1. LA PLANETE TERRE ET SON ENVIRONNEMENT

Cette partie du programme est une initiation à la planétologie et aux problèmes d'environnement global. Elle s'appuie sur l'étude comparée des planètes et celle de la dynamique des enveloppes externes de la planète Terre (atmosphère et océans). Elle s'articule autour de la perception de l'espace, du mouvement et des temps caractéristiques des phénomènes naturels. Il s'agit de situer l'Homme dans son environnement au sens le plus large (dans le système solaire et sur Terre), de montrer comment on étudie cet environnement (missions spatiales, observations de la Terre depuis l'espace) et de mettre en avant sa fragilité.

La compréhension du fonctionnement et de l'évolution de notre environnement (passé et futur) nécessite une bonne perception des échelles d'espace et de temps caractéristiques des phénomènes. Il est important de faire prendre conscience aux élèves que des calculs très simples permettent de comprendre les mouvements des planètes autour du Soleil, de percevoir les problèmes d'environnement à l'échelle globale et d'avoir un avis sur des enjeux importants du monde futur (effet de serre, dispersion des polluants par l'atmosphère et les océans, stockage des déchets etc.....).

Deux grands thèmes seront abordés : " La Terre dans le système solaire " et " La planète Terre et son environnement global ". Comme pour les autres parties du programme, il est aussi proposé aux professeurs et aux élèves d'aborder un sujet d'étude au choix au cours de l'année. Celui-ci peut prendre différentes formes en fonction des sensibilités de chacun ou des classes. On peut envisager des sujets variés comme ceux qui sont indiqués en annexe (liste non-exhaustive). On peut aussi noter que certains d'entre eux se prêtent à un suivi au cours de l'année (par exemple: l'amincissement de la couche d'ozone, le phénomène El-Nino, la pollution atmosphérique dans une ville etc).).

1-1. La Terre dans le système solaire :
La planétologie vise principalement deux objectifs :

1) donner une culture générale à ceux qui arrêtent les Sciences de la Terre et les Sciences tout court. L'exploration de notre système solaire et l'observation de systèmes planétaires extra-solaires font ou feront l'objet de nombreuses missions spatiales. La France et l'Europe par l'intermédiaire de leurs agences spatiales et de nombreux chercheurs participent activement à cet effort.

2) pour ceux qui continuent dans la filière scientifique, poser des bases dans la perspective de la compréhension de la genèse du système solaire et de la Terre qui seront abordées ultérieurement.

1-1-1 Description des objets du système solaire
La description et l'analyse des objets du système solaire ont deux objectifs :

1) positionner la Terre dans le système solaire et distinguer l'étoile (le Soleil) des objets qui lui tournent autour (planètes, astéroïdes .).

2) montrer la variété (en taille, composition chimique, présence d'enveloppes externes gazeuses ou liquides, morphologie de surface, activité interne) des objets qui tournent autour du soleil, mettre leurs compositions chimiques en relation avec l'éloignement au Soleil et démontrer l'existence d'une activité interne actuelle ou passée dans les planètes et leurs satellites.

• Mise en évidence de trois classes chimiques de corps : les planètes et satellites telluriques (intérieurs : Mercure-Vénus-Terre-Lune-Mars) , les planètes géantes (extérieures : Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune) et les planètes et satellites de glace (Pluton, Titan ....).
• Existence de corps (planètes, satellites, astéroïdes et comètes) de tailles variées (10 à 100 000 km).
• L'étude de la morphologie de la surface des planètes permet d'aborder les points suivants :
  • Les cratères d'impact nous renseignent sur le mécanisme de formation des planètes (l'accrétion des planètes qui n'est pas à traiter peut néanmoins être évoquée brièvement). Ils permettent aussi de donner des âges relatifs aux terrains à la surface des planètes.
  • La présence de volcans (actifs ou non) atteste d'une activité interne actuelle ou passée.
    L'activité interne des planètes et la présence d'enveloppes fluides effacent les traces de cratères en remodelant la morphologie de surface.
• La composition chimique des roches de la surface de la Terre et des autres planètes solides, donne des indications sur la composition des couches profondes. Sur Terre, les basaltes sont issus de la fusion des roches du manteau et fournissent des informations sur la nature chimique de ces dernières. On peut donc mettre en avant l'intérêt de récolter des échantillons à la surface des autres planètes ou de procéder à des mesures de compositions chimiques des roches de surface avec des robots déposés à la surface des planètes (l'exploration de la Lune et les futures missions sur Mars peuvent servir de support à cette partie).

Cette partie du programme s'appuie sur l'observation des images fournies par les sondes spatiales et d'échantillons, sur le traitement de données chiffrées (tailles, densités, composition chimique) et sur des comparaisons avec la Terre qui peut être prise comme planète de référence.

1-1-2 L'énergie solaire reçue par les planètes
Par la mise en oeuvre de manipulations simples, il s'agit de faire acquérir les notions qui suivent. Le soleil émet de l'énergie de manière sphérique. La quantité d'énergie par unité de surface diminue donc avec l'éloignement au soleil comme l'inverse du carré de la distance au soleil. Cette énergie solaire est à l'origine des mouvements dans les enveloppes fluides des planètes. C'est l'occasion d'introduire la suite du programme qui sera focalisée sur les enveloppes fluides de la planète Terre.

1-2. Planète Terre et environnement global :
L'objectif de cette partie du programme est de faire prendre conscience aux élèves de la fragilité de notre environnement global par l'étude scientifique et la compréhension du fonctionnement et de l'évolution de l'atmosphère et de l'hydrosphère. Elle est aussi l'occasion d'aborder simplement les couplages complexes atmosphère-hydrosphère-lithosphère-biosphère qui régissent à différentes échelles de temps la structure et la dynamique du système hydrosphère-atmopshère.

1-2-1 Observation de la Terre depuis l'espace
La structure et l'évolution dans le temps de l'atmosphère, de l'hydrosphère, de la lithosphère et de la biosphère peuvent s'étudier à partir de mesures et d'observations satellitales. Il s'agit d'expliquer comment l'on obtient et construit ces "images" et comment on les utilise. Les satellites artificiels en orbite autour de la Terre enregistrent des images à différentes longueurs d'ondes (couleurs) qui procurent des informations variées (présence d'eau, extension de la végétation, température de l'eau de mer, nature minéralogique des sols etc).

1-2-2 L'énergie solaire et sa répartition à la surface de la Terre
Au niveau de l'orbite de la Terre la quantité d'énergie par unité de surface émise par le soleil peut être considérée comme constante. En revanche, la sphéricité de la Terre et l'inclinaison de son axe de rotation par rapport au plan de révolution autour du soleil font varier la quantité d'énergie par unité de surface reçue au sommet de l'atmosphère et au sol. Cette quantité varie en fonction de la latitude pour une époque donnée de l'année. Elle varie aussi au cours de l'année pour une latitude donnée en raison de l'orientation constante de l'axe de rotation de la Terre à l'échelle de temps humaine. Cette distribution de l'énergie solaire reçue par la surface de la Terre en fonction de la latitude (elle est plus grande à l'équateur qu'au pôles) est à l'origine de la zonéographie des climats et des mouvements de l'atmosphère et des océans. Les variations de cette énergie au cours de l'année pour une latitude donnée se traduisent par l'alternance des saisons. La climatologie au sens strict du terme n'est pas à développer.

1-2-3 La composition et la structure de l'atmosphère terrestre
L'atmosphère terrestre est une enveloppe dont la structure et l'état thermique résultent de l'interaction entre la lumière et les molécules qui la constituent. L'air est un mélange de différents gaz ayant des propriétés physiques qui peuvent être différentes vis à vis de l'absorption de la lumière. L'absorption de lumière par les molécules conduit à un échauffement.
Le gaz le plus abondant (N2) a un effet mineur dans l'absorption du rayonnement solaire et du rayonnement infra-rouge de la surface de la Terre. En revanche, l'oxygène et des constituants chimiques présents en faible quantité dans l'atmosphère, comme l'ozone (O3), le gaz carbonique (CO2) et l'eau (H2O) ont des rôles et des effets importants.

• L'ozone par son absorption du rayonnement ultra-violet est à l'origine de la stratification verticale de l'atmosphère. Il est responsable de l'augmentation de température dans la stratosphère.
• Le gaz carbonique et l'eau sous forme de vapeur absorbent le rayonnement infra-rouge émis par la Terre et contribue de manière importante à l'effet de serre.
• L'eau a une importance particulière. Elle est à l'origine des nuages. Par ses changements d'état elle participe aux transferts d'énergie dans l'atmosphère. Les nuages réfléchissent aussi le rayonnement solaire incident et absorbent le rayonnement infra-rouge émis par la Terre.

L'atmosphère contient aussi des poussières et des aérosols. Ces constituants mineurs sont essentiels dans la condensation de l'eau (et donc dans la formation des nuages) et peuvent aussi absorber et réfléchir du rayonnement solaire incident.

La structure verticale de l'atmosphère et de ses principales couches (troposphère, stratosphère ...) se déduit de l'étude des profils de température et de pression et de la présence de certaines espèces chimiques (l'ozone dans la stratosphère, l'eau dans la troposhère).

La destruction, donc la diminution de l'ozone stratosphérique (par les CFC en particulier) à des conséquences sur la filtration des UV.

1-2-4 L'effet de serre
Sa présentation doit être simple. Des 100 % de l'énergie solaire arrivant au sommet de l'atmosphère, seule une moitié est absorbée par la surface de la Terre. La majeure partie de cette énergie absorbée est émise par la surface de la Terre sous forme de rayonnement infra-rouge (la surface de la Terre est à une température plus faible que la surface du soleil ; la relation température-énergie-lumière est abordée dans le programme de physique). Ce rayonnement infra-rouge est principalement absorbé par les molécules de CO2 et H2O de l'atmosphère ce qui produit un échauffement de l'air. Une partie de cette énergie quitte par radiation vers le haut l'atmosphère mais une autre partie est redirigée vers la surface de la Terre et absorbée. Pour cette raison, la surface de la Terre reçoit à la fois de l'énergie du Soleil et de l'atmosphère ce qui n'est pas le cas de la Lune et des planètes dépourvues d'atmosphère.
L'augmentation de la quantité de CO2 et d'autres gaz comme le méthane (CH4) dans l'atmosphère modifie l'effet de serre.

1-2-5 Les mouvements des enveloppes fluides
L'énergie solaire parvenant à la surface de la Terre est plus importante à l'équateur qu'aux pôles. L'énergie infra-rouge émise par la surface de la Terre varie aussi avec la latitude mais beaucoup moins que l'énergie solaire incidente. Il en résulte un bilan d'énergie positif entre 0° et 35-40° de latitude et négatif entre 35-40° et 90° de latitude dans les deux hémisphères. Cette différence dans le bilan thermique est à l'origine d'un transport de chaleur de l'équateur vers les pôles qui est assuré par la circulation océanique et la circulation atmosphérique. Les mouvements sont complexes. On peut néanmoins mettre en évidence leurs causes principales (les variations de pression, de densité, de température et de salinité) et constater la complexité introduite par la rotation terrestre (présentation qualitative de l'effet de la force de Coriolis).

Mouvements atmosphériques
Dans la troposphère, la circulation des masses d'air se fait par des mouvements horizontaux (qui traduisent des différences de pression) et par des mouvements verticaux (qui traduisent des différences de densités et/ou de températures). La combinaison de ces mouvements troposphériques donne naissance à des "cellules de circulation atmosphérique" qui assurent les transferts de chaleur et de vapeur d'eau. Dans la stratosphère, les mouvements sont essentiellement horizontaux en raison de sa structure thermique qui limite l'amplitude des mouvements verticaux.

Mouvements océaniques
On distingue deux types de "masses d'eau" dans les océans. Les "masses d'eau" superficielles dont le mouvement est induit et entretenu par les vents qui agitent la troposphère. Les "masses d'eau" profondes dont les mouvements, essentiellement méridiens, résultent de différences de densités dues à des différences de températures et de salinités.
L'analyse de documents illustrant la dispersion des espèces chimiques et poussières montre comment les mouvements océaniques et atmosphériques régissent les phénomènes de pollution à des échelles locales (une ville, un littoral) et globales (l'atmosphère et l'océan dans son ensemble).

1-2-6 Couplage lithosphère-biosphère-atmosphère-hydrosphère
La composition, la régulation de la composition chimique et de la température des enveloppes fluides mettent en uvre des mécanismes complexes avec des constantes de temps différentes. Le cycle du CO2 (et de l'O2) permet d'entrevoir cette complexité.
Si l'on prend l'exemple du cycle du CO2 on peut faire construire le cycle de manière interactive avec l'élève en essayant de voir comment par exemple sa teneur est contrôlée dans l'atmosphère. Il faut tout d'abord identifier les différents réservoirs qui contiennent du CO2 (sous différentes formes chimiques) : atmosphère, océan, biomasse, combustibles fossiles, roches carbonatées ....L'étape suivante est de mettre en évidence les mécanismes de certains des transferts de CO2 entre ces réservoirs et l'atmosphère à partir d'expériences simples. Par exemple, la précipitation et la dissolution des carbonates, l'activité biologique (fermentation, respiration, photosynthèse), les émissions anthropiques.....L'atmosphère ne fonctionne donc pas indépendamment des autres réservoirs. Les émissions de CO2 dans l'atmosphère par l'activité industrielle sont connues. Cependant on observe que cette quantité ne se retrouve pas intégralement dans l'atmosphère. Ceci montre qu'une partie du CO2 est intégré dans d'autres réservoirs (l'océan, la biosphère....) à des échelles de temps courtes.

1-2-7 Evolution historique de la composition de l'atmosphère
La composition de l'atmosphère actuelle s'est construite progressivement. L'apparition de la photosynthèse est à l'origine du dioxygène (et donc de l'ozone). Le CO2 présent en grande quantité au début de l'histoire de la Terre a progressivement disparu et ceci est à mettre en relation avec des processus tel que la fabrication des sédiments carbonatés.

L'étude de la composition des atmosphères du passé montrent qu'il existe une variabilité naturelle de la composition de l'atmosphère et donc des climats à la surface de la Terre (l'homme a une influence mais il n'est pas le seul !). Les carottes de glaces sont l'occasion de montrer que certains processus géologiques (ici la formation et l'accumulation de glace aux pôles) enregistrent les variations de la composition de l'atmosphère au cours du temps.

2. L'ORGANISME EN FONCTIONNEMENT

Cette partie du programme a pour objectif de sensibiliser les élèves à la notion d'intégration des fonctions dans l'organisme. Le support choisi est l'étude des variations des paramètres cardio-respiratoires du corps humain au cours de l'effort physique.

Les travaux pratiques (dissection du coeur, observation des battements cardiaques, analyse de données expérimentales sur l'implication du système nerveux dans le contrôle des rythmes cardio-respiratoires,...), s'appuient aussi sur des modèles animaux.

Ce sujet a été choisi en tenant compte de l'intérêt manifesté par les élèves vis à vis d'une part de la connaissance du fonctionnement de leur corps et, d'autre part, des activités sportives et des problèmes de société posés par la pratique du sport de haut niveau. Par ailleurs, il peut donner lieu à des activités pratiques simples à mettre en oeuvre. Il répond aussi à une demande exprimée par les enseignants de lycée dans la consultation nationale de 1997-1998.

Ce sujet s'appuie sur les connaissances acquises au cours du premier cycle du collège (5ème et 3ème) dont certaines doivent être approfondies.

La rupture par rapport au collège porte sur une approche de la physiologie envisagée comme une discipline étudiant des systèmes intégrés au sein d'un organisme, approche qui permet d'aborder les notions d'HOMÉOSTASIE (maintien de la constance des paramètres du milieu intérieur) et de RÉGULATION (ensemble des processus par lesquels un paramètre du milieu intérieur est maintenu aussi proche que possible de sa valeur de référence). Ces deux notions sont essentielles en physiologie et, compte tenu de leur complexité de compréhension pour les élèves, leur introduction au programme de seconde ne doit être envisagée que comme une initiation.

L'exemple choisi se limite à l'étude d'une partie seulement de la régulation envisagée. Il s'agit d'étudier l'homéostasie du dioxygène dans le seul compartiment artériel de la grande circulation, en association avec les besoins en dioxygène des cellules dans différentes conditions d'activité. On ne tient compte que de la partie efférente de la boucle de régulation (variation d'activité des effecteurs cardio-respiratoires en fonction de l'activité musculaire), sans se préoccuper de la boucle afférente (capteurs des paramètres physiologiques étudiés, chémorécepteurs et barorécepteurs, et voie de communication nerveuse qui leur est associée).

Cette étude est abordée en trois parties qui se veulent liées dans une démarche progressive et qui sont complémentaires.

2-1. Relations entre activité physique et paramètres physiologiques :
Après une révision sur les rôles des nutriments et du dioxygène, il s'agit d'établir de façon expérimentale les variations de la consommation de dioxygène (VO2) en fonction de l'intensité de l'activité des muscles de l'organisme.

La comparaison des données expérimentales des consommations de nutriments et de dioxygène avant et pendant l'effort conduit à poser deux problèmes:

• La mobilisation des réserves énergétiques au cours d'un effort musculaire ;
• L'adaptation de l'organisme à prélever davantage de dioxygène dans l'environnement et le transporter vers les muscles au cours de l'effort.

Le premier problème n'est pas au programme. Il peut toutefois servir de support à un sujet au choix.

Le deuxième problème sert de motivation à toute cette partie du programme et peut être précisé à partir d'observations effectuées sur les variations de la fréquence cardiaque et du débit ventilatoire.

Les activités pratiques liées à cette partie permettent d'utiliser l'EXAO :

• mesure de la fréquence cardiaque et de sa variation au cours de l'activité musculaire;
• mesure du débit ventilatoire et de sa variation au cours de l'activité musculaire.
  Cependant certaines de ces mesures (ex: fréquence cardiaque) peuvent être effectuées même en absence d'EXAO.

La notion de consommation de dioxygène maximale (VO2max) est introduite et on peut éventuellement signaler la possibilité d'effectuer pendant un cours moment un effort d'intensité supérieure à la VO2max, mais les mécanismes anaérobies de conversion énergétique qui le permettent sont hors programme, notamment la fermentation lactique.

2-2. Couplage entre l'activité cardio-respiratoire et l'apport de dioxygène aux muscles :
L'étude de l'anatomie du coeur et celle de la révolution cardiaque permettent d'enrichir la connaissance de la double circulation déjà envisagée au collège, mais aussi débouchent sur la notion de débit cardiaque. Il s'agit alors de réfléchir à la façon dont l'augmentation du débit cardiaque contribue à assurer un apport de dioxygène accru aux muscles en activité. Cela passe par une réflexion relative à l'égalité des débits cardiaques droit et gauche, et par celle de la disposition en série de la circulation générale et de la circulation pulmonaire.

L'analyse de données sur la distribution du flux sanguin entre les divers organes qui permet d'assurer un apport préférentiel de dioxygène aux muscles en activité, complète le schéma fonctionnel de la circulation générale (on n'oubliera pas de situer la circulation coronaire).

Des considérations sur la teneur en dioxygène du sang artériel et du sang veineux au repos et au cours d'un effort sont utiles pour permettre de saisir la signification de l'augmentation des débits circulatoire et ventilatoire. En s'appuyant sur les connaissances du collège, il s'agit de mettre en évidence que l'augmentation du débit ventilatoire a pour seul effet d'augmenter la ventilation alvéolaire et par là de maintenir dans l'air alvéolaire une pression en dioxygène suffisante pour assurer la saturation en dioxygène du sang qui quitte les poumons.

Il s'agit donc de faire réfléchir sur l'importance des augmentations synchrones des débits cardiaque et ventilatoire ; l'augmentation de l'un n'aurait aucune conséquence physiologique si elle n'était accompagnée de celle de l'autre. Dans une telle perspective, on peut envisager que le débit cardiaque constitue le facteur limitant de la VO2max.

2-3. Intégration des fonctions dans l'organisme au cours de l'activité physique :
L'ensemble des notions suivantes doit être abordé:
-automatisme de la contraction du muscle cardiaque à opposer au fonctionnement des muscles respiratoires qui sont placés sous le contrôle d'une commande nerveuse centrale ;
-fonctionnement automatique de cette commande nerveuse centrale (centre respiratoire bulbaire) qui assure le contrôle de la rythmicité de la contraction des muscles respiratoires par l'intermédiaire des nerfs moteurs ;
-contrôle de la rythmicité de la contraction du muscle cardiaque par le système nerveux végétatif (rôle accélérateur des nerfs sympathiques cardiaques et ralentisseur des nerfs pneumogastriques).

A partir de l'analyse de données expérimentales, il s'agit de comparer la façon dont sont mises en jeu et modulées par le système nerveux les activités du muscle cardiaque d'une part, et des muscles intercostaux et du diaphragme d'autre part. Une connaissance élémentaire de l'organisation anatomique des appareils et organes mis en jeu est requise, mais au seul niveau macroscopique. Un schéma de synthèse de l'innervation du coeur, des muscles intercostaux et du diaphragme en relation avec différentes parties du système nerveux central (bulbe rachidien, cortex) est présenté.

L'étude du fonctionnement du système nerveux au niveau cellulaire n'est pas au programme, ce qui exclut les notions de potentiel d'action, de codage de l'information et de fonctionnement synaptique.

On se contente donc de traduire par des flèches ascendantes ou descendantes les variations des messages nerveux véhiculés par les nerfs cardiaques ou respiratoires. Au cours d'une activité physique, ces messages nerveux augmentent au niveau des nerfs sympathiques cardiaques, ce qui entraine une accélération cardiaque, et diminuent au niveau des nerfs pneumogastriques, ce qui entraine une diminution de l'effet ralentisseur exercé par ces nerfs. Ces deux actions concourrent à l'accélération du rythme cardiaque.

Par contre, il est important de faire comprendre que dès l'initiation de l'activité, la commande exercée par le système nerveux central, principalement corticale, intervient sur la mise en jeu des muscles striés squelettiques effecteurs du mouvement et exerce simultanément un contrôle sur les centres bulbaires cardio-vasculaire et respiratoire ; elle ajuste ainsi les deux paramètres, débits cardiaque et ventilatoire, très précocement aux besoins ultérieurs. On peut s'appuyer sur l'exemple d'un coureur de 100m qui, dans les starting-blocks, se concentre sous les ordres du starter, et du fait de cette motivation (stress physiologique) va avoir ses paramètres physiologiques (pression artérielle, fréquence cardiaque, ...) qui varient alors qu'il n'a pas encore entamé le moindre effort musculaire. Mais cette "anticipation physiologique" va largement contribuer à la réussite de sa course. Il y a donc un niveau d'organisation (le cortex cérébral), extérieur à la boucle de régulation homéostasique, qui peut intervenir de manière décisive selon les situations pour imposer un nouveau niveau de régulation en fonction des conditions environnementales.

Par ailleurs, la production de chaleur au cours de l'activité musculaire va entrainer la mise en jeu d'un autre système de régulation (la thermorégulation) qui est à l'origine de la vasodilatation cutanée (rougeur de la face) et de la sudation. Cette notion n'a pas à être traitée mais peut faire l'objet d'un sujet au choix en fonction des préoccupations des élèves.

On peut également s'appuyer sur des activités pratiques pour cette partie : l'observation de l'automatisme cardiaque chez des invertébrés (exemple de l'escargot) et l'étude de personnes ayant subi une transplantation cardiaque chez lesquelles, toutefois, seule une régulation hormonale par l'intermédiaire de l'adrénaline reste possible.

EN CONCLUSION, cet enseignement permet une première approche des mécanismes assurant l'intégration des fonctions dans l'organisme et met l'accent sur la complexité des relations entre organes. L'acquisition des notions de physiologie humaine se fait en soulignant les liens que l'on peut établir avec le domaine de la santé. La construction d'une boucle de régulation complète et l'approfondissement de la connaissance des modes de communication au sein de l'organisme relèvent des classes ultérieures.

3. CELLULE, ADN ET UNITE DU VIVANT

Cette partie du programme a pour objectif de conforter l'idée d'évolution déjà introduite au collège et de montrer que toutes les espèces ont une origine commune. Elle s'appuie essentiellement sur la mise en évidence de propriétés fondamentales communes à tous les êtres vivants contrastant avec leur incroyable diversité. Cette mise en évidence est réalisée à différents niveaux d'organisation : cellule, molécule d'ADN et organisme et s'appuie très largement sur les acquis du collège qui sont approfondis.
Trois grands thèmes sont abordés :

• L'universalité de la présence de cellules comme unités élémentaires des organismes, et donc l'existence de caractéristiques structurales et fonctionnelles communes, malgré la diversité des types cellulaires et de leurs activités individuelles ;
• L'universalité de la nature du support de l'information génétique et l'origine de la variabilité génétique ;
• L'apparentement des organismes au niveau de leurs plans d'organisation et des modalités de leur développement.

Cette partie du programme a également pour objectif de donner une culture générale scientifique à ceux qui ne continueront pas l'étude des Sciences de la Vie et de la Terre. Certains aspects de cette culture générale (tels que ceux concernant les propriétés fondamentales de la vie, le rôle de l'ADN en tant que support de l'information génétique et sa modification par des agents de l'environnement (mutations) ou par l'homme (transgénèse), l'origine commune des espèces, la place de l'Homme au sein du monde vivant...) sont indispensables à la compréhension de certains enjeux philosophiques, éthiques, sociaux et économiques de notre époque et des prochaines décennies.

3-1. La cellule fonde l'unité et la diversité du vivant :
L'observation de divers tissus animaux et végétaux, montre l'omniprésence des cellules au sein du vivant. Malgré la grande diversité des types cellulaires observables, ces cellules possèdent des caractéristiques fondamentales communes qui définissent le vivant :

3-1-1 Leur structure
Une première approche de cette " unité cellulaire " peut s'appuyer sur l'étude des caractéristiques structurales réalisée à partir de l'observation en microscopie photonique et électronique des cellules eucaryotes. On se limitera à la mise en évidence des principales structures cellulaires : la membrane plasmique définissant le milieu intracellulaire et les organites caractéristiques des cellules eucaryotes.

3-1-2 Leur activité métabolique et leur capacité à se reproduire
Le milieu intracellulaire et les organites qu'il contient sont le siège de réactions métaboliques qui conduisent à la synthèse des molécules organiques nécessaires à l'activité des cellules et à leur multiplication. À partir de cultures d'organismes unicellulaires, la mise en évidence des besoins nutritifs des cellules permet de distinguer les deux principaux types métaboliques (auto- et hétérotrophie). L'autotrophie est associée à la présence de chloroplastes dans les cellules eucaryotes.

En conditions stables du milieu, les structures des cellules et leurs modes de fonctionnement (type de métabolisme, modalités de division) sont maintenus au cours des générations cellulaires successives. Les caractéristiques du métabolisme et de la division cellulaire sont donc des activités fondamentales des cellules, transmises de génération en génération. Leur persistance au cours des générations est à mettre en relation avec les notions, déjà acquises en troisième, de patrimoine héréditaire et de gènes. L'étude détaillée des modalités du cycle cellulaire et de son contrôle n'est pas au programme.

La transmission intégrale de l'information génétique de l'uf aux différentes cellules d'un organisme est rappelée. Cependant, on note qu'au cours du développement, la différenciation cellulaire conduit à une diversification des types cellulaires.

3-1-3 Leur matériel génétique
La localisation cellulaire du matériel génétique est précisée en s'appuyant sur des notions déjà acquises au collège, comme le rôle du noyau, le rôle des chromosomes et leur devenir lors des divisions cellulaires.

La plupart des exemples seront choisis chez les eucaryotes, cependant les procaryotes pourront être utilisés pour faire ressortir l'universalité de la notion de cellule : membrane plasmique, activité métabolique, matériel génétique.

3-2. Universalité et variabilité de la molécule d'ADN :
La présence d'ADN dans les chromosomes conduit à rechercher son rôle en tant que support de l'information génétique. La démonstration de ce rôle est faite ici en s'appuyant sur la transgénèse interspécifique qui consiste à introduire un fragment d'ADN contenant un gène d'une espèce dans un individu d'une autre espèce. Elle conduit à une modification du génotype qui peut s'exprimer par une variation du phénotype de l'individu receveur. Ceci prouve non seulement que l'ADN est le support de l'information génétique mais aussi que ce support est universel. Sans entrer dans l'étude des méthodes de la transgénèse, cette partie du programme permet d'en établir le principe et d'envisager ses conséquences au niveau de la cellule ou de l'organisme. L'universalité de l'ADN conforte à l'échelle moléculaire l'idée d'unité du vivant vue ci-dessus à l'échelle cellulaire.

À l'issue de la division cellulaire, chaque chromosome ne contient qu'une molécule d'ADN qui est une macromolécule formée de deux chaînes complémentaires enroulées en double hélice. Chaque chaîne est constituée par une succession de 4 éléments de base : les nucléotides.

Chaque gène contient un message codé par la séquence des nucléotides. L'ensemble de ces messages constitue le programme génétique (voir les deux autres chapitres de cette partie).

A l'universalité de la molécule d'ADN dans le monde vivant s'ajoute sa variabilité. Cette variabilité a pour origine des modifications au hasard de la séquence d'ADN (mutations) qui peuvent avoir des conséquences sur l'activité cellulaire et sur l'organisme tout entier. L'étude des mutations est limitée à leur mise en évidence à partir d'un changement phénotypique héréditaire. L'étude de leur origine ne serait pas compréhensible en absence de toute connaissance sur la réplication et, de même, la description détaillée des différents types de mutations n'a pas de sens en l'absence de connaissances sur le code génétique. On notera à cette occasion qu'au sein d'une espèce, la séquence des nucléotides de l'ADN de chaque individu est unique. Elle trouve son application dans le génotypage des individus.

Le taux de mutation peut-être augmenté par certains agents de l'environnement. C'est le cas des rayonnements ultraviolets (UV) qui entraînent des lésions de l'ADN et qui sont à l'origine de très nombreux cancers de la peau.

L'effet mutagène des UV peut être mis en évidence à l'occasion d'expériences sur la levure. C'est l'occasion de rappeler l'importance de la couche d'ozone dans l'absorption des UV et de faire la relation avec la partie Sciences de la Terre du programme.

Les conséquences de ces mutations pour l'organisme pluricellulaire et sa descendance sont variables. Suivant qu'elles affectent des cellules germinales ou des cellules somatiques, elles sont ou non transmissibles à la descendance. Elles peuvent conduire à une variabilité génétique non pathologique ou à des cancers, ou encore à des maladies héréditaires plus ou moins graves... On peut souligner ici le lien entre environnement et santé.

3-3. Parenté et diversité au niveau des organismes :
Dans cette dernière partie, la notion de l'unité du monde vivant est abordée au niveau des organismes.

Dans un premier temps, la comparaison de l'organisation anatomique de Vertébrés à partir de dissections permet de dégager la notion de plan d'organisation. Seules les grandes lignes du plan d'organisation sont dégagées : identification des axes de polarité, position relative des organes entre eux et par rapport à ces axes de polarité. Malgré la diversité des plans d'organisation spécifiques, on peut mettre en évidence un plan d'organisation commun aux Vertébrés.
L'étude des axes de polarité est importante car ce sont par rapport à ces axes, mis en place très tôt au cours du développement, que s'organise l'embryon puis l'organisme tout entier. En effet, le devenir de chaque cellule (division, mort, différentiation, migration) dépend non seulement de son patrimoine génétique (propre à l'organisme auquel elle appartient) mais aussi de sa position dans l'embryon. Cette information positionnelle résulte de l'intégration des signaux reçus des cellules voisines et va déboucher sur l'expression différentielle et partielle de son patrimoine génétique.

A partir d'un exemple, la mise en place progressive du plan d'organisation est suivie au cours du développement en partant de la cellule uf issue de la fécondation.
La constance des modalités de développement au sein de chaque espèce est la conséquence de la réalisation d'un programme génétique de développement spécifique.

La découverte des gènes impliqués dans les programmes de développement a révélé leur étonnante similitude chez des espèces différentes. Ainsi, les gènes homéotiques, qui gouvernent l'identité des différentes régions du corps de long de l'axe antéro-postérieur, initialement identifiés chez la drosophile sont également présents chez l'hydre et l'Homme ! Il ne s'agit pas de détailler ici la structure et le rôle des gènes homéotiques, mais de montrer, à travers l'étude de certaines de leurs caractéristiques, que des processus de développement apparemment très différents résultent de l'action de gènes très similaires. Leurs similitudes se retrouvent à divers niveaux :

• leur séquence (au niveau de la région appelée" homéodomaine")
• leur organisation chromosomique (gènes regroupés dans un même ordre sur un fragment de chromosome),
• leur activité séquentielle suivant un profil spatio-temporel bien défini.
• leur fonction : un gène Hox de la souris ou de l'Homme introduit dans la mouche par trangénèse peut remplacer la fonction du gène HOM équivalent de drosophile.

Le fait qu'un même système génétique intervienne, chez des animaux extrêmement différents, dans un processus de développement renforce la notion d'origine unique du monde vivant.
Cependant, il faut garder à l'esprit que l'action de ces gènes homéotiques conduit à des structures qui sont elles spécifiques de l'organisme en cours développement. Ceci suggère que ces gènes n'interviennent pas directement dans les processus de mise en place de ces structures mais qu'ils " indiquent " aux cellules à quelle région du corps elles appartiennent et contrôlent ainsi le type d'organe mis en place le long de l'axe antéro-postérieur.

EN CONCLUSION, l'ensemble de cette partie du programme permet de dégager l'unité du monde vivant à différentes échelles (cellule, molécule, organisme). Cela conduit à renforcer les notions d'évolution et d'origine commune de tous les êtres vivants.