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SCIENTIFIQUES

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Entraînement intensif : • QCM • Exercices pour l’écrit • Exercices pour l’oral : schémas et documents• TP

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10 sujets d’oraux pour le concours des ENS

BiologieGéologie

Ouvrage coordonné par O. DautelC. Bordi • F. Saintpierre • M. Algrain-Pitavy • M. Quertigniez

A. Proust • M. Vabre • A. Helme-Guizon • B. Mollier

BCPST 2e année

Biologie Géologie

BCPST 2

Ouvrage collectif coordonné par : Olivier Dautel, professeur en BCPST 2 au Lycée Henri-Poincaré à Nancy

Les auteurs : Cédric Bordi, professeur en BCPST 2 au lycée Bellevue à Lyon

Françoise Saintpierre, professeure en BCPST 2 au lycée Hoche à Versailles Marianne Algrain-Pitavy, professeure en BCPST 1 au lycée Saint-Louis à Paris

Mathieu Quertigniez, professeur en BCPST 1 au lycée Lakanal de Sceaux Audrey Proust, professeure en BCPST 1 au lycée Lakanal de Sceaux Marlène Vabre, professeure en BCPST 1 au lycée Lakanal de Sceaux

Alix Helme-Guizon, professeure en BCPST 2 au lycée Le Fresne à Angers Benjamin Mollier, professeur en MPSI au lycée Blaise Pascal à Orsay

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CPGE-Bio-Geol-2019.indb 1 15/07/2019 17:44:09

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+ des sujets d'oraux complémentaires pour les ENS à télécharger

Biologie Géologie

Ces activités sont également téléchargeables sur le site www.vuibert.fr

à la page du livre.

Les cartes de ce livre ont été gracieusement fournies par les éditions du BRGM. Nous remercions particuliè-rement Frédéric Simien pour sa gentillesse et sa disponibilité. Toutes les illustrations de cet ouvrage ont été réalisées par Marie-Christine Liennard, Christel Parolini, Valérie Goncalves, Emmanuel Linares, Christian Lim et Lionel Auvergne.Les crédits concernant les photographies et les autres documents se trouvent à la fin de ce livre.

ISBN : 978-2-311-40570-5

Conception de couverture : Hung Ho Thanh

Conception LaTeX / InDesign et mise en page : Sébastien Mengin

La loi du 11 mars 1957 n’autorisant aux termes des alinéas 2 et 3 del’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductionsstrictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées àune utilisation collective » et, d’autre part, que les analyses et lescourtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toutereprésentation ou reproduction intégrale, ou partielle, faite sans leconsentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, estillicite » (alinéa 1ier de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc unecontrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du Codepénal. Des photocopies payantes peuvent être réalisées avec l’accordde l’éditeur. S’adresser au Centre français d’exploitation du droitde copie : 20 rue des Grands Augustins, F-75006 Paris.

Tél. : 01 44 07 47 70

© Vuibert – août 2019 – 5 allée de la 2e DB, 75015 Paris


3

SOMMAIREFiches méthode et conseils. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13Les 9 conseils pour réussir, 14 — S'organiser pour les colles, 17— S'organiser pour le TIPE, 18 — Présentation des

concours, 19 — Réussir les épreuves, 21 — S'organiser pour les révisions, 23 — Les dates à retenir pour l'année

de BCPST 2, 25

BIOLOGIEPartie 1. L'organisme : un système en interaction avec son environnement . . .27

Chapitre 1. La respiration, une fonction en interaction directe avec l’environnement. . 31

COURS, 321. Les échanges respiratoires sont réalisés au niveau de surfaces d’échanges spécialisées en lien avec les contraintes du milieu de vie, 32 — 2. Les échanges des gaz respiratoires sont liés aux propriétés des molécules de transport, 43 — 3. Les échanges des gaz respiratoires sont contrôlés, 48

SCHÉMA-BILAN, 51

EXERCICES, 52CORRIGÉS, 60

➤ TRAVAUX PRATIQUESTP 1. Étude d'une fonction : la respiration, 66

Chapitre 2. L’organisation et les propriétés de l’appareil circulatoire. . . . . . . . . . . . . . . . . 79

COURS, 801. Le système cardio-vasculaire permet la circulation unidirectionnelle du sang dans un réseau clos, 80 — 2. Les différents segments vasculaires présentent une organisation en lien avec leur fonction, 83

SCHÉMA-BILAN, 94

EXERCICES, 95CORRIGÉS, 104

Chapitre 3. Le cœur et la mise en circulation du sang chez les Mammifères . . . . . . . . . . 109

COURS, 1101. Le cœur assure la mise en mouvement du sang, 110 — 2. Le cœur a un fonctionnement automatique, 115

SCHÉMA-BILAN, 121

EXERCICES, 122

CORRIGÉS, 130


4

Chapitre 4. La pression artérielle moyenne, un paramètre régulé . . . . . . . . . . . . . . . . 135

COURS, 1361. La pression artérielle moyenne résulte de paramètres circulatoires et est une grandeur régulée à court terme par le baroréflexe, 136 — 2. L’adaptation à l’effort physique se fait par modification des débits locaux et glo-baux, 144 — 3. Les boucles de contrôle forment des réseaux interconnectés, exemple de l’hémorragie, 148

SCHÉMA-BILAN, 153

EXERCICES, 154

CORRIGÉS, 162

➤ TRAVAUX PRATIQUESTP 2. Cœur et vaisseaux sanguins, 169

Chapitre 5. Nutrition des Angiospermes en liaison avec le milieu. . . . . . . . . . . . . . . 181

COURS, 1821. L’absorption hydrominérale correspond à une exploitation nécessaire et optimisée du sol, 182 — 2. Le flux de sève brute de l’appareil racinaire à l’appareil foliaire fait partie du continuum sol-plante-atmosphère, 187 — 3. La distribution des produits de la photosynthèse permet la nutrition immédiate de toute la plante ou une mise en réserve pour une nutrition différée, 193

SCHÉMA-BILAN, 198

EXERCICES, 199

CORRIGÉS, 208

Chapitre 6. Le développement des Angiospermes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

COURS, 2141. Le développement végétatif correspond à la construction d’une tige feuillée exposée au milieu aérien et d’un appareil racinaire ancré dans le sol, 214 — 2. Le développement végétatif d’une Angiosperme est influencé par son environnement, 221 — 3. L’appareil reproducteur des Angiospermes se met en place à partir du méristème apical végétatif, 223

SCHÉMA-BILAN, 227

EXERCICES, 228

CORRIGÉS, 236

➤ TRAVAUX PRATIQUES

TP 3. L’étude morphologique et anatomique des tiges, des feuilles et des racines des Angiospermes, 243

TP 4. La croissance et le développement des tiges et des racines des Angiospermes, 255

TP 5. Les adaptations de l’appareil végétatif des Angiospermes, 267

Chapitre 7. Diversité morpho-fonctionnelle des organismes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

COURS, 2801. Les organismes eucaryotes pluricellulaires peuvent se nourrir et croître de différentes manières, 280 — 2. Les organismes pluricellulaires se nourrissent par absorbotrophie ou phagotrophie, 283 — 3. Les organismes unicel-lulaires se nourrissent de manière similaire aux organismes pluricellulaires, 287

SCHÉMA-BILAN, 292


5

EXERCICES, 293

CORRIGÉS, 301


TP 6. Diversité morpho-fonctionnelle des organismes : les champignons, 309

TP 7. Diversité morpho-fonctionnelle des organismes : les algues, 317

TP 8. Les organismes unicellulaires, 331

➤ SUJETS DES SYNTHÈSE

SUJET 1. La réalisation des fonctions de nutrition chez les Métazoaires vivant en milieu aquatique, 341

SUJET 2. Les surfaces d’échanges des organismes pluricellulaires, 345

Partie 2. Population, écosystème et biosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

Chapitre 8. Les populations et leur dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

COURS, 3521. L’effectif d’une population varie au cours du temps, 352 — 2. L’espèce est formée de populations interconnec-tées par la dispersion, 361 — 3. La fréquence des allèles dans une population varie au cours du temps, 365

SCHÉMA-BILAN, 370

EXERCICES, 371

CORRIGÉS, 381

Chapitre 9. Les écosystèmes, leur structure et leur fonctionnement . . . . . . . . . . . . 387

COURS, 3881. L’écosystème est un espace délimité caractérisé par un biotope et une biocénose, 388 — 2. Les espèces entre-tiennent des relations qui structurent l’écosystème, 394 — 3. Les relations trophiques sont à l’origine d’un flux de matière et d’énergie au sein des écosystèmes, 401 — 4. La connaissance de la structure et de la dynamique des écosystèmes permet leur gestion, 409

SCHÉMA-BILAN, 413

EXERCICES, 414

CORRIGÉS, 421

Chapitre 10. Flux et cycles biogéochimiques : l’exemple du carbone. . . . . . . . . . . . 427

COURS, 4281. Le carbone est présent dans différents réservoirs, 428 — 2. Le cycle du carbone est caractérisé par des trans-ferts entre réservoirs, 430 — 3. Le cycle du carbone est lié à d’autres cycles et contribue à des paramètres globaux comme le climat, 434 — 4. Par ses activités, l’Homme modifie le cycle du carbone et perturbe le climat, 437

SCHÉMA-BILAN, 441

EXERCICES, 442

CORRIGÉS, 454


6


TP 9 – Les populations et leur dynamique, 458

TP 10 – Les écosystèmes, leur structure et leur fonctionnement, 464

TP 11 – Les cycles du carbone et de l'azote, 474


SUJET 1. L’autotrophie. Ses fondements cellulaires, ses modalités à l’échelle d’un organisme et sa place dans les

écosystèmes et dans les cycles biogéochimiques, 483

SUJET 2. Les interactions biotiques des Angiospermes, 487

Partie 3. Biodiversité et dynamique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491

Chapitre 11. Les mécanismes de l’évolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493

COURS, 4941. Les mutations apparaissent aléatoirement dans la population, 494 — 2. La sélection est un processus de re-production différentielle, qui trie ou entretient la diversité génétique selon la valeur sélective ou fitness des al-lèles, 496 — 3. La dérive génétique exerce un tri aléatoire d’autant plus important que la population est petite, et peut agir sur les traits neutres, 505 — 4. Les isolements génétiques lors de la reproduction sexuée font apparaître les espèces, c’est la spéciation, 515

SCHÉMA-BILAN, 522

EXERCICES, 523

CORRIGÉS, 534

Chapitre 12. Une approche phylogénétique de la biodiversité . . . . . . . . . . . . . . . . . . .541

COURS, 5421. Les êtres vivants peuvent être classés selon différents principes, 542 — 2. L’arbre du vivant est un arbre phylo-génétique complexe, 550

SCHÉMA-BILAN, 558

EXERCICES, 559

CORRIGÉS, 568

➤ TRAVAUX PRATIQUESTP 12 – Les mécanismes de l'évolution, 576


SUJET 1. Les espèces : stabilité et diversité, 585

SUJET 2. La diversité des individus et des populations au sein d’une espèce, 591


7

GÉOLOGIEPartie 4. Les déformations de la lithosphère et les transformations minérales associées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595

Chapitre 13. Les déformations des matériaux de la lithosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . 597

COURS, 5981. Les roches de la lithosphère peuvent se déformer, 598 — 2. La rupture de roches lithosphériques engendre des séismes, 609SCHÉMA-BILAN, 615

EXERCICES, 616

CORRIGÉS, 628


TP 13 – Déformation des matériaux de la lithosphère, 635

Chapitre 14. Les transformations minérales du métamorphisme. . . . . . . . . . . . . . . . . 655

COURS, 6561. Les associations minéralogiques du métamorphisme sont indicatrices des conditions de pression et de tem-pérature, 656 — 2. La distribution spatiale des roches métamorphiques permet de reconstituer l’histoire géolo-gique d’une région, 667

SCHÉMA-BILAN, 675

EXERCICES, 676

CORRIGÉS, 688

➤ TRAVAUX PRATIQUESTP 14 – Les transformations minérales du métamorphisme, 696

Partie 5. Étude des grands ensembles géologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .705

Chapitre 15. L'océan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .713

COURS, 706 1. Au fil du temps, la lithosphère océanique subit des modifications de ses propriétés physico-chimiques, 706 — 2. Les marges d’un océan sont actives ou passives, 711 — 3. Il existe un couplage entre océan et atmosphère, 715

SCHÉMA-BILAN, 719

EXERCICES, 720

CORRIGÉS, 733


TP 15 – Structuration de l’édifice alpin, 743


8

Chapitre 16. L’histoire des Alpes franco-italo-suisses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 757

COURS, 7581. Les Alpes sont divisées en grandes zones selon une nomenclature ancienne, 758 — 2. Première étape : les roches de l’« ancien socle alpin » se forment (–500 à –250 Ma), 759 — 3. Deuxième étape : l’océan alpin s’ouvre et s’étend (–165 à –100 Ma, Jurassique), 760 — 4. Troisième étape : l’océan alpin se referme par subduction (–100 à –50 Ma), 764 — 5. Quatrième étape : l’Europe et l’Apulie entrent en collision (–50 Ma à –8 Ma), 766 — 6. Cin-quième étape : l’érosion des Alpes et leur devenir actuel, 773

SCHÉMA-BILAN, 778

EXERCICES, 780

CORRIGÉS, 793


TP 16 – Les massifs anciens, 803

Chapitre 17. Étude de quelques grands ensembles structuraux français. . . . . . . . . . . .809

COURS, 810 1. Les bassins sédimentaires français présentent des morphologies variées, 811 — 2. Les chaînes de montagnes françaises résultent de multiples orogenèses, 814 — 3. La Guadeloupe, la Martinique et la Réunion sont d’origine volcanique, 819

SCHÉMA-BILAN, 823

EXERCICES, 824

CORRIGÉS, 837


TP 17 – Bassins sédimentaires, 847

Lexique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 861

Dossier géologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 873

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 890


9

PréfaceEspérer en l’avenir

C’est un espoir multiple en l’avenir que cette préface soulève en moi, car ce livre prépare indubitablement l’avenir.

D’abord, l’avenir du lecteur : je pense à celle ou celui qui, en classe préparatoire et dans la tourmente entre Sup’ et Spé, vient d’acquérir ce livre – et je pense à son avenir. En effet, ces années difficiles sont néanmoins celles d’une vraie formation, qui marque et mûrit durablement : je l’ai vécu moi-même dans ces classes préparatoires, d’abord élève dans l’ancêtre des BCPST que furent les Sup’ Agro, puis comme colleur à Paris et à Nancy. Sous la pression des colles et du concours, un fond de connaissances solides et une pratique scientifique rigoureuse s’installent, qui ne quitteront jamais celui qui les aura mérités de ses efforts : c’est pour une vie. Mais l’exercice reste difficile et l’effort soutenu : une présence bienveillante et un soutien méthodologique sont bienvenus. Aux côtés du corps enseignant, ce livre est justement là pour cela.

Ensuite, l’avenir de nos sociétés (et rien moins !). Les concepteurs du programme de seconde année, dont je fus, ont voulu introduire deux matières qui leur paraissaient majeures. Implicites mais en filigrane dans l’ancien programme, et à présent spécifiquement étudiées, l’évolution et l’écologie permettent de prendre un recul en replaçant les autres éléments de la biologie (cellulaire, physiologique, biochimique etc.) dans un cadre spatial et temporel plus large. Elles démontrent aussi l’interaction avec le monde inerte (« abiotique ») dans la durée et tissent donc un lien avec la géologie. Prenons l’exemple de la santé : issue de notre évolution et en partie fondée sur l’écosystème microbien (microbiote) qui nous habite, elle ne peut s’imaginer sans écologie ni évolution.

Or, c’est tout ce qui a manqué aux générations précédentes. Par exemple, en nourrissant la plante d’engrais minéraux au xxe siècle, on répond efficacement à ses exigences physiologiques immédiates, mais pas vraiment ni à son écologie, ni à sa logique évolutive. Écologiquement, on néglige les écosystèmes où elle s’insère et l’on prépare l’eutrophisation des écosystèmes voisins. Ceci finit en marées vertes d’Ulves sur les plages bretonnes… Évolutivement, dans le propre sol de la plante, on détèle la liaison mycorhizienne qui assure la nutrition dans les sols à fertilité moyenne : devenue inutile, la symbiose régresse et avec elle, l’effet phytosanitaire des champi-gnons mycorhiziens qui ont pourtant toujours été agents protecteurs sur les racines des plantes depuis qu’elles en ont. Ceci finit en dépendance accrue aux produits phytosanitaires et aux engrais… qui minent l’économie de l’exploitation agricole et la santé du consommateur. Or, les effets néfastes d’une vision de la plante sans écologie ni évolution résultèrent de choix techniques portés (avec l’envie sincère de bien faire dans l’état des connais-sances d’alors) par des anciens de nos classes préparatoires ! Donc, le programme de BCPST 2 n’espère rien moins que d’être une des clefs pour mieux gérer collectivement l’environnement demain. Agronomes, vétéri-naires, agents de la fonction public ou ingénieurs dans le privé, le lecteur portera cette mission et cet impératif moral. Quel poids, mais quel espoir !

Le livre qui commence avec ces pages est une belle synthèse d’expérience au service du lecteur, et donc à l’appui des deux espoirs que j’ai dits plus haut. Je me sens honoré de préfacer un livre parmi les auteurs duquel je vois des amis de longue date, des partenaires d’aventures pédagogiques ou scientifiques récentes, voire de jurys, et des anciens élèves dont j’appréciais hier comme j’estime aujourd’hui le travail pédagogique et la qualité scien-tifique. Je suis donc certain que mon troisième espoir sera réalisé : que le lecteur prendra aussi plaisir à ce livre.

Car, même dans le travail, il y a des plaisirs, comme celui de découvrir ou de comprendre. Je pense sincère-ment que ce livre y contribuera, mais ouvrez-le à présent, et laissez-vous en convaincre.

Marc-André SELOSSE

Professeur du Muséum national d'Histoire naturelle, Professor aux universités de Gdansk (Pologne) et Kunming (Chine)

Membre de l’Académie d’Agriculture de France


10


Avant-propos

L’objectif de cet ouvrage est d’accompagner les étudiants en seconde année de BCPST sur le chemin de la réussite.

C’est pourquoi, l’étudiant y trouvera l’ensemble des connaissances, des compétences et des capacités exi-gibles, en biologie et en géologie, conformes aux programmes en vigueur depuis la rentrée 2013.

L’étudiant disposant d’un cours personnel, le cours de cet ouvrage se concentre sur l’essentiel et cible les notions-clés par des encarts « À retenir ». Des encarts « Attention ! » permettent à l’étudiant d’éviter les pièges les plus courants.

Le cours est volontairement synthétique, il utilise des termes scientifiques fondamentaux, dont ceux, exi-gibles aux concours, sont surlignés en jaune et sont définis précisément dans un lexique complet en fin d’ou-vrage. Régulièrement, des liens avec d’autres chapitres de 1re et 2e années renforcent la vision d’ensemble et mettent en valeur la cohérence du programme.

À la fin de chaque cours, l’étudiant pourra balayer l’ensemble du chapitre grâce à un schéma-bilan visuel et synthétique. Il pourra également évaluer son niveau de connaissance grâce aux QCM.

Une approche multidisciplinaire est souvent demandée aux étudiants de BCPST. Pour cela des encarts « Phy-sique – Chimie » et « Mathématiques – Informatique » assurent un focus sur des notions transversales entre les disciplines scientifiques.

La réussite de chaque étudiant passe par l’entraînement aux épreuves écrites des concours Agro-Véto, G2E et ENS. Dans cette optique, l’étudiant pourra s’entraîner sur un sujet d’étude de documents, inédit ou issu de sujets de concours très récents, intégré à la fin de chaque chapitre de biologie comme de géologie. Le niveau de difficulté de ces sujets est clairement identifié ••• et tous les sujets sont corrigés en détails et assortis de nom-breux [conseils méthodologiques].

L’entraînement aux épreuves écrites de synthèse est également présent grâce à deux sujets proposés à la fin de chacune des quatre grandes parties. Le sujet 1 fait principalement appel à des notions de BCPST 2e année, alors que le sujet 2 nécessite des notions de BCPST 1re et 2e années.

La réussite de chaque étudiant passe également par l’entraînement aux épreuves orales des concours. Pour se mettre en situation d’épreuves orales du concours Agro-Véto, l’étudiant trouvera deux sujets d’oraux de biologie corrigés à la fin de chaque chapitre de biologie. Une étude de documents biologiques y est associée comme au concours.

Pour les épreuves orales du concours G2E, deux sujets d’étude de documents géologiques (cartes, roches, etc.) sont corrigés à la fin de chaque chapitre de géologie.

Enfin, pour se mettre en situation d’épreuves orales du concours ENS en géologie comme en biologie, l’étu-diant trouvera une liste non exhaustive de sujets proposés les années précédentes. Le corrigé de certains d’entre eux est disponible en ligne sur le site www.vuibert.fr à la page du livre mais également grâce aux flash-codes en page 2 de ce volume.

L’ensemble des travaux pratiques de biologie comme de géologie du programme est présent dans l’ou-vrage. Chacun d’entre eux est construit comme les exercices, pratiques ou théoriques, auxquels l’étudiant peut être confronté au concours Agro-Véto ou au concours ENS. Des encarts « Conseils techniques » précisent les gestes techniques attendus et expliquent les techniques incontournables. Des encarts « Attention ! » pointent les principales difficultés.

L’ouvrage, dans ses premières pages, propose à l’étudiant des conseils méthodologiques pour l’aider à amé-liorer ses méthodes d’apprentissage, à mieux cerner les exigences et attendus des khôlles, des TIPE et des diffé-rentes épreuves des concours Agro-Véto (y compris l’École polytechnique (X), G2E et ENS). Ces premières pages


prodiguent également des conseils de révisions durant les grandes vacances entre la 1re et la 2e année, la mise à profit de la 2e année pour revoir le programme de 1re année et les révisions finales durant les dernières semaines précédant les épreuves des concours.

La formation des étudiants de BCPST est complète et exigeante, car elle donne l’opportunité à chacun d’eux d’intégrer de nombreuses écoles et d’exercer des métiers très divers, mais toujours passionnants. Pour éclairer le choix des étudiants et renforcer ainsi leur motivation durant ces années de préparation, chaque chapitre se termine par un encart « Un enjeu, un métier, une école d’ingénieurs ».

Cet ouvrage souhaite participer à la réussite des étudiants de BCPST, mais il constituera également un outil efficace pour les étudiants de Licence de biologie comme de géologie, ainsi que pour tout étudiant se prépa-rant aux concours d’enseignement comme le CAPES et l’Agrégation.

Les auteurs remercient leurs étudiants passés et présents, qui par leurs interrogations, leur curiosité, leurs angoisses et leur énergie, sont à l’origine de cet ouvrage et ont parfois servi de cobayes.

Les auteurs remercient particulièrement leur famille pour leur soutien de tous les instants et leur patience.

Les auteurs tiennent aussi à remercier les éditions Vuibert pour leur confiance. Merci à Aurélie Farfarana pour sa disponibilité et son professionnalisme.


13

Fiches méthode et conseils


14

Les 9 conseils pour réussir

1. Apprendre est d’abord une question d’état d’espritUne étude scientifique de Carol Dweck a montré que les conseils méthodologiques ne sont efficaces que si

les étudiants considèrent que leur capacité à apprendre et à maitriser une matière n’est pas figée une fois pour toute, mais peut s’améliorer. En effet, si vous considérez que votre intelligence, ou votre capacité pour les ma-thématiques est un don, une capacité innée, fixée pour la vie, alors toute évaluation mesure une fois pour toute cette capacité. Si vous échouez à un devoir et que vous pensez que cela mesure votre intelligence, alors vous en tirerez la conclusion que « vous êtes bête », non ? Il n’y aura rien à y faire, et toute évaluation sera très stressante, car elle risquera de révéler que vous n’avez pas «assez d’intelligence», ou de «don pour les langues», etc.

COLLEDS

DS COLLE

2 conceptions de l’intelligence

intelligence intelligence

Figure 1. Deux conceptions de l’intelligence et des capacités.

Au contraire, si vous pensez que les performances sont le résultat des stratégies que vous avez mises en place pour bien comprendre et apprendre, et de vos efforts, alors tout est différent. Vous contrôlez la situation, en portant un diagnostic et en évaluant l’efficacité de votre méthode et de votre organisation, et en prenant des mesures d’amélioration. Dans l’étude de Carol Dweck, il suffisait aux étudiants de porter leur attention sur les efforts et les progrès pour changer d’état d’esprit et pouvoir mettre en œuvre les conseils de méthodologie. Les étudiants devenaient plus actifs, conscients de leurs méthodes d’apprentissage et capables d’en changer se-lon leurs besoins. Ils ont mieux réussi que les étudiants qui attribuaient la réussite à un niveau d’intelligence, et ont plus facilement traversé les difficultés, sans se décourager, en utilisant mieux les conseils et les informations sur leurs erreurs.

2. Pour apprendre, vous devez d’abord bien comprendreSi vous essayez d’apprendre une information qu’on ne comprend pas, ou qui est confuse, vous utiliserez beau-

coup de ressources mnésiques, car vous ne pourrez pas la relier à ce que vous connaissez déjà, et qu’elle n’a pas vraiment de sens pour vous. Il n’est pas possible de remplacer de la compréhension par de la mémorisation. Vous n’aurez pas assez de mémoire, et les évaluations sont conçues pour sanctionner cette stratégie. Ce qui est le plus efficace est de chercher à comprendre pendant le cours, en posant des questions. Si vous prenez des notes en reformulant, en résumant les idées, plutôt qu’en retranscrivant les mots du prof, vous verrez si vous comprenez ou non.


15

3. Soyez actif pendant le cours et relisez les cours le soirAfin de ne pas perdre de temps, il faut mémoriser pendant le cours. Bien sûr, vous ne pourrez pas mémori-

ser les détails, puisque votre énergie sera avant tout dirigée vers le fait de comprendre. L’attention dirigée est le mécanisme même qui déclenche la mise en mémoire. Essayez de relier ce que vous entendez à d’autres connais-sances, d’anticiper ce qui devrait suivre, etc.

Le soir même, vous devez relire (même très rapidement) vos cours de la journée pour stabiliser leur trace mnésique. Si vous ne réactivez pas vos souvenirs, ils vont s’évanouir en 24h.

4. Travaillez portable éteint, et faites du sportEn premier lieu, sachez que PERSONNE n’est multitâche, personne ! Les images en IRM montrent que l’at-

tention saute d’une tâche à l’autre, et que l’attention prend environ 10 secondes pour se recentrer. Pour éviter les distractions, le plus efficace est de vous fixer un horaire de travail. Éteignez le portable, car un signal visuel distrait autant qu’un son. L’attention peut s’améliorer par entraînement.

La mémorisation est fortement réduite par les stress, la faim, le cannabis et l’alcool. Faites 20 minutes de sport par jour, au moins, pour augmenter la production de neurones et diminuer le stress.

5. Pour mémoriser, créez vos propres moyens mnémotechniquesEn mémorisation à court terme, on ne peut mémoriser que 7 à 10 mots. Pour de meilleures performances,

utilisez les techniques suivantes :• Regroupez les éléments à mémoriser. Par exemple, apprenez les définitions d’un mot, son contraire et

tous les mots autour de cette idée en créant une définition qui les relie tous. • Associez l’information à mémoriser à un circuit déjà très stable. Il y a plusieurs trucs : (1) Créez une anagramme avec les initiales des mots de la définition, ou une phrase

avec les débuts de mots, (2) Créez une image qui réunisse tous les éléments de la définition, et qui contienne une émotion, qui soit choquante, ou qui mette en scène des personnes très familières et en mouvement.

• Pensez à créer des moyens mnémotechniques pour bloquer une réponse erronée. Nous avons un pre-mier circuit neuronal très rapide, mais intuitif et non logique. S’il donne une mauvaise réponse, apprendre la bonne réponse ne fera pas disparaître cette réponse spontanée erronée. Le deuxième circuit est logique, mais plus lent. Vous devez donc trouver un moyen d’inhiber la réponse rapide fausse. Créez des moyens mnémotechniques pour cela, comme précédemment.

6. Pour réviser ne vous contentez pas de relire, à cause du piège de l’amorçage

Quand vous relisez votre cours, il vous semble que vous le connaissez bien. Mais voilà, arrivé devant la feuille de DS, impossible de se rappeler ce qui semblait pourtant si familier. Pourquoi ? C’est le piège de l’amorçage ! L’amorçage est l’activation partielle du souvenir grâce à un indice. Sur vos feuilles de cours, sans que vous en soyez conscient, il y a de très nombreux indices d’amorçage et vous faites des mouvements oculaires inconscients. Pen-sez à tester vos connaissances, cours fermé.

7. Orientez votre mémorisation en fonction de son butMémoriser n’est pas un but en soi. Pour savoir ce que vous devez apprendre, il vous faut savoir comment

vous aurez besoin d’utiliser cette information. Testez-vous pour voir si vous pouvez réutiliser cette informa-tion sous la forme attendue aux concours. Expliquer à quelqu’un est un très bon test.


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8. Planifiez vos révisions car c’est le secret de la mémorisation à long terme

La période de 1 à 3 jours est la période critique durant laquelle le souvenir se consolide ou s’efface. Si vous ne réactivez pas un nouveau souvenir avant le délai de 48h, votre effort initial d’apprentissage est complètement perdu ! C’est donc la régularité qui permet un apprentissage rapide et aisé. Un planning de révision idéal serait :

Figure 2. Proposition de planning de révision.

Vous pouvez utiliser des post-it à mettre sur vos cours avec la date de la prochaine révision. Avec cette mé-thode c’est très satisfaisant de voir que la mémorisation se fait vraiment à très long terme, puis définitivement. Il faut donc ajuster les méthodes de mémorisation et les intervalles de révision pour conserver ce plaisir, qui est la clé de la motivation à long terme.

9. Ne croyez pas que vos capacités sont fixées et qu’elles vous empêchent de progresser

Une « mauvaise note » n’est en rien une preuve que votre inaptitude mentale, mais simplement une difficulté passagère. N’ayez pas un état d’esprit figé, car celui-ci ne vous permet pas de progresser : il vous dirige vers ce que vous savez déjà faire et il vous fait éviter ce qui est difficile. En vous entraînant régulièrement à vaincre des difficultés par des efforts et des bonnes stratégies vous deviendrez de plus en plus performants.


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S'organiser pour les colles

La plupart des colles que vous aurez au cours de vos deux années de prépa seront calquées sur le modèle de l’oral du concours commun Agro-Véto :

• le colleur vous fournit un sujet de synthèse courte (ou « colle sèche ») et un ensemble de 2 ou 3 docu-ments [au concours, vous avez le choix entre 2 sujets de synthèse, et le thème des documents est différent de ceux des synthèses] ;

• vous avez 30 minutes pour préparer votre tableau de colle sur la synthèse courte et regarder rapidement les documents [au concours, vous n’avez pas de papier brouillon durant cette phase de préparation, et il est interdit d’écrire sur les documents]

• vous exposez votre synthèse courte durant 5 minutes, puis le colleur vous pose des questions durant 5 minutes et enfin vous questionne sur les documents durant 10 à 15 minutes [au concours, à ce mo-ment-là, vous avez du papier brouillon à disposition].

Lors de votre exposé : • soyez clair, calme et concis (l’exposé est court, ne vous perdez pas dans les détails) ;• insistez sur votre démarche en faisant des liens entre les parties ;• soyez dynamique et interagissez avec le tableau.

Attention !

Il est fortement conseillé de ne pas négliger les documents lors de la phase de préparation.

Lors du questionnement sur les documents : • décrivez simplement les résultats en montrant que vous avez compris les conditions expérimentales (inté-

rêt des dispositifs, de la technique employée etc.) ; • proposez des interprétations : ne vous contentez pas de décrire ;• utilisez un raisonnement scientifique, des déductions logiques des résultats ; • repérez la ou les expériences témoins ; • reliez les documents entre eux si possible ;• utilisez vos connaissances théoriques, mais sans les réciter, pour limiter vos hypothèses et pour les com-

pléter.

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S'organiser pour le TIPE

Le TIPE (Travail d’Initiative Personnelle Encadré) est un projet réalisé pendant toute l’année scolaire, par groupe de travail, constitué idéalement de 3 à 4 élèves. Le TIPE que vous réalisez en BCPST 2 est évalué à l’oral des différents concours.

Le sujet de TIPE de BCPST 2 s’inscrit dans un thème imposé, qui change chaque année (parution au Bulletin Officiel : https://www.education.gouv.fr/pid285/le-bulletin-officiel.html). Il s’agit de :

• se poser une question, un problème scientifique (à dominante biologique ou géologique) ; • de mettre en œuvre une production personnelle/une expérimentation permettant de répondre au pro-

blème posé ;• d’analyser les résultats obtenus, de les critiquer, de les mettre en perspective ; • rédiger un rapport écrit de 10 pages maximum présentant le projet ;• défendre son travail lors d’une soutenance orale.

Attention !

Les TIPE de première année sont sans lien autre que méthodologique avec les TIPE de seconde année.

La réussite d’un TIPE dépend fortement du choix d’un sujet « réaliste », c’est-à-dire où vous avez la possibi-lité de faire facilement des expériences ni trop simplistes, ni trop complexes avec le matériel dont vous disposez au lycée.

Les jurys valorisent la construction d’un montage ingénieux, bien bricolé. Aux concours, vous êtes avant tout jugés sur la qualité de vos expériences (rigueur, pertinence, jugement critique etc.). Cette épreuve ne doit pas être négligée, même si vous vous sentez submergé par le travail en début de spé. De plus, le projet doit être anticipé et commencé si possible en fin de sup, car le temps d’expérimentation est très court.

Attention à votre matériel biologique d’expérimentation ; votre choix doit répondre à des critères bien éta-blis, d’ordre éthique, sanitaire et même légal.

Ne sous-estimez pas la mise en forme des résultats. Celle-ci doit se calquer sur celle d’une thèse, elle doit présenter des valeurs chiffrées, avec un nombre de chiffres significatifs cohérent et un traitement statistique.

Entraînez-vous à la préparation de la présentation orale, qui est un exercice différent de la colle. Soyez vigilant aux quelques différences de modalité de cette épreuve dans les différents concours, d’autant que cette épreuve est toujours associée à un fort coefficient.

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Présentation des concours

1. Concours Commun Agro-Véto Ce concours comprend : le concours commun d’admission «A» BIO (Agro), le concours commun d’admission

« A » ENV (Véto), le concours commun d’admission «A» PC BIO, le concours commun d’admission POLYTECH « A » BIO et le concours d’entrée à l’ENSTIB. Les écrits sont également ceux de l’école Polytechnique (l’oral étant organisé par l’école elle-même).

Les épreuves concernant les SVT sont : À l’écrit (admissibilité) : • une épreuve de 3h de sujet de synthèse ;• une épreuve de 4h de sujet sur documents (2h de géologie suivies de 2h de biologie) ; À l’oral (admission) : • une épreuve orale de biologie : 30 minutes de préparation au début desquelles le jury vous donne le

choix entre deux exposés oraux et vous fournit un ensemble de documents (imposé) portant sur un thème différent des exposés oraux, puis 20-25 minutes de passage : 5 minutes où vous exposez l’essentiel sur le sujet préparé au tableau, 5 minutes de questions en lien avec cet exposé et 10-15 minutes d’entretien avec le jury sur l’ensemble documentaire ;

• une épreuve de travaux pratiques de 3h comportant une dissection animale sur 8 points et un ensemble de manipulations portant sur un thème donné sur 12 points (exemples de thèmes : « les divisions cellu-laires », « les déplacements », « le gras » etc.) ; vous devez apporter votre blouse et votre matériel de dissec-tion ;

• un oral de TIPE de 30 minutes : 10 minutes où vous exposez votre projet avec un support au choix (diapo-rama, panneau ou poster de présentation) et 20 minutes de questions. Cette épreuve de TIPE est la seule épreuve orale d’admission pour les écoles PolyTech A Bio.

2. Concours Géologie, Eau, Environnement (G2E)Les épreuves concernant les SVT sont : À l’écrit (admissibilité) : • une épreuve de 3h de biologie de deux parties indépendantes (durée conseillée 1h30 par partie) ; chaque

partie comportant quelques questions de cours et des analyses de documents ;• une épreuve de 3h de géologie comportant quelques questions de cours et des analyses de documents. À l’oral (admission) :• une épreuve de géologie pratique, 20 minutes de préparation et 20 minutes de passage, portant soit sur

une discussion autour de plusieurs roches, soit sur une analyse de carte géologique, soit associant les deux. Pour les roches, vous devez apporter votre propre « échelle de dureté » : lame de verre et pointe d’acier. Un flacon d’HCl dilué est fourni. Les roches ou structures géologiques peuvent aussi vous être données sous forme de photographies ;

• une épreuve de TIPE de 20 minutes : 5 minutes de présentation de votre projet en utilisant un support au choix (diaporama, panneau ou poster de présentation), puis 5 minutes de question sur votre projet, et enfin 10 minutes de « discussion sur des thèmes généraux choisis par le jury de façon à faire ressortir la person-nalité du candidat, sa capacité à développer les compétences attendues d’un futur ingénieur, ainsi que sa perception des métiers auxquels les Écoles préparent » (rapport 2016).


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3. Concours Écoles Normales Supérieures de Ulm, Lyon, Paris-Saclay (ex-Cachan) et École Nationale des Ponts et Chaussées (ENPC)

Les épreuves concernant les SVT sont :À l’écrit (admissibilité) :• une épreuve de 6h de biologie comportant une courte synthèse (durée conseillée 1h30) et deux parties sur

documents indépendantes (durée conseillée 2h15 par partie) ; • une épreuve de 4h de géologie avec à la fois des questions de cours et des questions portant sur des docu-

ments ; cette épreuve fait souvent appel à vos connaissances de physique-chimie. À l’oral (admission) : Pour Ulm et Lyon, vous choisissez une épreuve « majeure » qui est soit la biologie, soit la géologie. • une épreuve orale de biologie (durée 1h, ne compte pas pour l’ENPC): chacune des ENS organise son

propre oral de biologie mais tous les oraux comportent une phase de préparation, une phase de « synthèse courte » au tableau et une phase d’entretien avec le jury, éventuellement sur des documents ;

• une épreuve orale de géologie (durée 45 minutes, pour Ulm et Lyon seulement) comportant une phase de préparation, une phase de « synthèse courte » au tableau et une phase d’analyse de documents (cartes, roches etc.) ;

• une épreuve de Travaux Pratiques : 2h de TP de chimie + 2h de TP de biologie (le choix de la première épreuve est tiré au sort) ; les sujets de biologie comportent une partie biologie moléculaire et une partie biologie des organismes ; vous devez apporter votre blouse et votre matériel de dissection ;

• une épreuve de TIPE (ne compte pas pour l’ENPC) : un entretien de 30 minutes avec le jury qui pose direc-tement des questions.

4. Concours de l’École polytechnique (X)L’École polytechnique offre 10 places aux étudiant(e)s issu(e)s des classes de BCPST. Les épreuves d’admis-

sibilité sont les écrits du concours Agro-véto avec des coefficients différents mais les oraux sont spécifiques (avec comme spécificité une épreuve sportive et un oral de français).

Épreuves orales d’admission à l’École polytechnique

Mathématiques 20 50 min

Analyses de documents scientifiques (mathématiques) 14 40 min

Physique 14 50 min

Français 8 30 min

Langue vivante 8 30 min

Éducation physique et sportive 4

Total 68

Total général 100

Une visite médicale d’admission concerne tous les candidats admissibles au concours X BIO. Elle est obliga-toire et a lieu à l’École polytechnique, sous la responsabilité du médecin-chef de l’École durant la semaine des oraux.


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Réussir les épreuves

1. Quelques conseils pour aborder l’épreuve d’étude de documents en biologie-géologie du concours commun Agro-Véto

L’épreuve comporte deux parties indépendantes : l’une portant sur les sciences de la vie, l’autre sur les sciences de la Terre. Le sujet est distribué en deux temps, d’abord le sujet de sciences de la Terre, puis, au début de la deuxième heure, celui de sciences de la vie.

Pour chaque partie, les documents à étudier sont divers (courbes, tableaux, résultats d’analyse, images, cartes, etc.) et sont associés dans un thème (exemple « le calcium »).

Organisez-vous !• Prenez le temps d’une première lecture rapide de l’ensemble du sujet (5 minutes). • Préparez au brouillon l’analyse des documents (15 minutes pour chaque partie). • Si une production particulière est demandée : coupe géologique ou schéma bilan, limitez le temps de

préparation au brouillon afin de garder suffisamment de temps pour la rédaction.

Développement• Prenez les documents dans l’ordre : cet ordre de succession répond à une logique. • Cherchez à établir des liens entre les questions, les documents successifs : une hypothèse formulée lors de

l›interprétation d›un document peut être validée, invalidée, complétée par le document suivant.• Abordez tous les documents, car la grille de correction les prend tous en compte.• Faites des bilans intermédiaires de ce que vous avez compris.• Pour chaque document :

• Commencez par un bref commentaire de la technique utilisée ; • décrivez les résultats en étant précis et en utilisant un langage mathématique adéquat (courbe hyper-

bolique, exponentielle, etc. et pas de « la courbe monte ou descend ») ;• proposez des interprétations : c’est là que la majorité des points est distribuée ;• raisonnez en comparant deux à deux des situations différant par un seul facteur ;• prenez bien en compte les conditions expérimentales, les témoins ;• formulez des hypothèses simples et plausibles ;• concluez en dégageant l'essentiel.

ConclusionEn général, un bilan est demandé à la fin de chaque partie, parfois sous forme d’un schéma de synthèse

(lisez bien l’énoncé qui vous le précise).

2. Quelques conseils pour aborder l’épreuve de synthèse en biologieLe sujet est formulé en quelques mots, avec parfois 2 ou 3 lignes de précisions.

Au brouillon (40 minutes)• 20 à 25 minutes de brainstorming où vous écrivez les termes du sujet et leurs définitions puis vous no-

tez tout ce qui vous paraît important en relation avec eux. Remémorez-vous les grandes parties du pro-gramme traitées en cours et identifiez les notions liées au sujet.

• Réfléchissez à quelle(s) échelle(s) doit être traité le sujet : échelle de temps (durée de vie cellulaire, durée de vie d’un organisme…) ou d’espace (molécule, cellule, organisme, écosystème).


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• Balayez tous les aspects du sujet : où ? Quand ? Comment ? • Élaborez en 10 minutes un plan logique, avec un cheminement explicite (pas seulement une accumulation

d’idées). • Notez les idées essentielles de l’introduction et de la conclusion au brouillon, mais surtout pas le corps

du sujet, vous n’avez pas le temps.

Introduction (une demi-page environ)• Définissez précisément tous les termes du sujet• Annoncez de la problématique (le fil conducteur de votre exposé)• Présentez succinctement (1 ou 2 phrases) le plan que vous allez suivre et sa logique (chronologique, par

échelle, par mécanisme, par fonction, etc.).

Développement• Le plan doit être explicite avec au moins deux niveaux de division (grandes parties + sous-parties). • Les titres des paragraphes doivent être informatifs et si possible reprendre les mots-clés du sujet.• Chaque paragraphe correspond à une idée clé. Votre devoir ne doit pas être théorique, mais il doit de

temps en temps faire appel à une observation, une expérience. Vous n’avez pas le temps de tout démontrer mais, comme tout scientifique, vous devez argumenter votre problématique.

• Citez des exemples précis, avec le nom de la molécule, de la cellule et de l’organisme.• Ce paragraphe doit être hiérarchisé : on va du plus grand au plus petit, du plus évident au moins évident. • Relisez attentivement votre énoncé à mi-parcours afin d’éviter tout risque de hors-sujet.• Un bilan partiel et une transition à la fin de chaque grande partie, reprenant les mots-clés du sujet et rap-

pelant le fil conducteur, sont attendus.• Privilégiez les phrases courtes, en étant vigilant sur la qualité de votre expression française, évitez les termes

trop communs et le style télégraphique.

Illustrations• Au moins une illustration par paragraphe si possible, et de taille raisonnable ; • Associez chaque illustration des légendes fonctionnelles avec des mots-clés, un titre bien choisi et une

phrase bilan ; • Réalisez chaque illustration avec des stylos de couleur à pointe fine aux couleurs bien visibles ne traver-

sant pas le papier ; • Utilisez des couleurs logiquement choisies (chloroplaste en vert par exemple).

Conclusion (une demi-page environ)Récapitulez les idées fortes du sujet et présentez une ouverture vers une problématique proche, une appli-

cation médicale ou agronomique etc.


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1. Les grandes vacances sup-spé• Lorsque vous êtes en fin de sup, les cours se terminent avant la fin des oraux de concours : profitez-en pour

assister à quelques oraux de concours, cela vous aidera à cibler le niveau attendu au concours et à relati-viser (vous avez déjà acquis énormément de connaissances !)

• La fatigue s’étant accumulée au cours de l’année de sup, il est indispensable de mettre à profit le mois de juillet pour vous reposer, faire du sport, voir des amis, partir en vacances… N’essayez pas de travailler, ce serait improductif.

• Prévoyez environ deux semaines, au mois d’août, pour effectuer quelques révisions, dans toutes les ma-tières (mathématiques, physique-chimie, SVT et matières littéraires) : 1h30 par matière, soit 6h par jour, entrecoupées de pauses.

• Prévoyez à l’avance votre planning de révisions, comme vous devrez le faire pour préparer vos écrits de concours, et respectez-le soigneusement.

• Commencez votre créneau de révisions en écrivant, sur une feuille blanche, vos souvenirs concernant les points clés du/des chapitre(s) concerné(s). Comparez ensuite votre feuille à vos cours. Les points que vous avez omis sont ceux qui sont à réviser en priorité.

2. Les révisions durant la spé• L’année de spé doit être mise à profit pour réviser également les chapitres du programme de sup. N’ima-

ginez pas que vous pourrez réviser la sup exclusivement durant la période précédant les oraux, c’est loin d’être le cas. De plus, de nombreux chapitres de spé demandent de mobiliser des connaissances de sup.

• Pour chaque chapitre de spé en cours, révisez les chapitres de cours de sup associés (sans oublier les TP ou TD). Pour vous aider à regrouper rationnellement les chapitres de sup et de spé, vous pouvez vous référer au Bulletin Officiel (https://www.education.gouv.fr/pid285/le-bulletin-officiel.html). Par exemple, pour le chapitre 9 de spé sur les écosystèmes, vous devez réviser le chapitre 10 de sup sur la Vache.

• Ces révisions doivent être assez courtes (pas plus d’une heure par chapitre), car vous avez en parallèle tout le programme de spé à assimiler, et ce, dans toutes les matières.

3. Les révisions pour les écrits• Organisez vos révisions à l’avance :

- triez vos cours, de préférence en suivant l’ordre du bulletin officiel et en rassemblant les cours et les TP qui vont avec ; écrivez les titres en gros sur la tranche de chaque classeur ;

- prévoyez un planning précis et complet, sur deux semaines et demie, en accordant le même temps de révisions aux mathématiques, physique-chimie, matières littéraires et SVT ; chaque plage de révision dure 2h environ ;

- ce planning doit ménager des pauses : pas plus de 9h par jour de révisions, au moins 15 minutes de pause entre deux matières, 30 minutes de sport ou de promenade ; ne vous privez surtout pas de som-meil car on fixe les souvenirs durant la nuit.

• Respectez très strictement votre planning : - ne vous autorisez pas à trainer sur un chapitre, ne dépassez pas vos créneaux de 2h ; - révisez intelligemment : avant de commencer, relisez des sujets de concours pour savoir comment il fau-

dra restituer ces informations. Quand vous apprenez, réfléchissez en même temps : essayez de voir où, quand, comment utiliser la notion que vous êtes en train d’étudier, quel lien avec un autre cours, quelles sont les applications du cours, quel schéma faire pour illustrer cette idée, quel exemple citer, etc.

• Restez en contact avec vos camarades de classe, téléphonez-leur, ne vous isolez pas. Vous verrez que vous n’êtes pas le seul à être stressé, cela vous aidera à relativiser.

S'organiser pour les révisions


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• La veille des épreuves écrites, ne révisez surtout pas, allez plutôt vous promener ou voyez des amis. • Une fois que les épreuves ont commencé : dès qu’une épreuve est terminée, n’y pensez plus et n’en dis-

cutez pas avec vos camarades ou vos enseignants.

Attention !

Oubliez chaque épreuve une fois finie, pour vous consacrer à 100 % à la suivante. Ne laissez pas votre im-pression d’échec gâcher l’épreuve suivante.

4. Les révisions pour les orauxEt oui, juste le temps de souffler un peu et c’est reparti, même si vous n’avez pas d’autre concours à passer !

Vous devez (1) préparer tous les oraux blancs, (2) revoir tous les TP, (3) finaliser le rapport de TIPE y compris la page de garde et son résumé, et (4) préparer l’oral de TIPE.

• (1) Préparez les oraux blancs de toutes les matières : comme pour les écrits, il faut faire un planning qui inclut : le temps pour améliorer le rapport et préparer l’oral de TIPE, idem pour l’informatique, les oraux de biologie ou de géologie, de physique-chimie, de maths, de langue vivante, de géographie, les TP de biologie et de physique-chimie, et enfin l’entretien libre de G2E (suite à la soutenance du TIPE).

• (2) Révisez efficacement les TP : utilisez chaque séance de TP comme une séance de TP blanc, pour vous tester. Pour avoir une idée de ce qui est demandé, lisez dans le rapport du jury les conseils et la liste des sujets. Il y a 3 types de questions : • (1) question très proche des TP de l’année, • (2) une question décalée qui demande de transposer à un autre organisme, • (3) une question qui demande un choix ou une prise d’initiative.

• (3) Finalisez votre rapport de TIPE : pensez à faire des dessins des protocoles et des interprétations pour remplacer du texte. Vérifiez la bonne présentation des graphiques (titre, nombre de répétitions, axes, uni-tés, barres d’erreur et autres traitements statistiques), numérotez vos figures et donnez-leur un titre, soi-gnez l’introduction et la conclusion. Votre bibliographie doit servir à éclairer vos choix et interpréter vos résultats (un modèle d’organisation de la bibliographie est donné dans le rapport Agro-véto des années précédentes). Tous les titres du plan doivent exprimer clairement les idées, comme pour les sujets de syn-thèse. Vous devez interpréter tous les résultats, y compris le fait qu’ils ne soient pas significatifs.

• (4) Préparez votre soutenance de TIPE : • votre support peut être un panneau ou un diaporama, sur ordinateur ou sous forme de feuilles dans

un classeur. Prévoyez de très grandes figures, avec des axes bien lisibles (le jury est à 2 m de distance). N’écrivez pas trop de texte. Par exemple, les protocoles doivent être résumés sous forme de dessins. Il peut être utile de réutiliser un schéma tout au long de l’exposé, qui se complète au fur et à mesure de l’exposé pour montrer la progression de la réflexion ;

• pour l’oral : chronométrez-vous pour ne pas dépasser le temps imparti (10 min à Agro-véto, 5 min à G2E), sans parler trop vite. Commencez par justifier l’ancrage de votre sujet dans le thème. Essayez de trouver quelqu’un qui ne connaisse pas le sujet, et voyez s’il comprend. Sinon, simplifiez ! N’oubliez pas qu’un des deux examinateurs n’aura pas lu le rapport ;

• si c’est possible, prévoyez d’apporter des échantillons au jury, cela est très apprécié.

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Chaque année, les épreuves écrites ont lieu de la fin avril à la mi-mai : le concours Agro-véto a lieu la 1re semaine, suivi du concours ENS la 2e semaine, puis du concours G2E la 3e semaine. Vous pouvez au choix passer un, deux ou trois concours. Les épreuves orales ont lieu de mi-juin à mi-juillet, pour les trois concours.

Pour le concours Agro-véto, un « mémo » est disponible en ligne sur le site du SCAV (Service des Concours Agronomiques et Vétérinaires, https://www.concours-agro-veto.net/), qui récapitule les dates à retenir pour l’année en cours. Le même type de document est fourni par le concours G2E : http://g2e.ensg.univ-lorraine.fr/ et par le concours des ENS : http://www.ens.fr/).

• De mi-décembre à début janvier environ : inscription aux concours sur le site du Service de Concours Ecoles d’Ingénieurs (SCEI) http://www.scei-concours.fr

• Paiement des frais d’inscription et dépôt des copies numériques des justificatifs demandés sur le site du SCEI jusqu’à la mi-janvier environ.

• Si vous effectuez une demande d’aménagement d’épreuves, vous devez constituer un dossier. Une note explicative est disponible en permanence sur le site www.scei-concours.fr, à l’onglet « Inscription » puis « Aménagements ».

• Début février à mi-juillet : dépôt de votre liste de vœux pour les écoles sur le site du SCEI. • La convocation pour les épreuves écrites est à télécharger sur le site SCEI (ou envoyée par email) à partir

de fin mars. • Les épreuves écrites ont lieu fin avril à mi-mai. • Les résultats des épreuves écrites sont donnés de fin mai à début juin. • Toujours fin mai et pour le concours Agro-véto uniquement, vous devez déposer sur le site du SCEI vos

dossiers TIPE, et vos fichiers informatiques. Ces mêmes dossiers sont aussi envoyés par voie postale par votre lycée.

• Pour le concours Agro-véto, le calendrier de passage, qui tient lieu de convocation pour les épreuves orales, est à télécharger sur le site du SCAV à partir de début juin.

• Pour le concours G2E, les inscriptions aux épreuves orales ont lieu durant trois jours fin juin, au lycée Stanislas à Paris. Lors de l’inscription, vous devez déposer un exemplaire papier du rapport de TIPE et également, si vous avez choisi l’épreuve d’informatique à l’oral, le script et une brève description de votre projet.

• Pour le concours des ENS, vous devez aussi télécharger votre TIPE sur le site SCEI.• Les épreuves orales ont lieu de mi-juin à mi-juillet environ. • Les résultats des épreuves orales sont donnés fin juillet. Selon votre classement, vous aurez accès à telle

ou telle école. • La gestion des intégrations dans les écoles se fait par la procédure d’appel commun des candidats de

la filière BCPST. Les propositions d’affectation des écoles ont lieu de fin juillet jusqu’à la rentrée de septembre, en fonction des inscriptions et des désistements. Attention, à chaque « appel » des écoles, vous n’avez que 48h pour donner votre réponse.

Les dates à retenir pour l’année de BCPST 2


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BIOLOGIE


Partie 1

L'organisme : un système en interaction avec son environnement


Chapitre 2

Titre du chapitreTexte minitoc

31

Chapitre 1

La respiration, une fonction en interaction directe avec l’environnement1. Les échanges respiratoires sont réalisés au niveau de surfaces d’échanges spécialisées en lien avec les contraintes du milieu de vie — 2. Les échanges des gaz respiratoires sont liés aux propriétés des molécules de transport — 3. Les échanges des gaz respiratoires sont contrôlés

Quelles sont les différentes surfaces d’échanges respiratoires chez les animaux et quelles adaptations présentent-elles à leur fonction et au milieu de vie ? Comment sont réalisés et contrôlés les échanges de gaz respiratoires entre le milieu de vie et le milieu intérieur de l’animal ?

OBJECTIFS DU PROGRAMMEConnaissances clés à construire Compétences et capacités exigibles

Les échanges respiratoires reposent exclusivement sur une diffusion des gaz et par conséquent suivent la loi de Fick. L’organisation des surfaces d’échange respiratoires, tout comme les dispositifs de renouvellement des fluides dans lesquels elles s’intègrent contribuent à l’efficacité des échanges.Selon les plans d’organisation, des dispositifs différents réa-lisent la même fonction. Dans le même milieu, des conver-gences fonctionnelles peuvent être détectées et reliées aux contraintes du milieu de vie.Les caractéristiques des molécules à fonction de trans-port conditionnent les capacités d’échanges au niveau de l’échangeur et au niveau des tissus. La quantité de transpor-teurs limite la quantité de dioxygène transportée et l’activité de l’organisme.La modulation de la quantité de gaz échangés passe essen-tiellement par des variations contrôlées de la convection. Le stimulus du contrôle de la respiration est différent dans l’air et dans l’eau.

• L’argumentation est mémorisée sur un nombre réduit d’exemples (Mammifère, poisson Téléostéen, Crustacé, Insecte) et s’appuie sur les observations faites en travaux pratiques.

• Relier les dispositifs observés aux différentes échelles : – à la diffusion – loi de Fick ; – aux contraintes du milieu de vie ;

• Identifier et énoncer des convergences anatomiques ou fonctionnelles.

• Analyser la convection externe sur deux exemples (pois-son Téléostéen en milieu aquatique, Mammifère en milieu terrestre).

• Expliquer l’optimisation des gradients de pression par-tielle sur un exemple d’échange à contre-courant ;

• Relier les conditions locales de la fixation et du relargage du dioxygène aux propriétés de l’hémoglobine et de l’hé-matie.


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COURSAVANT DE COMMENCERLes plans d’organisation des animaux sont variés et liés au groupe phylogénétique au-

quel ils appartiennent.La respiration appartient aux fonctions de nutrition réalisées par l’ensemble des ani-

maux. À l’échelle de l’organisme, la respiration assure l’approvisionnement des cellules en O

2 et l’évacuation du CO

2. L’O

2 est l’accepteur final des électrons au cours de la phos-

phorylation oxydative se déroulant dans les mitochondries, et le CO2 est produit par l’en-

semble des décarboxylations du catabolisme oxydatif.Les appareils respiratoires diffèrent selon les groupes d’animaux (poumons, bran-

chies, trachées) mais réalisent chacun des échanges respiratoires identiques pour les différents groupes d’animaux.

Les appareils respiratoires des animaux sont des échangeurs entre le milieu intérieur et le milieu extérieur, qui présentent des adaptations aux contraintes imposées par le milieu de vie.

1. Les échanges respiratoires sont réalisés au niveau de surfaces d’échanges spécialisées en lien avec les contraintes du milieu de vie

Les gaz respiratoires échangés entre un organisme animal et son milieu sont le dioxygène (O2) et le dioxyde

de carbone (CO2). Ces échanges respiratoires sont liés à la respiration cellulaire se déroulant dans l’ensemble des cellules de l’organisme et assurant la régénération de l’ATP, forme d’énergie utilisable par la cellule : la res-piration cellulaire consomme du O

2 dans le déroulement de la chaîne respiratoire (phosphorylation oxydative)

et produit du CO2 au cours de l’oxydation du pyruvate et dans le déroulement du cycle de Krebs (voir Biologie

- Géologie BCPST 1, éditions Vuibert, chapitres 8 et 9).Les gaz échangés traversent les membranes par diffusion simple, et l’ensemble des échanges gazeux réalisés

au niveau des surfaces d’échanges respiratoires suivent la loi de Fick (voir Biologie - Géologie BCPST 1, éditions Vuibert, chapitres 4 et 11).

Les échanges respiratoires d’un animal peuvent se faire dans des milieux différents et donc dans des fluides différents : air en milieu terrestre et eau en milieu aquatique. Ces deux milieux, terrestre et aquatique, présentent des caractéristiques différentes.

EauMilieu aqueux

AirMilieu desséchant Rapport eau/air

Concentration en O2 (mL.L-1) 7 209 1/30

Densité 1 0,0013 5400

Viscosité (mPa.s) 1 0,0200 50

Diffusibilité de l’O2 (mol.s-1.m-1.Pa-1) 3,4.10

-14 7,8.10-9 1/235 000

Diffusibilité du CO2 (mol.s-1.m-1.Pa-1) 6,1.10-9 7,10-13 9 000

Figure 1.1. Les caractéristiques des milieux de vie des animaux (mesurées à 20 °C) en relation avec la fonction de respiration.


33

Chapitre 1 — La respiration, une fonction en interaction directe avec l’environnement

CO

UR

SPhysique - Chimie. Grandeurs utilisées dans ce chapitre pour quantifier la quantité d’un gaz dans l’air ou dissout dans un liquide.Les espèces moléculaires et présentes dans l’air peuvent être dissoutes dans un liquide. En chimie, pour quantifier la quantité de molécules dissoutes dans un liquide on utilise en général la concentration molaire (souvent exprimée en mol.L-1). Pour décrire un mélange gazeux en revanche, on introduit la pression partielle.

Pourtant, dans le contexte de ce chapitre, on utilise « la pression partielle en O2 et CO2 dans le sang » et le « mL.L-1 » comme unité de concentration du dioxygène dans l’eau ou dans l’air. Nous cherchons à expliciter ces appellations.

Que signifie concentration en O2 dans l’eau de 7 mL.L-1 ?

Cette notation signifie que la quantité de O2 dissoute dans Vliq = 1 L d’eau occuperait, si O2 était seul en phase gazeuse à la même température (20 °C ici) et sous une pression de 1 bar, un volume VO2 = 7 mL.

Or, une quantité nO2 de dioxygène gazeux seul en phase gazeuse, à la pression P et à la température T, occupe un volume VO2 = nO2 RT/P (modèle des gaz parfaits, R est la constante des gaz parfaits).

La quantité de O2 correspondante est donc nO2 = PVO2 / RT. Pour VO2 = 7 mL, on trouve nO2 = 0,28 mmol.7 mL.L–1 correspond donc à une concentration molaire de 0,28 mmol.L–1.Que signifie PO2 = 100 mmHg dans le sang ?Considérons un mélange gazeux contenant du dioxygène O2 au contact d’une phase liquide dans laquelle O2 peut être dissout. À l’équilibre, le dioxygène est présent dans les deux phases et sa concentration molaire en phase liquide est proportionnelle à sa pression partielle dans la phase gazeuse (loi de Henry).

CO2 = kO2PO2.kO2 est une constante qui dépend de la température et du liquide.PO2 = 100 mmHg dans le sang signifie que la concentration molaire de O2 dans le sang est celle qu’aurait le sang à l’équilibre avec une phase gazeuse dans laquelle la pression partielle serait de 100 mmHG = 0,132 bar.

Pour le sang, à 37 °C, kO2 ≈ 9.10-4 mol.L-1.bar-1, de sorte que pour PO2 = 0,132 bar, la

concentration en O2 dans le sang est de l’ordre de 1,2.10-4 mol.L-1.

1.1. En milieu terrestre, les appareils respiratoires pulmonaire et trachéen permettent les échanges respiratoires

La vie en milieu terrestre est associée à plusieurs contraintes, en particulier au fait que l’air est un milieu desséchant et peu porteur (faible densité). Les organismes adaptés à la vie terrestre présentent des adaptations limitant les pertes d’eau, associées à un contrôle étroit de leur volémie (voir Biologie-Géologie BCPST 1, éditions Vuibert, chapitre 11).

Les animaux terrestres présentent deux types d’appareils respiratoires : appareil pulmonaire (exemple des Mammifères) ou appareil trachéen (exemple des Hexapodes ou des Arachnides).

1.1.1. L’appareil respiratoire des Mammifères est pulmonaire

Les Mammifères, comme l’ensemble des Vertébrés Tétrapodes, possèdent des poumons. Les poumons sont invaginés et comportent plusieurs millions d’alvéoles pulmonaires en « cul-de-sac ».

L’air est conduit dans les poumons par la trachée, puis par les bronches. Leur forme est maintenue par des anneaux cartilagineux, qui évitent l’affaissement des canaux, dans lesquels circule de l’air, peu dense et donc peu porteur. Les bronches se ramifient en bronchioles de plus en plus fines qui se terminent par une grappe d’alvéoles pulmonaires.

Au contact de la surface de l’appareil respiratoire, l’air est saturé en vapeur d’eau et s’équilibre au niveau thermique avec la température interne. L’air arrivant aux alvéoles est donc saturé en eau et chaud. Ceci permet


34

Biologie - Géologie BCPST 2

le fonctionnement de l’épithélium pulmonaire, constitué de cellules vivantes non protégées contre la déshydra-tation. La ventilation de cet air chaud et humidifié est donc associée à des pertes d’eau et de chaleur par l’orga-nisme. Ces pertes peuvent être minimisées par la condensation de la vapeur d’eau contenue dans l’air au cours de l’expiration, ce qui abaisse la température des conduits respiratoires et permet une récupération partielle de l’eau et de la chaleur.

Les alvéoles pulmonaires sont richement vascularisées, et les échanges gazeux se font entre l’air des alvéoles et le sang des capillaires qui les entourent. Par ailleurs, la surface interne des alvéoles pulmonaires est tapissée d’un fluide, le surfactant pulmonaire, de nature lipoprotéique, sécrété par les pneumocytes de type II. Ce sur-factant permet une adaptation à la ventilation de l’air, peu porteur, en protégeant les alvéoles d’un collapsus.

HématieEndothélium

Lame basale

Hémoglobine

0,2 - 0,4 µm—> très faible épaisseur

séparant l’air et l’hématie

O2

CO2

Épithélium pulmonaire(pneumocyte I)

Fibroblaste

ALVÉOLE

ALVÉOLE

MacrophagePneumocyte II

Pneumocyte I

Surface d’échange

Hématie

Capillaire

Leucocyte

Alvéole

Bronchioleterminale

Sac alvéolaire

Cartilage

Trachée

Bronchesprincipales

Bronchiole

Diaphragme

Trachée

Plèvres

Œsophage

Bronchesprincipales

Côtes

Figure 1.2. L’organisation des poumons des Mammifères. Les légendes en rouge concernent le paragraphe 1.3.


35


CO

UR

S

1.1.2. L’appareil respiratoire des Hexapodes est trachéen

Chez la majorité des Euarthropodes terrestres, l’air est conduit sous forme gazeuse jusqu’aux tissus par un ré-seau de trachées. Les trachées sont des conduits en continuité avec l’épiderme qui forment un réseau invaginé dans l’organisme. Les trachées communiquent avec l’air extérieur par des orifices : les stigmates. Le réseau de trachées est très ramifié et aux extrémités, les canalisations les plus fines, les trachéoles, se terminent en cul de sac. L’ensemble de la surface interne du réseau est tapissé de cuticule sécrétée par les cellules épithéliales des trachées.

Les extrémités des trachéoles possèdent une cuticule fine et perméable, permettant les échanges de gaz avec les tissus. En effet, les trachéoles sont au contact des tissus et parfois pénètrent dans les cellules (sans rupture de la membrane plasmique). D’autre part, ces extrémités sont remplies d’un liquide trachéolaire, dans lequel les gaz respiratoires sont dissous. Les échanges gazeux sont ainsi réalisés entre l’air et les cellules des tissus, sans transport par l’hémolymphe. Il est rare qu’une cellule soit distante de plus de trois cellules d’une trachéole.

La cuticule des trachées possède des épaississements en anneaux, appelés ténidies, qui assurent une adap-tation à la ventilation de l’air, peu dense et peu porteur, en protégeant les trachées d’un collapsus lors de la ventilation. De plus, l’essentiel de la surface interne du réseau est tapissé d’une cuticule imperméable, ce qui limite les pertes hydriques de l’animal.

ventilation Cuticule

Stigmate

Épiderme unistratifié

Cellule bordante

Liquidetrachéolaire

Très fine épaisseur 0,05 µm

Extrémité de la trachéole(cuticule très fine perméablepermettant les échanges)

Mitochondrie

Membrane plasmiquede la cellule

Tissu(exemple : cellule musculaire)

Ténidies (épaississement de cuticule en anneau)—> rigidification de la trachée

Trachée

Figure 1.3. L’organisation du réseau de trachées des Arthropodes terrestres. Les légendes en rouge concernent le paragraphe 1.3.


36


1.2. En milieu aquatique, des structures plus ou moins spécialisées permettent les échanges respiratoires

1.2.1. La respiration est réalisée au niveau de zones différenciées du tégument chez de petits animaux aquatiques

Certains petits animaux possèdent une respiration tégumentaire (voir TP 1). Ce type d’échanges gazeux est possible si le tégument est fin, perméable et donc peu protecteur. La surface tégumentaire au niveau de laquelle sont réalisés les échanges peut être plus ou moins différenciée.

Néréis Échanges respiratoires au niveau d’un parapodeAvant de l’animal

Parapodes au niveau

desquelsont lieu les

échanges respiratoires

Vaisseau dorsal

1 cm

Arrière de l’animal

Plexus sanguinpéri-intestinal

Intestin

Épidermeunistratifié

Chaînenerveuse Muscles longitudinaux

Vaisseauventral

Vaisseauxparapodiaux

Parapode

Fineépaisseur

CO2

O2

0,5 mm

Figure 1.4. La zone tégumentaire des parapodes de la Néréis (Annélide Polychète), une zone d’échanges respiratoires. La légende en rouge concerne le paragraphe 1.3.

1.2.2. Divers types de branchies assurent les échanges respiratoires en milieu aquatique

Les branchies sont de formes très variées selon les groupes d’animaux aquatiques.Elles constituent des surfaces d’échanges spécialisées déployées dans le milieu extérieur porteur et non

desséchant. Les branchies peuvent être externes (exemple de l’Arénicole, Annélide, voir Figure 1.8), ou internes, proté-

gées dans une cavité (cavité palléale de la Moule, Mollusque Lamellibranche ; cavité branchiale de la Truite, poisson Téléostéen et de l’Écrevisse, Crustacé).

Malgré leur diversité, les branchies présentent en commun une surface développée avec différents niveaux de repliements. L’intérieur des branchies est richement vascularisé, et les échanges gazeux entre l’eau et le sang assurent l’approvisionnement de l’animal en O

2 et l’élimination du CO

2.

À retenir

Les surfaces d’échanges respiratoires des animaux présentent des adaptations convergentes en relation avec le milieu de vie de l’animal. Ces adaptations convergentes sont des analogies et non des homologies : des structures d’origines variées présentent des adaptations similaires.Chez les animaux vivant en milieu terrestre desséchant et peu porteur, les surfaces d’échanges respiratoires sont invaginées dans l’organisme, ce qui limite les pertes hydriques de l’animal, et elles sont soutenues par des structures rigides évitant le collapsus. Chez les animaux vivant en milieu aquatique, ces surfaces sont évaginées et déployées dans le milieu non desséchant et porteur.


37


CO

UR

S

Branchies de la Moule, un Lamellibranche Branchies d’un poisson Téléostéen

Cœur

CoquilleUne branchie

1 cm

20 µm

0,5 mm

Cavité palléale

Vaisseau e�érent(sang hématosé)

Lacunesanguine

CilsDisque ciliaire

Eau

Eau

Eau

n lames branchiales(= branchie)

Vaisseau a�érent(sang désoxygéné)

Sangdésoxygéné

Sanghématosé

Vaisseau a�érent(sang désoxygéné)

Lacune sanguine

Cellule en pilier

Vaisseau e�érent(sang hématosé)

Lamelle

Filamentbranchial

Direction ducourant

branchie

Arc branchial

sang

lamebranchiale

�lamentsbranchiaux

0,1 mm

Nombreux repliset déploiements d’une grande surfaced’échanges

très �neépaisseur très �neépaisseur

0,5 µm

}

Figure 1.5. L’organisation des branchies de la Moule et d’un poisson Téléostéen. Les légendes en rouge concernent le paragraphe 1.3.

Attention ! Adaptations et évolution

Les surfaces d’échanges respiratoires présentent de nombreuses adaptations qui les rendent efficaces dans la réalisation de leur fonction biologique. Il est tentant d’y voir une adaptation « pour » améliorer leur fonc-tionnement, autrement dit d’expliquer de façon finaliste les notions présentées.

Attention, les diverses structures anatomiques présentées, aussi perfectionnées soient-elles, sont le fruit de l’évolution (des mutations aléatoires et de la sélection naturelle qui a favorisé les structures les plus efficaces).

�


38


1.3. L’organisation des surfaces d’échanges respiratoires permet les échanges par diffusion

Les échanges de gaz respiratoires sont réalisés par diffusion simple.L’approvisionnement des cellules de l’organisme en O

2 n’est possible par simple diffusion, sans appareil respi-

ratoire spécialisé, que pour des animaux de petites tailles (petits animaux aquatiques aux stades embryonnaires, Coraux et Anémones de mer, Cnidaires…) ou qui présentent un rapport surface/volume élevé (Planaires, voir TP 1).

Chez les animaux de grande taille et actifs, les échanges gazeux avec le milieu environnemental sont assurés au niveau des surfaces d’échanges spécialisées, précédemment décrites, qui diffèrent en milieu terrestre et en milieu aquatique.

La loi de Fick exprime le flux associé à la diffusion des gaz respiratoires de part et d’autre de l’échangeur res-piratoire :

Étendue de la surface d’échanges (m2)Flux du gaz (mol.s-1)

Différence de pression partielle du gaz entre les deux côtés de la surface d’échange (Pa)

Constante de diffusibilité (mol.s-1.-Pa-1.m-1) propre à chaque gaz

Épaisseur de la surface d’échanges (m)

F = −K.Se.∆P

Les surfaces d’échanges, et en particulier les surfaces d’échanges respiratoires spécialisées, présentent des adaptations structurales convergentes :

• les différents échangeurs possèdent une grande surface de contact avec le milieu extérieur (80 m2 chez l’Homme, soit environ 28 cm2 par gramme de masse corporelle chez les Mammifères ; 11 cm2 par gramme de masse corporelle chez les poissons Téléostéens) ;

• l’épaisseur qui sépare le milieu extérieur du milieu intérieur de l’animal est très fine (0,2-0,4 µm entre l’air et le sang des capillaires pulmonaires ; 30 µm entre le sang et l’eau au niveau d’une lamelle branchiale).

Les grandes surfaces d’échanges et les fines épaisseurs des échangeurs sont légendées en rouge sur les Figures 1.1, 1.2, 1.3 et 1.4.

Physique — Chimie. Loi de FickConsidérons une membrane plane de surface S et d’épaisseur e, perméable à une espèce de molécule, séparant deux milieux notés 1 et 2.

Dans les milieux 1 et 2, les concentrations molaires de cette molécule sont notées C1, respectivement C2. Nous supposons que ces grandeurs n’évoluent pas dans le temps (régime dit stationnaire) et que C1 >C2.

La différence de concentration entraîne, par diffusion, le déplacement des molécules du milieu 1 (forte concentration) vers le milieu 2 (plus faible concentration).

Le flux de molécules à travers la surface S, noté F est la quantité de molécules (en mol) qui traverse la surface par unité de temps.

Dans ce contexte simple, la loi de Fick permet de relier F à C1 et C2.


39


CO

UR

S

=

D est la diffusivité du milieu, elle dépend du milieu dans lequel les molécules diffusent (ici, la membrane), de la température et de la nature des molécules.

− est le gradient de concentration.

RemarqueEn physique, dans les conditions unidirectionnelles et unidimensionnelles évoquées ci-dessus, le gradient d’une grandeur f ne dépendant que du paramètre d’espace x est défini par

−−−→=

−→.

Il s’agit d’un vecteur, dont la norme a la dimension [f].L-1.

Ici, la norme du gradient de la concentration est − .

En SVT, le terme gradient est souvent utilisé pour simplement traduire la variation d’une grandeur dans l’espace. Ici, il ne s’agirait donc que de C1 – C2.

À retenir

Quel que soit le milieu de vie de l’animal, les surfaces d’échanges respiratoires présentent des analogies = des adaptations convergentes avec un rapport Surface/Épaisseur élevé, ce qui est une caractéristique des surfaces d’échanges, qui permet un flux efficace des gaz respiratoires à travers la surface (loi de Fick).

Attention ! Pas de finalisme avec la loi du Fick !

La loi de Fick est valable pour toutes les surfaces d’échanges (échanges racinaires, feuille et capture de pho-tons, absorption et épithélium intestinal…).

Mais pas de finalisme : tous les animaux respirent sans se poser la question de la loi de Fick et de comment optimiser les échanges au regard de cette loi.

Dans vos exposés, il faut simplement montrer que la structure des surfaces d’échanges favorise ces échanges en vous appuyant sur la loi de Fick.

1.4. Les convections des fluides interne et externe permettent les échanges respiratoires

La loi de Fick, qui exprime le flux des échanges en fonction de paramètres au niveau de l’échangeur, fait in-tervenir la différence de pression partielle, DP, de part et d’autre de l’échangeur. Chez la plupart des animaux, cette différence de pression partielle est maintenue par une mise en circulation des fluides interne et externe qui permettent ainsi le maintien du flux des gaz respiratoires (dans le sens des gradients de pressions partielles).

CIRCULATIONSANGUINE Cellule

Surface d’échangesrespiratoires

MISE EN MOUVEMENT

DU FLUIDEEXTERNE

O2

CO2O2

CO2

Figure 1.6. Le maintien des gradients de pressions partielles par la mise en circulation des fluides interne et externe (exemple des Vertébrés).

�


40


La mise en circulation du liquide interne (sang ou hémolymphe), dépend de l’activité du système circula-toire, en particulier du cœur (voir Chapitres 2 et 3).

La mise en mouvement du fluide externe, ou ventilation, est étroitement liée aux contraintes du milieu de vie.

1.4.1. En milieu terrestre, la ventilation assure un renouvellement partiel de l’air dans les appareils respiratoires

En milieu terrestre, l’air est un milieu peu dense, qui peut être mis en mouvement avec une faible dépense énergétique. De plus, les gaz diffusent très rapidement dans l’air. Enfin, l’air est un milieu riche en O

2 (21 %).

Un renouvellement partiel de l’air au niveau de l’échangeur suffit généralement à subvenir aux besoins de l’ani-mal.

Chez les Mammifères, l’air est ventilé de façon bidirectionnelle dans l’appareil respiratoire. L’inspiration, active, fait intervenir la contraction des muscles intercostaux et du diaphragme. L’expiration est généralement passive (au repos ou lors d’un effort modéré) et correspond au relâchement de ces muscles.

Adhérencepar les plèvres

Contractiondes musclesintercostaux

Contractiondu diaphragme

Air atmosphérique(1 013 hPa)

1 010hPa

1 017hPa

Relachementdu diaphragme

Relâchementdes musclesintercostaux

Figure 1.7. La ventilation chez les Mammifères.

La ventilation crée donc un mouvement bidirectionnel de l’air. Une partie de l’air reste dans les poumons et n’est pas renouvelé, l’air entrant est donc mélangé avec un volume d’air stagnant (chez l’Homme au repos, 500 mL d’air frais entrent dans un système contenant 3 L d’air stagnant). L’air alvéolaire est donc moins riche en O

2 et plus riche en CO2 que l’air atmosphérique.Cette plus faible pression partielle en O

2 dans l’air pulmonaire que dans l’air atmosphérique est compensée

par la forte concentration de O2 dans l’air (et même dans l’air alvéolaire) qui suffit à subvenir aux besoins de

l’organisme.Dans le

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