnes meurent prématurément dans le monde à cause de la pollution de l'air, soit plus de monde que le tabac ! La Chine est le pays le plus pollué. La pollution de l'air est responsable de 800 000 morts / an en Europe. L'Allemagne, pays le plus densément peuplé du continent, possède le record morbide en Europe avec un taux de 124 000 décès / an. Cela est dû incontestablement à la pollution atmosphérique. Contrairement à ce que l’on pourrait penser, les principales causes de décès liées à l’exposition à un air toxique ne sont pas à chercher du côté des maladies du système respiratoire, comme le cancer du poumon, mais des pathologies cardiovasculaires.



IV ) Le bilan thermique du corps humain 1) Les échanges thermiques avec l’environnement

La chaleur se déplace selon un gradient, des zones de température les plus élevées vers les moins élevées. Le corps humain non seulement produit de la chaleur mais aussi perd de la chaleur en permanence. Il existe donc une régulation de la température corporelle afin de la maintenir à 37°C. a) Différents modes de transfert de chaleur

Il existe différentes modalités de perte de chaleur :

- Le rayonnement ( 60% de perte par le corps humain ) : le corps émet des radiations électromagnétiques , notamment dans les infrarouges. Ce rayonnement peut être détecté par thermographie.

- L’évaporation ( 22% de perte par le corps humain ) : une élévation de température permet le passage de l’eau à la forme liquide à la forme gazeuse. Une libération d’eau hors de l’organisme par la transpiration s’accompagne d’une perte d’énergie. Ainsi, une augmentation de la température corporelle conduit irrémédiablement à une sudation.

- La convection ( 15% de perte par le corps humain ) : les échanges d’énergie se font par déplacement de la matière, lorsque des courants d’air ou d’eau animent le milieu. La circulation du sang est en partie responsable des échanges de chaleur avec l’environnement.

- La conduction ( 3% de perte par le corps humain ) : la chaleur se transmet de proche en proche selon le gradient de température par l’agitation des molécules.

b) Limiter les pertes de chaleur Les pertes d’énergie peuvent être limitées :

- Par des réactions comportementales : le repli sur soi diminue la surface du corps exposée à l’environnement et ainsi les pertes de chaleur.

- Par l’isolation thermique grâce à la présence d’une couche de graisse sous la peau - Par la vasoconstriction, soit la diminution du diamètre des artérioles. La quantité de sang à

37°C, qui irrigue les extrémités du corps ou les tissus superficiels comme la peau, est moindre afin de limiter les pertes de chaleur avec le milieu extérieur. D’autre part, plus la surface du corps est grande, plus il perd de la chaleur. C’est pourquoi les organismes adaptés au froid sont plutôt trapus ( ours polaires / homme de Néanderthal )

2) Flux d’énergie et température corporelle La thermorégulation est l’ensemble des processus permettant à l’homme de maintenir sa température corporelle à 37°C. Ainsi, l’Homme est homéotherme : il est capable de maintenir sa température corporelle à cette valeur stable. Le contrôle de thermorégulation repose sur un équilibre entre les apports et les pertes de chaleur au niveau de l’organisme contribuant à assurer la stabilité de la température. Néanmoins, dans un corps au repos, les organes vitaux constituent un compartiment central produisant une chaleur continue et présentant une température stable de 37°C. Il existe un compartiment périphérique constitué de la peau et des muscles dont la température au repos est inférieur de quelques degrés à celle du compartiment central ( environ 31°C )



Une diminution de la température corporelle conduit l’organisme à augmenter sa production de chaleur en intensifiant l’activité musculaire. Ainsi, les frissons sont des contractions musculaires sans mouvement qui libèrent de l’énergie thermique. De plus, en déclenchant la constriction des vaisseaux sanguins superficiels, l’organisme limite la déperdition de chaleur.

3) Conversion d’énergie au sein de l’organisme Le métabolisme est défini par l’ensemble des réactions chimiques ayant lieu au sein de la cellule. a) Les aliments, source d’énergie

Les aliments renferment de la matière organique riche en énergie. On peut évaluer la valeur énergétique d’un aliment en réalisant sa combustion ( transformation chimique au cours de laquelle un combustible brûle en présence d’un combustible, le dioxygène )



b) Métabolisme et énergie chimique

Pour leur fonctionnement, tous les êtres vivants ont besoin d’énergie. Elle leur est fournie par la dégradation de molécules organiques (comme le glucose). α) la respiration Au cours de la respiration cellulaire, le glucose est entièrement dégradé en présence de dioxygène. Cette dégradation se déroule en plusieurs étapes, dans le cytoplasme puis dans la mitochondrie, et aboutit à la formation de molécules minérales : de l’eau et du dioxyde de carbone. Durant ces réactions, l’énergie libérée est stockée sous forme de molécules d’ATP, facilement utilisables pour les besoins cellulaires en énergie. β) la fermentation En absence de dioxygène, les cellules peuvent dégrader partiellement la matière organique par la fermentation. Dans ce cas, la dégradation incomplète du glucose aboutit à la formation de molécules organiques comme l’éthanol (alcool) ou l’acide lactique. La fermentation libère moins d’énergie que la respiration. Quand une personne est au repos, allongée, sans aucune activité, habillée à 20°C (neutralité thermique à 25°C si on est nu) et à jeun depuis 15 heures, on peut mesurer son métabolisme de base. Il correspond à l’énergie libérée et utilisée pour maintenir les fonctions vitales, soit environ 100 W ( soit l’énergie d’une ampoule allumée ). Néanmoins, le métabolisme de base diffère selon les critères ( sexe / âge ) et ne représente qu’une partie des besoins énergétiques journaliers. Selon les activités, les besoins énergétiques varient et sont comblés par les apports alimentaires. Or, la part énergétique, obtenue lors du métabolisme diffère selon les aliments ingérés. Une ration alimentaire journalière équilibrée doit compenser les besoins énergétiques sachant qu’1g de protides libère 17kJ , 1g de glucides libère 17kJ et 1g de lipides libère 38 kJ. Les glucides sont utilisés en priorité pour libérer de l’énergie.



VOIR EGALEMENT LE DOSSIER SENS CRITIQUE SUR LES "POUVOIRS" DE LA PLEINE LUNE

Déterminer la forme, la position et l’âge de la Terre sont des problématiques qui sont à l’origine de la plus longue controverse que l’histoire des sciences a connue. Voici donc un autre cours d’histoire des sciences et d’épistémologie afin d’affûter sa pensée critique pour mieux comprendre le monde qui nous entoure grâce aux nouvelles connaissances apportées par les sciences indissociables de la démarche expérimentale.

I ) La forme de la Terre : de la Terre plate à la Terre sphérique cours vu uniquement avec le professeur de sciences physiques

II ) L'histoire de l'âge de notre planète

Les grandes étapes de l'étude de l'âge de la Terre a) De l’Antiquité jusqu’au siècle des Lumières

Dès l’Antiquité, on pensait que la Terre et l’Univers avaient toujours existé. Sans commencement, on n’attribuait pas d’âge à notre planète. L’idée d’une naissance de la Terre est apportée par les religions monothéistes et le dogme de la Création, mais aucun texte religieux ne la date. Toutefois, du Moyen-Âge jusqu’au XVIIIème siècle, des érudits tentèrent de calculer l’âge de la Terre à partir des informations contenues dans la Bible. En effet, les scientifiques avaient pour obligation de faire concorder le résultat de leurs recherches sur l’âge de la Terre aux affirmations bibliques. Ainsi, Johannes Kepler, astronome allemand connu pour sa thèse sur l’héliocentrisme ( cf cours de physique ) , estima que la Terre ( et la Vie ) était née en 3993 avant JC. Isaac Newton, scientifique anglais connu pour ses lois de la gravité, estima l’âge de la Terre à 3998 avant JC. Si nous rajoutons deux millénaires, les créationnistes estiment que la Terre, et ses êtres vivants qui la peuplent, sont âgés actuellement de 6000 ans.

Rappels de philosophie à impérativement savoir : définition de 2 termes :

- Un dogme est une affirmation établie comme une vérité fondamentale, incontestable. Le doute n’est alors pas permis. La science, elle, remet régulièrement son contenu en doute. cf après

- Une science, contrairement à une croyance, se base sur des faits vérifiables. Autrement dit, la science peut se justifier (via la démarche expérimentale) contrairement à la croyance.


LLaa ppllaannèèttee TTeerrrree,, uunn aassttrree ssiinngguulliieerr



Au XVIIIème siècle, émergent les premières démarches scientifiques.

b) Les apports de la géologie au XVIIIème siècle Au XVIIème siècle, la stratigraphie, soit l’étude des strates de roches sédimentaires (telles que le calcaire ou les marnes), permet de relier l’épaisseur d’une couche de sédiments devenus roche au temps nécessaire à son dépôt. Le taux de sédimentation est de l’ordre de 1 cm / an.

Ainsi, Georges-Louis Leclerc de Buffon, dit Buffon, grand naturaliste bourguignon du XVIIIème siècle (et père de la zoologie), estime que l’âge des roches calcaires alpines à plusieurs millions d’années. Cela ne correspond pas à l’âge biblique calculé précédemment. Georges Cuvier, grand biologiste franc-comtois, considéré comme le père de la paléontologie, a étudié pléthores de fossiles. Aussi, il admet que les fossiles ont l’âge des roches qui les contiennent. Selon le principe d’actualisme, érigé par le géologue écossais James Hutton, les phénomènes du passé se reproduisent de la même manière que ceux du présent. Par extension, les espèces du passé ont le même mode de vie que les espèces actuelles qui leur ressemblent. Par principe d’actualisme, les fossiles nous renseignent sur les conditions du passé. Ainsi, des dents de requin retrouvées dans les Alpes, interprétées au Moyen-Âge comme les preuves du déluge, attestent vraisemblablement de l’existence d’un océan aujourd’hui disparu. On prend ainsi conscience que la Terre s’est transformée et que les bouleversements qu’elle a subis se sont produits sur une longue échelle de temps.

c) Les apports des sciences physiques au XVIIIème siècle et au XIXème siècle ( cf TP ) Buffon est le premier à proposer une méthode scientifique basée sur un modèle théorique pour dater la Terre en évaluant expérimentalement son temps de refroidissement. En travaillant sur le taux de refroidissement de boules de métal chauffées, assimilant notre planète à une boule en fusion qui se refroidit continuellement depuis sa création, et connaissant le rayon de la Terre (6371 km), il déduit un âge de l’ordre de 75 000 ans. Sir William Thomson, mieux connu sous le nom de Lord Kelvin, physicien irlandais né à Belfast, concepteur de la notion du zéro absolu, reprend cette idée et se base sur le gradient géothermique de la Terre et l’équation de la chaleur pour calculer le temps de refroidissement de la planète Terre. Il arrive alors à un âge de 20 à 40 millions d’années. Néanmoins, une controverse scientifique oppose la naturaliste Charles Darwin au physicien Lord Kelvin. En effet, l’auteur anglais de l’évolution des espèces, considère que l’évolution de la faune et de la flore n’a pas pu s’effectuer en un temps aussi court. Il évoque alors un âge de l’ordre de 300 millions d’années, s’attirant les foudres de l’Église et de nombreux scientifiques. Les travaux sur la radioactivité au XXème siècle les départageront à titre posthume.



d) Les apports de la radioactivité au XXème siècle

- De nouvelles datations de notre planète

La découverte de la radioactivité, par le physicien parisien Henri Becquerel en 1896, relance le débat sur l’âge de la Terre et remet en cause les résultats de Lord Kelvin. En effet, les éléments radioactifs des roches terrestres libèrent de la chaleur en se désintégrant, ce qui ralentit le refroidissement de la planète. Ainsi, grâce à la radiochronologie, il est désormais possible de dater une roche. La méthode s’appuie sur la décroissance naturelle des éléments radioactifs instables au cours du temps. Le physicien néo-zélandais Ernest Rutherford estime alors une date de 140 millions d’années pour l’âge de la Terre.

- Principe de la radioactivité

La datation des roches est réalisée par radiochronologie selon le principe que les éléments radioactifs instables se transforment en éléments radiogéniques stables par désintégration radioactive. Autrement dit, un élément radioactif père est instable et se désintègre spontanément au cours du temps en produisant un élément fils non radioactif.

Petits rappels de physique à connaître:

Z ( nbre de protons ) + n ( nbre de neutrons ) = A ( nbre de masse ) A radioactivité A

Soit l’élément E : E E’ Z Z+1

Les isotopes possèdent un nombre de neutrons différent. Exemple : l’élément carbone possède 3 isotopes : 12C = 6 neutrons et 6 protons

13C = 7 neutrons et 6 protons et 14C = 8 neutrons et 6 protons

Tout système ( être vivant, fossile, roche ) contient des éléments radioactifs qui se désintègrent au cours du temps.

Or, il existe une période, appelée également demi-vie, de l’élément radioactif. En effet, le temps est toujours le même pour qu’un élément radioactif se désintègre de moitié, c’est-à-dire, qu’à chaque intervalle T, l’élément se divise en 2. Ainsi, le temps de demi-vie ou période, est le temps que met la moitié du nombre d’éléments de l’échantillon à se désintégrer en éléments fils. On est face à une horloge extrêmement fiable pour calculer l’âge des roches de la Terre.

L’âge que l’on peut calculer correspond à la fermeture du système, c'est-à-dire au moment où plus aucun élément père ne peut être apporté ou soustrait à l’échantillon (mort de l’être vivant ou cristallisation des minéraux de la roche)



Pour dater des roches anciennes, il faut choisir des isotopes radioactifs dont la période est suffisamment grande, de façon à ce qu’ils n’aient pas tous disparu. Le géochimiste américain Clair Patterson utilise la datation uranium-plomb ( l’uranium U se désintègre en plomb Pb). On peut alors parler de géochronomètre isotopique uranium/plomb. En effet, en mesurant les quantités de certains rapports isotopiques , on arrive à construire une droite, appelée isochrone, dont la pente ( = coefficient directeur ) donne l’âge de la Terre. Cf TP Il utilisera un autre domaine scientifique pour construire sa courbe : l’astronomie

T = période



e) Les apports de l’astronomie au XXème siècle

- Rappels d’astronomie sur les corps célestes Un astéroïde est un objet céleste de petite taille ( inférieur à 200 km ) généralement de forme irrégulière. Lorsqu’un astéroïde traverse l’atmosphère terrestre, on parle de météores ou étoile filante. Si le météore touche le sol, on parle de météorite ( c’est le nom de la roche ). On trouve deux ceintures d’astéroïdes dans notre système solaire : entre Mars et Jupiter et au-delà de Neptune. Une comète est un corps glacé contenant beaucoup d’eau et des poussières. Son orbite est très ellipsoïdale. Lorsqu’elle s’approche du Soleil, une queue de poussières apparaît.

- L’étude des météorites Pour déterminer l’âge de la Terre, il faut disposer des roches les plus anciennes. L’application de la mesure, via la radiochronologie, sur des météorites a permis de contourner la difficulté. Autrement dit, dater les météorites permet de déterminer l’âge de formation de la Terre. Les chondrites sont des météorites formées en même temps que la Terre à partir du même matériau primitif. Autrement dit, ces restes du système solaire permet de dater la formation du système solaire et dons des planètes qui le constitue. En 1953, Clair Patterson mesure les proportions en différents isotopes du plomb dans des chondrites. Ses mesures, effectuées sur plusieurs échantillons lui permettent de construire une isochrone qui permet de dater l’âge des chondrites et donc de notre planète. Clair Patterson arrive alors à un âge de 4,55 milliards d’années ( 4,55 Ga ) , datation admise par tous les scientifiques ( soit le consensus scientifique ).

f) Conclusion de ce chapitre d’épistémologie

Dès la Renaissance, les progrès techniques ont chaque fois permis non seulement de montrer que la Terre n’est pas éternelle mais aussi de proposer une datation plus grande que la précédente. L’âge de la Terre communément admis est ainsi passé en deux siècles de 6 000 ans (âge biblique) à plusieurs centaines de millions d’années (âge débattu à la fin du XIXe siècle). L’ancienneté de la Terre a été difficile à accepter car les récits mythologiques et ceux des textes sacrés étaient la référence.



Après tant de variations, peut-on considérer l’âge de la Terre comme stabilisé ? Comme toute vérité scientifique, il pourrait être invalidé par la remise en cause des hypothèses faites, à savoir : « les périodes des éléments radioactifs n’ont pas varié au cours du temps »

Cette détermination de l’âge de la Terre est exemplaire du tournant opéré dans le monde savant. Pour Newton, la réponse se trouvait dans la Bible, source divine de vérité. Les données empiriques n’étaient pas extraites du terrain mais du Livre saint. Aucune confrontation à des résultats expérimentaux n’était envisagée. Buffon a été l’un des premiers à rompre avec cette logique car il a proposé des théories, des expériences correspondantes et des mesures.

La science permet de construire un savoir plus fiable qu’une croyance ou qu’un dogme. C’est le critère de réfutabilité qui oppose la théorie scientifique et le dogme. Les nouvelles observations avec les nouvelles technologies, en employant la méthode scientifique (observations, expérimentations reproductibles et mesurables, déduction ) permettent d’affiner ou de corriger les théories formulées dans le passé. En effet, c’est grâce au processus d’autocorrection permanent que le savoir augmente. Si les scientifiques savent de plus en plus, c’est parce que justement, ils savent qu’ils ne savent pas tout.

Lord Kelvin aimait à dire : « unless sources now unknown to us are prepared » (« à moins que des sources qui nous sont inconnues maintenant soient découvertes »)

III ) La Terre dans l'Univers cours vu uniquement avec le professeur de sciences physiques

a) du géocentrisme à l’héliocentrisme les apports de Nicolas Copernic

b) les mouvements de la planète de la Terre rotation et révolution sidérale

c) les mouvements de la Lune les phases de la Lune et les éclipses



Introduction : Symphonie n°7 de Ludwig van Beethoven , Allegretto , 2ème mouvement - Dance hongroise n°5 de Johannes Brahms - thème principal d’une série – cri d’un animal à reconnaître – alarme du lycée - SOS en morse lancé par le Titanic le 14 avril 1912

I ) Le son, phénomène vibratoire cours vu uniquement avec le professeur de sciences physiques II ) La musique ou l'art de faire entendre les nombres cours vu uniquement avec le professeur de sciences physiques III ) Le son, une information à coder cours vu uniquement avec le professeur de sciences physiques IV ) Entendre la musique

Introduction : L’homme perçoit son environnement à l’aide d’organes sensoriels. Ces derniers perçoivent les variations de différents facteurs de l’environnement et transmettent les informations au cerveau qui les traite et interprète. Exemple : l’ouïe est le sens qui perçoit les ondes sonores. Il existe, chez l’Homme, plusieurs sens : l’ouïe , l’équilibre , la vue , le gout , l’odorat , le toucher , la douleur… Chez d’autres animaux, il existe d’autres sens tels que la magnétoreception ou l’écholocation. La vue est l’organe sensoriel le plus développé chez l’Homme ( 40 % des informations perçues par les organes des sens le sont par l’œil ) mais, étant une espèce sociale, l'ouïe reste également très utile pour s’orienter dans l’espace, communiquer entre nos semblables et par conséquent réagir de manière appropriée dans notre environnement. L’oreille est un organe complexe contenu dans les cavités de l’os temporal au niveau du crâne des Vertébrés. Chez les Mammifères, taxon auquel nous appartenons, elle est composée de trois parties : l’oreille externe, l’oreille moyenne, et l’oreille interne. Elle assure alors deux fonctions primordiales : l’audition et l’équilibre. La compréhension du fonctionnement de l’oreille nécessite une approche multidisciplinaire comprenant à la fois l’anatomie, la physiologie, la neurologie, ainsi que les sciences physiques et informatiques .


♫♫♪♪ SSoonn eett mmuussiiqquuee,, ppoorrtteeuurrss dd''iinnffoorrmmaattiioonn ♫♫♪♪



1) Capter des sons L'oreille humaine peut percevoir des sons d'un niveau sonore compris entre 0 et 120 dB et d'une fréquence comprise entre 20 et 20 000 Hz. Cette gamme de sons audible est alors appelé champ auditif. L'oreille externe est constituée - du pavillon (constitué entièrement de cartilage) qui, grâce à sa forme, filtre les sons. - du conduit auditif d’une longueur moyenne de 25 mm qui sécrète du cérumen au rôle antibactérien L’oreille externe, de par sa forme, canalise, amplifie et transmet à l'oreille moyenne les ondes sonores. NB : le chien et le chat peuvent percevoir des fréquences jusqu’à 40 000 Hz. Le tarsier, petit primate nocturne insectivore vivant dans les îles d’Asie du Sud-est, peut percevoir, quant à lui, des fréquences jusqu’à 90 000 Hz, à l’instar des Cétacés et des Chiroptères. La chouette lapone peut entendre une proie à plus de 100 m de distance à travers 45 cm de neige. 2) Transmettre des sons par vibrations mécaniques Au niveau de l'oreille moyenne, les variations de pression de l'air entraînent des vibrations du tympan. Celui-ci est relié à une chaîne de 3 osselets ( le marteau, l'enclume et l'étrier ) qui se met en mouvement lorsque le tympan vibre. Schéma-bilan de l’organisation anatomique de l’oreille humaine à connaître



3) Convertir des sons en message nerveux Les mouvements des osselets sont convertis en variations de pression du liquide contenu dans la cochlée de l'oreille interne. Cette dernière comprend un organe sensoriel cilié appelé organe de Corti. A la surface de l’organe de Corti, on trouve des cellules nerveuses (ou neurones) qui portent des expansions cytoplasmiques en forme de cils, très fragiles, et que l’on appelle stéréocils. Lorsque la fréquence des vibrations reçues est identique à la fréquence propre de certains de ces cils vibratiles cochléaires, ces derniers entrent alors en résonnance. Cf vidéo du TP1 On peut donc en déduire que les 15 000 cellules ciliées de l’organe de Corti dans la cochlée constituent les récepteurs sensoriels de l'ouïe dont la fonction est de convertir la vibration sonore en message nerveux. Ce dernier est transmis au cerveau via le nerf auditif. Toutefois, les cellules ciliées sont disposées dans la cochlée en fonction de leur seuil de sensibilité, variable selon la fréquence du son : les plus proches de la base de la cochlée captent les sons aigus et celles proches de l’extrémité captent les sons graves. Cette distribution particulière des cellules ciliées, appelée tonotopie, permet une discrimination des fréquences. L’oreille peut ainsi entendre un son composé de plusieurs fréquences différentes.

Schéma à connaître d’une cellule ciliée fonctionnelle et de la synapse associée



Lorsqu’un son est capté par l’oreille, des cellules ciliées de l’organe de Corti sont excitées : 1) les stéréocils des cellules ciliées cochléaires s’inclinent alors dans un sens 2) la cellule ciliée libère des molécules appelées neurotransmetteurs ( = neuromédiateurs ) dans l’espace

synaptique 3) le neurone constituant le nerf auditif possède des récepteurs capables de reconnaître ses

neurotransmetteurs. Une fois le neurotransmetteur fixé sur le récepteur, un message nerveux est engendré dans le nerf auditif sous forme de signaux élémentaires de nature électrique, les potentiels d’action (PA). Si l’intensité sonore augmente, le nombre de PA par unité de temps augmente.

Pour arriver jusqu’au cerveau, il y a une succession de neurones. Le contact entre 2 neurones est appelé synapse, il est constitué d’un espace qui ne peut pas être franchi par un signal électrique. Au niveau des synapses le message électrique est transformé en message chimique le temps de franchir l’espace. Les messages nerveux , de nature électrique, se propagent le long de la membrane des neurones le long de leur fibre nerveuse .

L’extrémité de la fibre nerveuse du neurone présynaptique ( avant la synapse ) libère des neurotransmetteurs ( = neuromédiateurs ) qui en se fixant sur des récepteurs spécifiques situés sur la membrane du neurone post synaptique, provoquent la naissance d’un nouveau message nerveux de nature électrique. Le phénomène de libération dans la fente synaptique de neurotransmetteurs s’appelle l’exocytose. ▼schéma à comprendre

neurone du nerf auditif (neurone postsynaptique)

Cellule ciliée de la cochlée (neurone présynaptique)



4 ) Interpréter le signal sonore Les signaux sensoriels issus des cellules ciliées de l’organe de Corti rejoignent le cerveau via le nerf auditif. Les messages nerveux sont acheminés vers les aires cérébrales auditives localisées dans les lobes temporaux du cerveau. L’aire cérébrale auditive primaire (ou cortex auditif primaire) réceptionne les messages nerveux auditifs. Les aires cérébrales auditives secondaires perçoivent la musique ou décryptent les mots. Ex. l’aire de Wernicke associé au traitement des paroles.

OREILLE BASE DU CERVEAU CERVEAU LOBE TEMPORAL

ondes sonores D’autre part, la reconnaissance d'un son entendu nécessite une collaboration entre les aires auditives, la mémoire et des structures liées aux émotions et d’autres liées au langage ( aire de Wernicke dans l’hémisphère gauche ). Le son est alors interprété ( mot / musique / cri … ) NB : Attention aux hallucinations ( auditives comme visuelles d’ailleurs ). La moitié de notre cortex cérébral sert à communiquer avec nos semblables, d'où parfois des fausses interprétations. Le cerveau interprète a sa manière les images perçues par notre œil ( paréidolie ) ou notre oreille.

L’organisation du cortex auditif s’établit en fonction des informations transmises par les cellules de la cochlée jusqu’à 6-8 ans. Cette organisation dépend ainsi de l’expérience individuelle (on parle de plasticité cérébrale). Ex. sensibilité à des sons d’une langue étrangère dès 1 an. L’apprentissage d’une langue est facilité dès le plus jeune âge. Afin de stimuler les connexions neuronales durant un apprentissage, un langage complexe est ainsi préconisé.

Avec l’âge, les sons aigus sont moins bien perçus et le champ auditif se restreint (presbyacousie). 5 ) La préservation de l'audition L’exposition à un bruit intense, si elle est prolongée ou répétée, peut provoquer des lésions graves du système auditif qui peuvent être irréversibles. Exemple : des cassures des stéréocils de la cochlée qui ne seront plus reliées aux synapses du système nerveux. En effet, notre capacité à comprendre ce que les autres nous disent est liée à l’état de nos cellules ciliées. Or, ce sont les premiers éléments à être endommagés par une exposition trop importante au bruit. Les cellules ciliées endommagées ne sont pas remplacées ; leur perte est irréversible et responsable de troubles définitifs de l’audition. L’oreille peut être endommagée bien avant que l’on ne ressente une quelconque douleur. Le seuil de danger pour l’oreille se situe à 85 dB , soit le bruit d'une tondeuse à gazon, alors que le seuil de douleur se situe à 120 dB. Afin d'éviter des atteintes auditives irréversibles, telles que la surdité ou des acouphènes chroniques, il convient alors de limiter la durée d'écoute au casque ou avec les écouteurs et de ne pas régler le volume trop fort. Attention, les effets graves n'arrivent pas immédiatement et l'audition se dégrade alors prématurément avec l'âge. Écouter de la musique très fort reste donc un risque sérieux, même si on ne le fait pas souvent.

COCHLÉE TRONC CÉRÉBRAL

THALAMUS AIRE CÉRÉBRALE AUDITIVE PRIMAIRE

AIRE CÉRÉBRALE AUDITIVE SECONDAIRE

AUTRES AIRES CÉRÉBRALES



Solutions envisagées :

comment raisonner de façon correcte au quotidien

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