Corrigé Svt terminale S

Sciences de la vie et de la terre Terminale S Corrigés des exercices Rédaction : Sylvie Bouton Michel Aguelon Marie-Laure Gueuné Yannick Gaudin Coordination : Yannick Gaudin

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Séquence 1 Sommaire Correction des exercices du chapitre 1 Correction des activités du chapitre 2 Correction des exercices du chapitre 2 Correction des activités du chapitre 3 Correction des exercices du chapitre 3 Correction des activités du chapitre 4 Correction des exercices du chapitre 4 Correction du devoir autocorrectif n° 1

Corrigés des exercices – Séquence 1 – SN02

3


C

orrection des exercices du chapitre 1

Exercice 1

Des outils pour connaître la structure interne de la Terre Savoir raisonner et s’informer Les tremblements de Terre sont à l’origine de la création d’ondes sis-

miques, enregistrées à l’aide de sismographes. Ces ondes sismiques sont des ondes élastiques. Elles se propagent dans toutes les directions. Le sismographe doit donc faire des enregistrements dans les trois

plans définissant l’espace : horizontalement N-S, E-O et verticalement. Sismogramme A enregistré à Hawaï, 6630 Km et B en Australie,

7870 Km. L S

P

Sismogramme A

L P S Sismogramme B

44 46 48 50 52 54 56 58 00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 21 h


5


Distance foyer-station en KM

Hawaii

(Camberra) Australie

6630

7870

Délai (min.) Vitesse (KM.s-1)

Délai (min.

Vitesse (KM.s-1)

Ondes P

11

10,045

13

10,089

Ondes S

19

5,81

22

5,96

Plus les stations d’enregistrement sont éloignées de l’épicentre, plus la vitesse de l’onde est importante. Il y a une augmentation de la vitesse avec la profondeur. La Terre n’est pas homogène.

Temps (Km)

24 Ondes L 20 16 Ondes P

12 8 4

O

Distance à l’épicentre (Km) 2000

4000

6000

8000

10000

12000

La célérité des ondes sismiques à une profondeur donnée dépend de la nature de la roche et des conditions physiques (pression et température) qui règnent à ces niveaux. L’augmentation progressive de la vitesse des ondes P dans le man-

teau indique une augmentation de densité du matériel à mesure qu’on s’enfonce dans ce manteau.

Exercice 2

Principes de propagation des ondes Raisonner Les ondes qui ont permis le calcul de ces vitesses sont les plus rapides

donc ce sont les ondes P L’analyse des enregistrements obtenus à la suite de tremblements

de terre permet de connaître la structure interne de la planète terre c’est à dire l’organisation des différents éléments la constituant. On aboutit ainsi à la constitution d’un modèle sismologique du globe caractérisé par l’existence de couches concentriques séparées les unes des autres par des discontinuités.

6



Principe de propagation des rais sismiques

Exercice 3

Un modèle sismologique de la Terre interne S’informer, réaliser un graphique et construire un modèle et 0

Vitesse des ondes sismiques (km.s-1) 5 10

0

15 0 km

1000 2000 3000 4000 5000 6000

- 6371 km

Profondeur (km)

Sur les 15 premiers kilomètres de la croûte, la vitesse de propagation

des ondes P est de 6 km.s-1 ce qui correspond à la vitesse de propagation des ondes dans les basaltes et gabbros. Le profil de la faille de Véma nous montre bien la présence de basaltes et gabbros « posés » sur de la péridotite. Or les vitesses de propagations plus profondes sont de 8 km.s-1, ce qui correspond à la vitesse de propagation des ondes dans de la péridotite.


7


Exercice 4

Comparaison de la croûte océanique et continentale Recenser, extraire et organiser des informations De 0 à 30 km la vitesse de 5,5 km.s-1 montre la présence de granites et gneiss. De 30 à 120 Km la vitesse de 8,5 Km.s-1 révèle la présence de péri-

dotite hydratée et en dessous le ralentissement de la vitesse indique la présence de péridotite déshydratée. Voir le schéma bilan àla fin du chapitre 1.

Exercice 5

L’origine de la lithosphère Recenser, extraire et organiser des informations

0

0

500

Température (°C) 1000

1500

2000

0

Géotherme de dorsale

Profondeur (km)

Géotherme de plaine abyssale Solidus

160

240

Domaine de fusion partielle des péridotites

5

Pression (Gpa)

2,5

80

7,5

Les profondeurs et pressions correspondantes à cette fusion sont 0,5 à 3 GPa et 20 à 90 km. Le taux de fusion partielle de la péridotite qui permet d’obtenir le

magma basaltique au niveau de la dorsale est de 15 %. En effet, la composition du basalte de la dorsale est la plus proche de la composition du magma obtenu par une fusion partielle de 15 %. Au niveau des dorsales ; sous l’effet de la baisse de la pression à

température constante, la fusion partielle des péridotites de l’asthénosphère entraîne la création d’un magma acide. Les cristaux qui se forment dans la chambre magmatique formeront les gabbros et le magma basaltique remontant vers la surface et se refroidissant ainsi rapidement formera le complexe filonien et la couche de basalte pré-

8



sente à la surface de la croûte océanique. Ainsi se crée la lithosphère océanique. Il reste sous les gabbros, la péridotite résiduelle appauvrie de ses éléments acides partis dans le magma : elle est extrêmement basique, elle formera le manteau de la lithosphère océanique.

Schéma bilan : l’origine de la lithosphère

Filons

Basaltes

Chambre magmatique

Gabbros

MOHO

Péridotites résiduelles

Manteau en fusion partielle 5 km


9


C

orrection des activités du chapitre 2 et :

Document 2

Altitude à la surface de la Terre -71 m 181 m 5591 m

-5479 m

La croûte au niveau de la Manche est de nature continentale. Les alti-

tudes sont négatives au-dessous du niveau de la mer. Les roches les plus représentatives de la croûte continentale sont :

des gneiss, des granites et des roches sédimentaires.

Activité 1

Des outils pour calculer la profondeur du Moho

Document 3

La profondeur du Moho sous les Alpes Les ondes sismiques émises au cours des séismes se propagent dans le globe. La propagation de ces ondes doit nous apporter des informations quant à la structure du globe. On étudie un séisme qui a eu lieu en Italie (région d’Asti) le 21.01.2007.

10


Corrigés des activités – Séquence 1 – SN02

Extraction des sismogrammes.

Les ondes P retardées n’ont pas fait le même trajet. Celui-ci a été plus

long. Celles arrivant donc après les ondes P ayant pris le chemin le plus court.


11


Calcul de la profondeur du Moho

Calculs : v =

d t

d = distance (km) t = temps (seconde)

Temps d’arrivée des ondes : P et la différence Tp-To s’affiche automatiquement (= 13.8 s) pointer autre (PmP) et le retard par rapport à P directe apparaît (= 8.6 s) pointer

Distance parcourue par P directe = 5.5 x13.8 = 75,9 km . Distance parcourue par PmP = 5.5x(13.8 + 8.6) = 123 km On a (FH)² = (FG)² + (GH)² Profondeur du Moho GH = (61.5²-37.9²)^ 1/2 = 48,3 km.

PMP

Activité 2

L’équilibre de la croûte continentale sur l’asthénosphère : l’isostasie Un modèle analogique

12


Niveau de l’eau


La partie émergée est très petite par rapport à la partie immergée. Il faut une racine crustale de 4 cm pour avoir une partie émergée d’un

centimètre. Un modèle numérique et :

Pour avoir une altitude de 8848m, il faut une racine crustale de 60138m de profondeur. Après érosion de 100m, il y a un rééquilibrement isostatique. C’està-dire que la croûte continentale remonte un peu, il n’y a donc pas réellement une perte de 100m d’altitude. Dès 68m il y a présence d’une racine crustale.

Activité 3

Composition de la croûte continentale et isostasie

Mesure de la masse de chaque échantillon Peser chaque échantillon à l’aide de la balance. Noter le résultat obtenu. Mesure du volume de chaque échantillon Verser de l’eau dans l’éprouvette jusqu’à une graduation repère ; Immerger l’échantillon dans l’eau de l’éprouvette ; Lire le niveau atteint par l’eau, une fois l’échantillon totalement immergé au cm3 près ; Sachant que le volume de l’échantillon correspondant au volume d’eau déplacé, calculer la densité de l’échantillon masse d= volume


13


La densité étant le rapport g/V en mL on peut calculer la densité de la

péridotite : 3/10=0,3 La croûte continentale, essentiellement composée de granite et de

gneiss, a une densité proche de 2,6. Celle-ci est plus faible que la densité de la croûte océanique (3) essentiellement constituée de basalte. Le manteau constitué de péridotite est donc le plus dense (3,3). Le verre gradué et la balance ne permettent pas des mesures précises.

Les éléments majeurs de la croûte océanique sont : l’oxygène, la silice, l’aluminium, le fer et le calcium. Les éléments majeurs de la croûte continentale sont : l’oxygène, la silice et l’aluminium. Le fer, très présent dans la croûte océanique est un élément très lourd. L’oxygène et la silice sont des éléments plus légers. Ils constituent à 80 % la croûte continentale et à 60 % la croûte océanique.

Activité 4

Datation de l’âge de la croûte continentale : Évolution de la quantité d’élément père P en fonction du temps o

Si l’on connait une valeur du rapport P/P0, on peut déterminer graphi-

quement le temps, donc l’âge géologique de la roche. On peut conclure que la proportion d’atomes radioactifs qui se désin-

tègrent par unité de temps est une constante pour un élément donné.

Activité 5

Datation de l’âge de la croûte continentale Application Au bout de 5820 années la moitié de la quantité initiale est restante.

Au bout de 11275 années, il en reste le quart.

14



Le temps de demi-vie correspond au moment où la moitié des noyaux

radioactifs d’une source se sont désintégrés. Temps de demi-vie

Élément 14C

5820 ans

40K

1,244GA

87Rb

-

238U

4,473GA 0,698GA

235U

Domaines d’application Datations d’objets peu anciens (peintures) ou ossements préhistoriques

Événements géologiques très anciens

L’axe des abscisses représente le rapport 87Rb/ 86Sr où 87Rb est

l’élément père et 86Sr est l’isotope de référence sur les grandeurs du système de coordonnées choisi. L’axe des ordonnées représente le rapport 87Sr/ 86Sr où 87Sr est l’élément fils. Les échantillons dont la teneur en 87Sr augmente le plus sont ceux

qui ont le plus de 87Rb au début. 87Sr sont issus de la désintégration de 87Rb. La disposition des points représentant les divers échantillons à un

instant t quelconque est toujours alignée sur une droite. Le rapport isotopique 87Srinitial / 86Srinitial est constant dans tous les minéraux d’une même roche, et la quantité d’isotope 86Sr (isotope stable) ne varie pas au cours du temps. S’il n’y a pas de 87Rb au départ, il n’y aura pas formation de 87Sr. Le

système reste toujours le même. La formule donnant le temps t (en années) en fonction de la pente A de ln( A + 1) la droite isochrone est : t = 1, 42.10−11 L’âge d’une roche dont la droite isochrone a une pente de 0,0143 est

de 0,9999.109 ans. En supprimant la dernière valeur, les conditions sont réunies. Les

points sont alignés sur une droite isochrone de pente : 0,0048 L’âge des roches donné par la méthode est de 339,67Ma. Cet âge

correspond à la date de mise en place de la roche.

Les roches de la croûte continentale sont âgées de plus 2500Ma à

200Ma alors que les roches de la croûte océanique vont de l’actuel à 180Ma. Dans les chaînes de montagnes, les roches sont les moins anciennes de la croûte continentale. La croûte océanique est plus âgée au niveau des côtes et est récente au centre des océans.


15


Activité 6

Comparaison de la croûte océanique et continentale Croûte continentale

Répartition à la surface de la planète

Le domaine de la croûte continentale ne se limite pas aux terres émergées. Il englobe également les plateaux et les talus continentaux sous-marins. Les bordures continentales qui se raccordent à la croûte océanique portent le nom de marges.

Épaisseur

Elle est de 20 à 80 km, avec une moyenne de 30 km.

Elle est d’environ 7 km en moyenne.

Elle présente une hétérogénéité verticale et horizontale. Des roches sédimentaires et volcaniques ne forment qu’un placage de quelques kilomètres d’épaisseur au maximum, reposant sur des roches essentiellement métamorphiques, telles que les gneiss, et roches magmatiques, comme des granitoïdes (terme désignant l’ensemble des granites et des roches apparentées), cristallisés en profondeur. L’érosion permet l’observation de ces dernières à l’affleurement.

Elle a une organisation verticale et horizontale homogène. Elle est constituée de plusieurs couches rocheuses de propriétés différentes : en surface, des sédiments plus ou moins consolidés, puis des roches volcaniques, basaltes en coussins (sur une épaisseur de 0,5 km) et basaltes en filons (sur une épaisseur de 1,5 km) et à la base des roches magmatiques de profondeur, des gabbros (sur une épaisseur de 5 km).

Les roches de type granite sont représentatives de la croûte continentale. Elles sont grenues, totalement cristallisées, ce qui indique un refroidissement lent. Chaque minéral cristallisé correspond à une espèce chimique précise.

Les basaltes sont des roches volcaniques effusives généralement de couleur foncée.

Organisation

Roches et minéraux : les roches sont des assemblages de minéraux.

16


Croûte océanique


L’ensemble des fonds océaniques jusqu’à la base des talus continentaux est donc tapissé de basaltes.

Les minéraux sont essentiellement : des

feldspaths (silicates) potassiques et des plagioclases (feldspaths calco-sodiques) riches en sodium,

du quartz c’est-à-dire de la silice

Ils sont constitués : de gros cristaux (appelés macro-

cristaux ou phénocristaux), surtout des pyroxènes et des péridots (comme l’olivine), qui sont des silicates généralement riches en fer et magnésium, de

(SiO2). d’autres

minéraux, dits accessoires, sont souvent présents, tels que les micas et les amphiboles.

cristaux de petite taille ou microlites, essentiellement des feldspaths plagioclases riches en calcium,

une

pâte amorphe où aucune organisation géométrique n’est observable.

Les gabbros sont des roches grenues, totalement cristallisées, mais ils ont la même composition minéralogique que les basaltes. Éléments chimiques

Elle est riche en silicium (Si), en aluminium (Al), en potassium (K) et en sodium (Na).

Elle est plus pauvre en silicium (Si) et plus riche en fer (Fe), magnésium (Mg) et calcium (Ca).


17


C Exercice 1

orrection des exercices du chapitre 2 Nature géologique de la Manche Terres émergées Post Crétacé sup. Lille MANCHE

Plateau continental

Crétacé sup. Crétacé inf. Reims

Caen

Paris

Jurassique sup.

Terres émergées

Jurassique inf. Rennes Socle anté-triasique

Les roches sont de nature continentale.

Exercice 2

Calcul de la profondeur du Moho Foyer

d

Station

h

x

MOHO

Schéma des ondes directes et réfléchies obtenues par Mohorovicic Le théorème de Pythagore donne

d  d’où h = x −    2

2

2

d  2 2  2  + h = x

2

En domaine continental, la vitesse des ondes est v=d/t1 donc v=100/18,1=5,52km.s-1.

18



v . t

2 Par ailleurs, v=2x/t2 donc x = 2 x=5,52.21/2=58 km.

On a donc h = (58, 02)2 – (100 / 2)2 = 29, 4 km. En domaine océanique, la vitesse des ondes est v=d/t1 v=80/13,6=5,88 km.s-1. Par ailleurs, v=2x/t2 donc x = v . t2/2 x=5,88.14,4/2= 42,3 km. On a donc h = ( 42, 3)2.(80 / 2)2 = 13, 7 km. La croûte océanique est beaucoup moins épaisse que la croûte

continentale.

Exercice 3

La profondeur du Moho sous l’Himalaya

x

2

2

d  2 2 2 d   2  + h = x d’où h = x −  2  En domaine continental, la vitesse des ondes est v=d/t t1=150/27,1=5,53 km.s-1. Par ailleurs, v=2x/t2 donc x=vt2/2, x=5,53 x 37,1/2=102,7 km. On a donc h= (102, 7)2 − (150/2)2 = 70,1 km.

Pythagore donne

Habituellement, au niveau des croûtes continentales, l’épaisseur

moyenne est de 30 km. Ici, on constate que l’épaisseur est très supérieure. Peut-être est-ce dû à la collision de deux masses continentales, qui est responsable de la surrection de l’Himalaya.

Exercice 4

Formation d’un bassin sédimentaire

le bassin est comble si S est tel que d = 0.Smax = D

Smax = 14,4 km.

 ρe − ρm   ρs .ρm 


19


Exercice 5

Glace et isostasie a = 5000-p

5000x0,91=px3,3 soit a = 5000-(5000x0,91/ 3,3)–3620 m Le déficit de masse entraîne une remontée isostatique jusqu’à l’équi-

libre mais il y a un retard à l’isostasie car la fonte des glaces est plus rapide que le réajustement isostatique.

Exercice 6

Collision et isostasie Soit Ei l’épaisseur initiale de la croûte continentale (donc Ei = 30 km),

r l’épaisseur de la racine crustale et h l’altitude du relief formé (donc hauteur de la montagne), p la densité de la croûte continentale (2,7) et d celle du manteau (3,2), Ef l’épaisseur finale de la croûte (donc Ef = 60 km). On sait qu’à l’équilibre isostasique, il y a équilibre des masses sur différentes verticales tel que : px( Ei + h + r ) = px( Ei ) + d (r ). Comme Ef - Ei = r + h ce qui fait : h= Ef – Ei - r Alors px( Ef ) = px( Ei ) + d (r ). r= px( Ef –Ei)/d r=2,7(60 -30)/3,2=25,31 km h= Ef – Ei – r donc h=60 -30 - 25,31

h= 4,68 km

Exercice 7

Détermination de l’âge d’une roche magmatique à l’aide du couple Rubidium-Strontium (Rb/Sr) L’âge d’une roche dont la droite isochrone a une pente de 0,0143 est

de 0,9989GA La pente étant de 0,005 on obtient un âge de 354,41Ma

La pente est obtenue en prenant les rapports 87Rb/86SR et 87SR/86SR dans 2 échantillons. 87SR / 86SR  échantillon A– 87SR / 86SR  échanttillon B Exemple :  87Rb / 86SR  échantillon A– 87SR / 86SR  échantillon B 0, 8622 − 0, 7726 = 31, 50 − 13, 54

20



C

orrection des activités du chapitre 3 Pour débuter

Les altitudes culminantes des Alpes sont aux alentours de 4810m.

Activité 1

Les indices sur le terrain : les indices tectoniques et :

Plaine Montagne

Axes des synclinaux : vallées

Plaine Axes des anticlinaux : sommets


21


Coupe simplifiée selon A-B. Oligocène inférieur Éocène-Sénonien A

Urgonien Hauterivien-Valanginien B

Berriasien 5 km

A

B

La structure géologique témoignant de l’épaississement est un pli. Les strates les plus anciennes (Berriasien) se situant à l’intérieur de la courbure, il s’agit d’un anticlinal.

Activité 2

Les indices pétrographiques L’association glaucophane –jadéite est stable dans des conditions de

pression et température définies (de 100 à 300°C et de 0,6 à 1,2 GPa). Si cette roche est portée à une profondeur différente donc soumise à des conditions de pression et température différentes, alors des réactions chimiques entre les minéraux formant la roche se produiront donnant naissance à de nouveaux minéraux. C’est le métamorphisme. Une roche peut être portée à une profondeur différente lors d’une

subduction mais également en cas d’épaississement de la croûte par empilement par exemple.

Activité 3

Étude des déformations profondes de la lithosphère dans les Alpes et Profil sismique ECORS Croûte continentale

manteau lithosphérique Asthénosphère

Racine centrale

On observe des failles inverses, des plis, des chevauchements dans

les formations sédimentaires. La racine centrale est formée d’écaille de croûte compilées. Ces structures témoignent d’un épaississement et d’un raccourcissement de la croûte.

22



Le granite du massif de Belledone recoupe tous les terrains environ-

nants comme un emporte pièce. C’est un granite intrusif. Il a été formé par fusion partielle de la croûte continentale lors d’une décompression de la chaîne de montagne. A la base de la racine, le flux géothermique est plus élevé: si la décompression des roches due à la remontée de la racine est suffisamment rapide cela entraîne une fusion partielle à l’origine de la formation des granites intrusifs. Chevauchements et charriages de nappes

Collision

Collision

Croûte continentale

Manteau

Croûte océanique

Isotherme 800°C

Érosion des reliefs

Le granite est intru-

sif et présente une auréole de métamorphisme dans les terrains en contact. Il est donc postérieur à ces terrains.

Mise en place des granites

Fusion crustale et mantellique Rééquilibration isostatique Croûte continentale

Croûte océanique

Manteau

Granite

Isotherme 800°C

Les terrains sont plissés et présentent un métamorphisme en plus de l’auréole mais le granite ne présente pas de métamorphisme. Il est donc postérieur à la phase de plissement.

Les terrains au contact du granite sont plus anciens que les terrains un peu plus loin. Le granite est remonté au niveau d’un anticlinal. Ensuite, il y a eu érosion. C’est le scénario B


23


Schéma bilan

Nappe de charriage

Croûte continentale

Pli Faille

Granite issu de fusion partielle

5 km

MOHO

Roches sédimentaires Granite et roches métamorphiques (gneiss...)

24



Péridotite

C


Exercice 1

Principe de datation relative

L’histoire géologique de la formation 1 :

L’histoire géologique de la formation 2 :

Sédimentation

Sédimentation

Granite

Compression/

Sédimentation

Granite

Distension/

Érosion

faille

Sédimentation

Exercice 2

plis

Sédimentation

De la coupe à la carte et vice versa B

A

B

A

C

C

D

D


25


E

F

E

F

G G

H

H

Exercice 3 Faille inverse

Chevauchement

Profondeur (km)

W-NW Aravis Bormes Belledonne

Grand Paradis Sesia

Plaine du Pô

E-SE Apennins

Pli 50

Epaississement

100

150 100

Distance (km)

200

300

Dans les Alpes actuelles, on observe en surface : des failles inverses (= déformations cassantes se mettant en place lors

d’une compression et entraînant un raccourcissement horizontal et un épaississement des terrains affectés par la faille). des

plis (= déformations ductiles des couches géologiques).

des chevauchements (= recouvrement d’un terrain par un autre terrain).

26



des

charriages (= chevauchements de grande ampleur. La nappe de charriage est l’ensemble des terrains déplacés venu recouvrir un terrain initialement éloigné du précédent).

Exercice 4

Les géothermomètres et géobaromètres de la chaîne de l’Himalaya Pression (kB)

20

Zone à disthène + grenat 15

e èn te h t i Dis man i l Sil 10

Zone à sillimanite + disthène 5

Sillim anite Anda lous ite

0 600

Grenat Cordiérite

Zone à cordiérite + sillimanite

700

800

900

1000 Température (°C)

Globalement les conditions P et T révélées par ce secteur de la chaîne

Himalayenne sont de haute pression et basse température.

Exercice 5

Évolution tectonique de la Sainte-Baume (Provence) L’évolution tectonique comporte 4 étapes principales : une première phase de plissement à la limite Crétacé inférieur/Crétacé

supérieur ; deuxième phase de plissement post-Crétacé supérieur ; la mise en place d’unités charriées ; une déformation cassante postérieure au charriage. une

Exercice 6

Analyse comparée de 3 échantillons de roches Il convient de faire une analyse comparée. Dans les deux échantillons

on observe :


27


uniquement des cristaux visibles à l’œil nu (pas de matrice ou de pâte).

Ces deux roches sont entièrement cristallisées et sont donc des roches plutoniques (cristallisées en profondeur). des

minéraux clairs abondants et de grande taille, de petits minéraux sombres. Il est possible de les identifier : les minéraux blancs de grande taille sont des feldspaths ; les minéraux gris correspondent à du quartz. Quant aux minéraux sombres, plusieurs hypothèses peuvent être proposées : pyroxène, amphibole ou biotite. Leur forme n’est pas parfaitement géométrique (à cette échelle d’observation) mais elle apparaît néanmoins en tablettes (vues de face en X et de profil en Y) et, comme quartz et feldspath (alcalin) sont abondants, on peut conclure à de la biotite, minéral sombre des roches riches en silice (présence du quartz).

Mais l’agencement des minéraux diffère entre les deux échantillons. Aucune structure particulière n’est observable dans l’échantillon X ce qui permet de qualifier de grenue sa pétrofabrique. Cette roche peut être un granite. Au contraire, dans l’échantillon Y, on note la présence de lits, bien soulignés par l’alignement des minéraux sombres ou gris. Ce qui fait penser à une schistosité. La structure foliée et la composition minéralogique de Y permettent de placer cet échantillon dans les roches métamorphiques. Il s’agit d’un gneiss. L’échantillon Z présente une structuration sous la forme de plans.

Il semble être un gneiss un peu plus métamorphisé que l’échantillon Y. Nous pouvons relier ces roches selon l’hypothèse : une roche mag-

matique plutonique (X) donnera une roche métamorphique (Y) et (Z). Ceci peut être dû à une augmentation de pression par enfouissement lors d’une collision.

Exercice 7

Détermination d’un processus tectonique à partir de l’analyse d’une lame mince Le gabbro est une roche essentiellement constituée de pyroxènes et de feldspaths. L’échantillon montre la présence de pyroxène et quartz en majorité avec quelques grenats et une auréole réactive d’amphibole autour des grenats. On peut donc écrire la réaction suivante : Pyroxène + feldspath = Pyroxène + quartz + grenat Si on replace cette réaction sur un diagramme température/ pression, on peut voir que ce type de métamorphisme est caractéristique d’une zone de haute pression et basse température. Le phénomène tectonique peut donc être une collision entraînant l’empilement de croûte donc l’enfouissement de la roche mère lors de la formation des montagnes.

28



C

orrection des activités du chapitre 4 Pour débuter Le massif armoricain est le plus ancien massif en France. Il culmine à

400m d’altitude alors que les Alpes culminent à 4810m et font partie de la chaîne la plus récente. Plus les chaînes de montagnes sont anciennes moins leur reliefs sont élevés.

Cours Activité 1 Documents 3 et 4

Des données de terrain Sur le document 3, on peut observer de nombreuses failles ainsi que des plis. Ce sont des marqueurs tectoniques de la formation d’une montagne. Ces plis se retrouvent aussi à l’échelle de l’affleurement. Le long de la Rance, on observe des faciès contenant des roches métamorphiques à l’affleurement. Du Sud vers le Nord, on peut voir la présence de roche de plus en plus déformées. Les minéraux rencontrés sont : la chlorite/ muscovite/ biotite puis la chlorite et la biotite sont remplacées par la cordiérite. La cordiérite et la muscovite laissent ensuite place à la sillimanite. A l’embouchure de la Rance, le métamorphisme est tellement important que les roches entrent en fusion partielle (anatexie).

Document 5

Les roches rencontrées sont des roches présentant à l’œil nu un aspect plissé et en alternance de bandes sombres et claires. Ces roches présentent une fusion partielle.

Document 6

Ces faciès montrent un gradient croissant de métamorphisme du Sud vers le Nord, témoin de zone soumises à de fortes températures, haute pression témoignage pétrologique de l’enfouissement des matériaux lors de la formation des montagnes.

Activité 2

L’effacement des reliefs Les montagnes en arrière plan sont hautes et acérées. Celles en avant

plan sont moins hautes et arrondies, elles ont été érodées. Dans ces montagnes on trouve des traces de ruissellement, des vallées glaciaires ou fluviales pouvant expliquer les phénomènes d’érosion des montagnes.


29


On peut observer les bords s’effondrer et le tas de terre prendre la

forme caractéristique des montagnes réelles. Le matériel ruisselle le long des pentes. La couche d’argile imperméable protège la couche de terre inférieure. L’érosion ne touche que la couche de terre du dessus. Le granite sain a une surface presque lisse, sans cristaux proémi-

nents. Les cristaux sont fortement engrenés les uns dans les autres. On peut reconnaître des micas noirs, des feldspaths (clair et brillant) et du quartz (translucide, de forme irrégulière). Le granite altéré a une surface rugueuse et de couleur brune. Les grains perdent leur cohérence après désagrégation des biotites par l’eau. Les minéraux plus résistants apparaissent en relief et le granite devient friable. La teinte brune est due à la libération d’oxyde de fer au cours de l’altération de la biotite. L’arène granitique est constituée de peu de micas qui ont été altérés, des feldspaths plus ou moins altérés et des quartzs non altérés. Il y a aussi une poudre argileuse résultat de l’altération chimique des feldspaths et des micas. En circulant dans les fissures du massif granitique, l’eau de pluie

chargée de CO2 provoque une hydrolyse minérale et découpe ainsi le massif en blocs anguleux entourés par un matériau grossier fait de quartz, de feldspaths, micas altérés, et d’argiles : l’arène granitique. Les argiles résultent principalement de la transformation des feldspaths plagioclases et des biotites. Schéma fonctionnel expliquant la formation d’un chaos granitique.

Massif granitique fissuré

Massif granitique présentant des blocs anguleux

Massif granitique présentant des blocs arrondis

Granite

Arène granitique

Les pressions tectoniques les ont fait éclater selon des plans de cli-

vage d’orientations multiples, qui se recoupent. Ainsi la roche est-elle «prédécoupée» en prismes, relativement faciles à désassembler.

Activité 3

Quantifier l’érosion d’un massif actuel À la Roubine, la pente des terrains est élevée et les sols n’ont pas de

couvert végétal. La quantité de produit érodé est de 5mm et le taux de production de sédiments est de 8848 t .an -1.

30



A Laval, la pente est plus douce et les sols sont nus. L’érosion est tout aussi importante mais la production de sédiments n’est que de 29,8 t. an -1. Par contre, au Brusquet, où la pente est identique à celle de Laval, mais où les terrains ont un couvert végétal important ; l’érosion et la production de sédiments ronds est peu importante. Lorsqu’il y a eu érosion, selon le principe de l’isostasie, il y a eu un rééquilibrage des masses entrainant une remontée de la croûte continentale donc nouvelle augmentation de l’altitude des reliefs et une diminution de la racine crustale. Les phénomènes d’isostasie participent donc aussi à la disparition des reliefs.

Activité 4

Le devenir des produits de démantèlement Affleurement de grès rose de Fréhel

Strate

Le grès est formé d’une accumulation de grains de quartz : c’est une

roche sédimentaire. Ce quartz peut être issu de l’altération de granite. Les résidus issus de l’arénisation ont été transportés puis déposés au niveau du lieu de formation de ces grès. Le temps géologique nécessaire pour former une strate d’un mètre

d’épaisseur est : Il faut 1,25 mètre pour fabriquer 1 m de grès. Sachant qu’on estime qu’actuellement il se dépose environ 20 µm (ou 20.10-6 m) de sédiment sableux par mois au fond de la mer, il faut donc : 1,25/20.10-6=62500 mois donc 5208 ans. Au

Cap Fréhel, la falaise de grès rose dépasse les 70 m, il a fallu 36458 ans.


31


Détail de l’affleurement, stratification entrecroisée

1 cm

Cette organisation ressemble à la stratification observée dans les sables d’une plage. On peut donc penser que : Les grains de quartz se sont accumulés en milieu marin, par strates horizontales. L’environnement marin à l’époque du dépôt des grès de Fréhel correspondait vraisemblablement à ce que l’on connaît aujourd’hui au niveau du Mt St Michel où de vastes étendues sableuses irrégulières sont modelées par des dunes ou des rides de sable. Des chenaux de marées, comblés à la faveur des flux et des reflux recoupent l’ensemble des formations.

Activité 5

Le transport des matériaux de démantèlement % de refus cumulés et de tamisats cumulés.

32


Tamis (mm)

Refus cumulés (g)

Refus cumulés en %

Tamisats cumulés (%)

5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,160 0,08 Granulat filtré

39 21,5 650 1380 1800 1910 1980 1999

1,95 10,75 32,5 69 90 95,5 99,25 100

98,05 89,25 67,5 31 10 4,5 0,75 0


Le mode de transport de ces graviers peut être un courant de débit

élevé.

Activité 6

Une roche sédimentaire particulière, le bassin molassique périAlpin Les molasses sont souvent des grès à ciment de calcaire argileux. Les

molasses plus proximales présentent des galets, formant ainsi des conglomérats. Ce sont donc des roches sédimentaires. Les éléments présents dans les molasses sont de toutes les tailles :

galets, graviers et argiles. Ils ne sont pas classés (pas de granulo-classement). On peut penser que ce sont des torrents de très forts débits qui ont charrié ces blocs ou bien que ce sont des éboulements de pente. Les molasses sont des formations de roches sédimentaires détritiques

syn-orogéniques, qui s’accumulent dans des bassins périphériques d’une chaîne de montagnes. Les molasses sont fréquemment accumulées dans des bassins flexuraux (créés par la flexure de la lithosphère sous le poids de la chaîne de montagne en cours de formation.) Les molasses sont des sédiments marins peu profonds (littoraux) ou continentaux


33


C Exercice 1

orrection des exercices du chapitre 4 Observation d’un paysage breton On observe des strates de grès (roches sédimentaires). Le principe de

continuité latérale : Une même couche sédimentaire est de même âge en tous ses points permet de dire que chaque strate est de même âge sur toute sa longueur. Le principe de superposition : De deux couches superposées, la plus basse est la plus ancienne permet d’indiquer que les strates les plus superficielles se sont déposées après les plus profondes. Le principe de recoupement : un corps rocheux qui en recoupe un autre est nécessairement plus jeune que celui qu’il recoupe. Les filons de dolérites sont donc postérieurs au banc de grès. Puis ces filons ont été altérés. On a donc eu : dépôt/ (basculement) / remontée de filons/ érosion

Filon de dolérite dolérite

1

matériau issu de l’altération

2

3 et 4

(1) Situation avant l’altération. Le filon de dolérite, avec son réseau de diaclases, à quelques mètres ou dizaines de mètres sous la surface. (2) L’eau de pluie, en circulant dans les fissures du filon de dolérite, provoque une hydrolyse et attaque les minéraux qui constituent la roche. Les blocs se dégradent progressivement en partant de la périphérie, seul reste le cœur solide. On parle d’une érosion en pelure d’oignon. (3) et (4) Après érosion, avec le départ du couvert végétal et des produits issus de l’altération, il reste sur place des boules de doléite dont la surface se desquame en pelure d’oignon après altération périphérique du granite.

34



Exercice 2

La formation des sols et :

Diaclases

L’eau de pluie et les diaclases favorisent et permettent l’érosion. L’arène granitique accélère le phénomène. L’érosion d’un granite aboutit à une arène granitique constituée de

peu de micas qui ont été altérés, des feldspaths plus ou moins altérés et des quartzs non altérés. Il y a aussi une poudre argileuse résultat de l’altération chimique des feldspaths et des micas. Après transport de ces éléments, ils seront sédimentés puis soudés par un ciment d’argile ou de calcaire. Les éléments susceptibles d’être modifiés par l’eau sont le ciment et les restes de micas et feldpaths.

Exercice 3

Les dunes de Normandie Les sédiments présents à l’Est de l’embouchure de l’Orne sont des

produits de l’érosion d’un massif de l’arrière pays. Ces sédiments sont emportés par les eaux de ruissellement dans les cours d’eau qui se jettent dans l’Orne. Arrivé à son embouchure, le débit du fleuve diminue et les sédiments sont déposés. Cet amas de sable est ensuite déplacé par les courants marins.


35


Les roches affleurant de cette région qui pourraient être à l’origine des

sables sont des roches riches en quartz : les granites et les grès.

Exercice 4

Les sables de Fontainebleau Le sable de Fontainebleau est un sable fin, blanc de très grande pureté (97 à 99 % de quartz). Ces sables s’étendent de Nemours à Etampes et Dourdan sur près de 50 km. On cherche à connaître l’origine de ces sables. Le sable de Fontainebleau, très riche en quartz, est une roche sédimentaire issue de l’érosion d’une roche elle aussi riche en quartz. On peut émettre l’hypothèse que ce sable provient de l’érosion d’une chaîne de montagne lors de sa formation.

Document 1

La localisation de ces sables peut faire penser que ces sables sont issus de l’érosion du massif armoricain ou du massif central. Ces deux massifs sont constitués en partie de granite, roche riche en quartz qui peut être à l’origine de la formation des sables. Mais comment ces sables issus de l’érosion du massif armoricain ou du massif central sont-ils arrivés dans le bassin parisien ? L’hypothèse la plus simple est de penser que ces sables ont été transportés par l’eau.

Document 2

À l’époque de l’orogénèse hercynienne, au moment de la formation du massif central, coulait un fleuve en direction du bassin parisien et qui se jetait dans la mer qui s’y trouvait. Le sable transporté par ce fleuve s’accumulait au niveau des rivages lorsque le débit du fleuve diminuait en arrivant à son embouchure. Le sable de Fontainebleau est donc un produit d’érosion des granites du massif central à l’époque de la formation de celui-ci. Ces sables ont été transportés par un fleuve présent à cet époque.

36



C

orrection du devoir autocorrectif n° 1

Partie 1

Histoire de la chaîne alpine Les chaînes de collisions résultent de la convergence des plaques lithosphériques qui amènent en contact deux croûtes continentales. Problème : comment évolue la lithosphère lorsque la convergence aboutit à la rencontre de deux lithosphères continentales ? Par l’examen successif des marqueurs morphologiques et structuraux puis tectoniques, nous montrerons ici l’épaississement et le raccourcissement qui président à la formation d’une chaîne de montagnes.

1. Les indices d’un épaississement : une topographie particulière Topographie = figuration des formes du terrain sur une carte. Dans les Alpes, l’épaississement de la croûte est mis en évidence par : Des reliefs élevés (Mont Blanc à 4807 m) : marqueurs morphologiques

omniprésents dans les Alpes. Une

racine c’est-à-dire un épaississement de la croûte continentale, le Moho pouvant descendre jusqu’à 70 à 80 km de profondeur. La connaissance de ces marqueurs structuraux découle de l’observation et de l’analyse de profils sismiques.

2. Les marqueurs tectoniques d’un raccourcissement Des

plis : Il s’agit de marqueurs tectoniques prouvant un raccourcissement qui s’effectue de façon continue.

Des

failles inverses : Ces autres marqueurs tectoniques prouvent un raccourcissement discontinu. Les failles inverses provoquent un raccourcissement, contrairement aux failles normales témoins d’une extension.

Des

charriages : Nappe de charriage = ensemble de terrains qui a été déplacé (allochtone) et est venu recouvrir un autre ensemble (autochtone) dont il était éloigné à l’origine.

Chevauchement

: Superposition verticale de deux ensembles de terrains dont la succession n’est pas normale. La superposition de ces écailles entraîne l’épaississement de la croûte.

Corrigé du devoir autocorrectif – SN02

37


L’analyse de l’ensemble des marqueurs permet de démontrer que des chaînes de collision résultent d’un raccourcissement de la lithosphère continentale à l’origine de structures tectoniques caractéristiques : plis, failles inverses, charriages et chevauchement. Ce raccourcissement contribue à l’épaississement de la lithosphère continentale et à la formation d’une racine crustale.

Partie 2

QCM 1-b : L’élément père se désintègre en élément fils. 2-a : C’est le principe de la décroissance radioactive. Cette quantité initiale d’élément père décroît en fonction de sa constante de radioactivité. 3-a 4-b : Un système ouvert signifie un système où des échanges se déroulent avec l’extérieur. Dès que ce système se ferme, les échanges avec l’extérieur cessent. C’est le moment de la fermeture du système que l’on peut dater. 5-a : Un minéral totalement cristallisé lorsque le magma s’est refroidi n’effectue plus aucun échange avec l’extérieur. 6-c : Pour cela il faut mesurer les quantités actuelles de ces éléments en rapport avec le Sr86 qui est isotope stable, dans plusieurs minéraux. 7-b : Plus la roche est ancienne, plus la pente de l’isochrone est forte. 8-b : Plus la pente est faible, plus la roche est récente.

Partie 3 Documents 2a et 2b

La mesure du temps dans l’histoire de la Terre et de la vie Les calcaires contiennent des ammonites du Jurassique. Les roches A contiennent des trilobites du Cambrien. Application du principe d’identité paléontologique : Les calcaires se sont formés entre -200 et -145 millions d’années. Les roches A se sont mises en place entre -570 et -510 millions d’années.

Document 1

On constate que les dolomies et les calcaires recouvrent le granite et les roches A .Les calcaires sont au-dessus des dolomies érodées. Application du principe de superposition : Les calcaires se sont déposés après les dolomies. L’application du principe de superposition place après les roches A, les dolomies et les calcaires. (La définition des principes de superposition et de recoupement n’est pas attendue).

38



Document 3

Détermination de l’âge du granite grâce à la méthode des isochrones : a = )x/)y Avec le couple ( 0,8; 25 ) du mica blanc et le couple (0,9 ; 50) du mica noir : a=

0, 9 – 0, 8 1 = 50 − 25 250

Les autres couples donnent la même valeur de a a= 4.10–3 soit 0,004 t = 281 millions d’années, le granite s’est donc mis en place après la roche A Mise en relation et synthèse : 1er

événement : mise en place des roches A(-570 à -510 millions d’années)

2e

événement : mise en place du granite dans les roches A (-281 millions d’années)

3e

événement : dépôt des dolomies et des calcaires (dépôt des calcaires entre -200 et -145 millions d’années)

4e

événement : mise en place de la faille


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Séquence 2 Sommaire Correction des exercices du chapitre 1 Correction des activités du chapitre 2 Correction des activités du chapitre 3 Correction des exercices


41


C Exercice 1

orrection des exercices du chapitre 1 Lithosphère continentale et lithosphère océanique Principales caractéristiques de la lithosphère continentale et de la

lithosphère océanique. Lithosphère continentale : a, c, e, f, i. Lithosphère océanique : a, b, d, f, g, h. 1. L’expansion des fonds océaniques

a) La proposition est correcte. La lithosphère océanique nouvellement mise en place au niveau de la dorsale « repousse » le plancher océanique plus ancien de part et d’autre. Par conséquent, plus on s’éloigne de la dorsale plus les basaltes qui constituent la partie superficielle du plancher océanique sont anciens. b) La proposition est incorrecte. Au niveau d’une dorsale la croûte océanique est en formation ; la lithosphère océanique constituée de la croûte et de la partie supérieure du manteau supérieur (l’asthénosphère) est peu épaisse, elle s’épaissira en s’éloignant de la dorsale en refroidissant. c) La proposition est correcte. Au niveau des dorsales, les roches, basaltes et gabbros, de la croûte océanique se mettent en place en raison d’une activité magmatique provoquée par la fusion partielle de l’asthénosphère du fait de la montée de cette dernière par convection. Associées aux péridotites du manteau supérieur, elles constituent la lithosphère océanique. d) La proposition est incorrecte. Les sédiments les plus récents se déposent sur la nouvelle lithosphère océanique créée au niveau des dorsales. Lorsqu’on s’éloigne de la dorsale, l’épaisseur des sédiments augmente et les sédiments au contact des basaltes sont de plus en plus anciens. 2. Les fonds océaniques a) On peut considérer que cette proposition est correcte, car une grande partie des fonds océaniques présentent des basaltes en pillow lavas qui constituent les roches les plus superficielles de la croûte océanique. b) La proposition est incorrecte. Les fonds océaniques commencent à la suite du plateau et du talus continental qui font partie de la lithosphère continentale.


43


c) La proposition est incorrecte. Les fonds océaniques ne contiennent pas de quartz et sont donc pauvres en silice, car ils sont constitués de basalte (et gabbros). d) La proposition est correcte. Ces basaltes comme d’ailleurs les gabbros, situés plus en profondeur dans la croûte présentent la même chimie : ils sont riches en Pyroxène, minéral ferromagnésien contenant les éléments Si, O, Mg, Fe et Ca. e) La proposition est correcte.

Exercice 2

Les mouvements des plaques lithosphériques : utilisation de données GPS Il s’agit de montrer en utilisant le logiciel Tectoglob que les plaques Pacifique et Nazca divergent les plaques Nazca et Sud-américaine convergent. Les plaques Pacifique et Nazca divergent alors que les plaques Nazca et Sud-américaine convergent.

Les tirets représentent des zones de dorsales. Le déplacement relatif des plaques est mesuré en temps réel à l’aide de satellites. Les vecteurs GPS (Global Positionning System = Système de Positionnement par Satellite) indique à la fois la direction du déplacement et l’intensité du mouvement. On constate que, de part et d’autre de la dorsale Est Pacifique, la plaque Pacifique se déplace vers le Nord Ouest à une vitesse d’environ 9 cm.an-1 alors que la plaque Nazca se déplace vers l’Est à une vitesse de 7 cm.an-1. Ces deux plaques divergent. La plaque Nazca se déplace vers l’Est à une vitesse de 7 cm.an-1 alors la plaque Sud-américaine se déplace plutôt vers le Nord Est à une vitesse moyenne de 3 cm.an-1. Le mouvement relatif entre les deux plaques est par conséquent un mouvement de convergence au niveau de leurs frontières matérialisées par la fosse océanique, puisque la plaque Nazca va plus vite que la plaque Sud-américaine.

44



Exercice 3

Le modèle de la tectonique des plaques Le modèle de la tectonique des plaques : les différents types de frontières de plaques. FRONTIÈRE DE CONVERGENCE ZONE DE SUBDUCTION Séismes Volcans superficiels à profonds

Chaîne de montagne ou arc insulaire

FRONTIÈRE DE COULISSAGE FAILLES TRANSFORMANTES Fosse océanique

Séismes

D

E

A, B, C, D, E = plaques lithosphériques - peu déformables sauf au niveau de leurs frontières - d'épaisseur variable

Lithosphère C

B

A

Asthénosphère

FRONTIÈRE DE DIVERGENCE : DORSALES - Reliefs symétriques - Séismes superficiels

Exercice 4 Introduction :

L’expansion océanique : l’étude des anomalies magnétiques Les plaques lithosphériques auxquelles appartiennent des continents tels que l’Afrique et l’Amérique du Nord sont animées de mouvements relatifs de divergence, convergence et coulissage. Il s’agit de justifier la reconstitution proposée dans le document 6 de la position des continents il y a 148 Ma. Conditions de l’observation, de l’expérience = ce que les chercheurs ont fait. Document 6 Il s’agit d’une reconstitution de la position des continents Afrique et Amérique du Nord, il y a –148 Ma

Les résultats observés

Les déductions

L’Amérique du Nord et l’Afrique sont très proches. Le plancher océanique de l’océan Atlantique correspond à la zone située entre les limites des deux plateaux continentaux.

On peut supposer qu’il s’est formé à partir du fonctionnement de la dorsale figurée en noir sur le document.


45


Conclusion :

Document 5

On constate que :

On a enregistré et daté au niveau des basaltes du plancher océanique, les anomalies magnétiques de l’océan Atlantique central actuellement. Ces dernières sont dues au champ magnétique « fossilisé » par les basaltes au moment de leur formation au niveau de la dorsale.

les

anomalies magnétiques les plus anciennes (148 Ma) se situent près de la limite du plateau continental ;

elles

sont de plus presque symétriques par rapport à la dorsale, zone de création de plancher océanique ;

elles

sont segmentées comme la dorsale par des failles transformantes dont la présence est repérable grâce aux décalages observables.

Le fonctionnement de la dorsale médio atlantique est donc sensiblement symétrique : il y a formation de plancher océanique à l’axe de la dorsale « fossilisant » le champ magnétique, puis les basaltes anciens sont repoussés de part et d’autre de la dorsale . La dorsale est par conséquent une zone de divergence et il y a eu expansion du plancher de l’océan Atlantique depuis au moins 148 Ma, âge de l’anomalie magnétique la plus ancienne enregistrée.

La reconstitution proposée dans le document 6 supprime tout le plancher océanique qui s’est formé de façon symétrique de part et d’autre de la dorsale depuis –148 Ma (document 5). Elle figure le commencement du fonctionnement de la dorsale médio atlantique.

Temps (Ma)

Dorsale Croûte océanique en formation

Amérique du Nord

Afrique

Actuel M22 M0

33

24

13 13

24

33

M0 M22 Document 5

- 76 M22 M0

33

33

future Amérique du Nord

M0 M22

future Afrique

- 148 M22

46



M22

Document 6

Exercice 5

La création de lithosphère océanique au niveau des zones de dorsales Titre du document 7 : Modèle de la création de la lithosphère océanique

au niveau d’une dorsale océanique Basalte en coussins

5

Gabbro

7

Divergence

14

Fusion partielle

2

Croûte océanique

10

Moho (discontinuité de Mohorovicic)

13

Lithosphère océanique

11

Asthénosphère

12

Péridotites asthénosphériques

9

Chambre magmatique

3

Montée par convection de l’asthénosphère

1

Magma à composition basaltique avec des cristaux en formation

4

Basaltes en filons

6

Manteau lithosphérique : péridotites résiduelles

8

Les images Roche A

Roche B

Roche C

Image d’après une observation en Lumière Polarisée et non Analysée

Petits cristaux en baguettes, globuleux ou de forme géométrique : microlites

Feldspaths : translucides avec un aspect « sale »

Olivines : cristaux incolores translucides, globuleux, craquelés

Structure de la roche

Présence de microlites, petits cristaux en baguettes, globuleux ou de forme géométrique, dans une pâte : structure microlitique

Présence de cristaux juxtaposés : structure grenue

Présence de cristaux juxtaposés : structure grenue

Identification de la roche

Basalte

Gabbro

Péridotite

Pyroxènes : formes géométriques légèrement teintées en marron pâle

Pyroxènes : formes plus géométriques, légèrement teintés jaunâtres.


47


Conditions de mise en place pour les roches A et B

Le basalte à structure microlitique : il s’agit d’une roche volcanique qui s’est formée en surface au niveau de la dorsale océanique suite à un refroidissement brutal au contact de l’eau de mer

Le gabbro à structure grenue : il s’agit d’une roche magmatique plutonique dont le refroidissement a été lent (en profondeur)

Les péridotites représentent la partie non fondue des péridotites de l’asthénosphère : péridotites résiduelles

L’état des péridotites asthénosphériques pour : Une

profondeur de 200 km et une température de 1400°C : solide Une profondeur de 200 km et une température de 2000°C : liquide + solide Une profondeur de 100 km et une température de 1400°C : solide Une profondeur de 50 km et une température de 1400°C : solide +liquide Les conditions de température et de pression permettant la fusion

partielle des péridotites asthénosphériques à l’aplomb des dorsales. La réponse d est correcte. Les étapes de la formation de la lithosphère océanique au niveau des

dorsales. Lithosphère océanique formée : manteau lithosphérique

Péridotite du manteau lithosphérique

Croûte océanique

Péridotite du manteau lithosphérique

Gabbro

Péridotite résiduelle (partie non fondue)

Filons de micro-gabbro

Magma (partie fondue)

Fusion partielle de la péridotite du manteau asthénosphérique, naissance d'un magma

Baisse de la pression (température constante) Le géotherme recoupe le solidus de la péridotite t° Remontée de la péridotite solide du manteau vers la surface

Mouvement de convection mantellique (branche ascendante)

48



P

Basalte Pillow-lavas

Exercice 6

Quelques marqueurs des zones de subduction Mise en évidence des marqueurs sismiques. Coupe A : Amérique du Sud

Coupe B : Japon Nord

D/ fosse (km) P (km) Point de départ servant de référence Foyers des séismes superficiels Foyers des séismes situés à une profondeur moyenne Foyers des séismes profonds

D/ fosse (km)

Coupe C : Mariannes D/ fosse (km)

P (km)

P (km)

0

0

0

0

0

0

73 90 135 280 373

-30 -33 -33 -97 -104

51 119 161 171 216

-33 -32 -43 -86 -182

75 94

-26 -57

206 223

-151 -192

480

-210

329

-272

800

-537

585

-568252

252

-501

Mise en évidence des marqueurs volcaniques Plaque chevauchante

Amérique du Sud

Japon

Mariannes

Distance à la fosse des volcans

Caichinque (nord du Chili, 4450 m) 373 km

Chirpoï (742 m) 182 km

Agrigan (965 m) 214 km

Plans de subduction (plans de Wadati-Benioff) et position des volcans au niveau des plaques chevauchantes des zones de subductions considérées.

Fosse océanique VB VC

Profonfeur des foyers (km)

200

VA 400

Distance de la fosse (km) 600

800

1000

VA = volcans au niveau de la plaque Sud-américaine.

–100

VB = volcans au niveau de la plaque Philippines

–200

VC = volcans au niveau de la plaque Eurasie.

–300

–400

Coupe C Mariannes

Coupe B Japon

Coupe A Amérique du Sud

–500

–600


49


Les marqueurs morphologiques, sismiques et magmatiques caractérisant les zones de subduction.

morphologiques

fosse océanique, relief positif tel qu’une chaîne de montagnes ou un arc insulaire.

sismiques

une activité sismique importante est une signature des zones de subduction (des déformations instantanées cassantes sont à l’origine des séismes). Les foyers sismiques liés au phénomène de subduction se répartissent en profondeur sur « une surface inclinée », dite plan de Wadati-Benioff qui part à l’aplomb de la fosse et s’enfonce sous un continent ou un arc insulaire. Ce plan correspond au sommet de la lithosphère océanique en subduction : c’est le plan de subduction. L’existence de foyers sismiques jusqu’à environ 700 km de profondeur met en évidence l’existence d’une plaque lithosphérique plongeante froide et cassante qui s’enfonce dans l’asthénosphère ductile (ou les déformations sont non cassantes). Au-delà de 700 km, on n’enregistre plus de foyers sismiques : les roches de la lithosphère océanique se comportent de manière plastique.

magmatiques

des volcans localisés sur la plaque chevauchante sont présents dans les zones de subduction. Zone de convergence

Zone de convergence Zone de subduction

Dorsale

Marqueurs morphologiques Relief + Relief Chaîne de Fosse océanique montagnes ou arc insulaire

Volcans associés à la chaîne de montagnes ou à un arc volcanique

PLAQUE CHEVAUCHANTE

manteau lithosphérique

croute continentale

0 50

PLAQUE PLONGEANTE

fusion partielle

manteau

13

100

Profondeur (km)

croûte océanique

00

asthénosphére

°C

Mouvement de plaques Magma à composition basaltique Foyers sismiques

Exercice 7

Marqueurs magmatiques

Marqueurs sismiques Répartition des foyers sismiques suivant le plan de Benioff-Wadati

Lithosphère et asthénosphère dans une zone de subduction Un séisme est provoqué par la rupture brutale des roches de la lithos-

phère en profondeur, en une zone ponctuelle, le foyer situé à la verticale de l’épicentre, projection à la surface de la Terre de la position du séisme en profondeur.

50



La présence de séismes indique par conséquent que le matériau qui se rompt est rigide et non déformable. La tomographie sismique montre la présence d’une bande qui s’en-

fonce obliquement et qui présente des vitesses sismiques plus élevées, signatures de l’existence d’un matériel plus froid. Cette bande s’enfonce au sein d’un matériel plus chaud (anomalies négatives). À cette bande plus froide sont associés des séismes qui permettent de dire que cette zone est constituée de matériaux cassants. La tomographie sismique et la répartition des séismes, confirment la plongée au niveau de la fosse du Japon, de la lithosphère océanique froide et rigide de la plaque Pacifique dans un matériel plus chaud correspondant à l’asthénosphère. Modélisation des variations de température en fonction de la profon-

deur au niveau d’une zone de subduction. Les isogéothermes s’infléchissent au niveau de la fosse, ce qui matérialise un plongement de ses isogéothermes. On note une « dépression » des isogéothermes au niveau du plan de subduction : la température y est plus basse que dans le manteau environnant. Ces anomalies thermiques et foyers sismiques profonds (document 10) matérialisent la plongée de la lithosphère océanique froide au niveau de l’affrontement des deux plaques. Le plongement de la lithosphère océanique froide à des vitesses relativement élevées maintient un contraste des températures. L’isotherme 1300°C sépare un domaine rigide (lithosphère) d’un domaine déformable mais non fondu (asthénosphère), le tout à composition chimique constante (péridotite).

Plaque chevauchante

Plaque plongeante Zone Fosse volcanique océanique

Lithosphère

800°C 1000°C 1200°C 1300°C 1400°C

100 200 300

Lithosphère océanique

400 500 600

Profondeur (km)

Plan de WadatiBenioff Lithosphère océanique plus froide et cassante (séismes)

Asthénosphère plus chaude

Mouvements de convergence


51


Exercice 8

Indices du raccourcissement et de l’empilement dans une chaîne de montagne Épaississement lié à un raccourcissement

Profondeur (km)

Charriage

Pli

Chevauchements profonds et superficiels

10 0 10 20 30 40 50 60

Croûte continentale Manteau lithosphérique

Écailles crustales

Relief positif : montagnes

Importante racine crustale

Épaississement lié à un empilement d'écailles crustales

52



C

orrection des activités du chapitre 2

A. Pour débuter Le modèle de la tectonique globale : un modèle prédictif

Subduction

Subduction

Dorsale

Chambre magmatique Collision

Croûte continentale Croûte océanique

Chambre magmatique Manteau lithosphérique Manteau supérieur

Divergence

Convergence

La chambre magmatique est localisée au niveau de la croûte océanique à l’axe de la dorsale.


53


Les structures géologiques observées actuellement dans les chaînes

de montagnes et les questions qu’elles suscitent. Documents 2a et 2b : Dans les Alpes comme dans Quels sont les témoins l’Himalaya, se trouvent des sédiments d’origine dans une chaîne de collision, de la présence d’un marine et des ophiolites. ancien domaine océaLe document 3 précise que les ophiolites sont des nique ? fragments de lithosphère océanique constitués de basaltes, gabbros et péridotites. Document 2 : on constate de plus que ces structures constituent une suture, c’est-à-dire une zone de contact, dans les Alpes, entre les marges continentales de la plaque européenne et de la plaque africaine, et dans l’Himalaya, entre les marges continentales de la plaque indienne et de la plaque eurasiatique. Cette suture ophiolitique correspond aux restes d’un ancien océan aujourd’hui disparu. Le document 2b montre qu’au niveau de l’Himalaya il existe associés aux ophiolites (lithosphère océanique) des sédiments de prisme d’accrétion, sédiments qui peuvent se trouver au niveau de certaines fosses de subduction, et des granites de subduction.

Quels sont les témoins dans une chaîne de collision d’une subduction océanique puis continentale ?

Quels sont les témoins d’une remontée vers la surface au cours de la collision de matériaux préalablement enfouis au Document 3 : les ophiolites sont des fragments de cours de la subduction ? lithosphère océanique portés en altitude dans un contexte de convergence. Documents 2a et 2b : Les sédiments marins, les sédiments de prisme d’accrétion et les ophiolites sont actuellement en altitude et appartiennent au domaine continental.

Les premiers constats effectués doivent être suivis d’études plus poussées afin de comprendre les mécanismes qui permettent la formation des chaînes de montagnes.

B. Cours Activité 1

Montrer que les ophiolites du Chenaillet sont des roches vestiges d’une ancienne lithosphère océanique. L’observation microscopique de l’association minérale présente dans

une roche permet de connaître les conditions de pression et température subies au cours du temps. Il s’agit de tracer le trajet PressionTempérature d’un gabbro du Chenaillet. L’exploitation va être présentée sous la forme d’un tableau.

54



Le type de données fournies par le document

Les observations effectuées au niveau du document

Les ophiolites du Chenaillet sont constiDocuments 4 et 5 : géologie des ophio- tuées de basaltes en coussins, de gabbros et de péridotites métamorphisées, qui lites du Chenaillet actuellement sont situés entre 2100m et 2650 m d’altitude

La ou les déductions Ces ophiolites constituent un fragment de lithosphère océanique qui se retrouve en altitude du fait de la collision alpine.

Les minéraux de C1 étant à l’équilibre, on peut supposer que ces minéraux, à un moment donné, n’ont plus été à l’état d’équilibre, puisque dans C2 apparaît un autre minéral, la hornblende, qui les sépare. Ils ont été déstaC2 : feldspaths plagioclases et pyroxènes bilisés. Une nouvelle déstabilisaentourés d’amphibole (hornblende) tion est sans doute à l’origine de C3 puisque de nouveaux minéC3 : feldspaths plagioclases, pyroxènes, raux sont présents. hornblendes, mais aussi actinotes (autre Quelle est l’origine de cette désamphibole) et chlorites tabilisation ?

Tous les gabbros présents au niveau du Document 6 : Les gabbros du Che- Chenaillet n’ont pas exactement la même naillet et leur compo- composition minéralogique : sition minéralogique C1 : feldspaths plagioclases et pyroxènes à l’équilibre (composition d’un gabbro se formant au niveau d’une dorsale)

La présence d’eau et la diminution de température due à l’éloignement de la dorsale sont à l’origine d’un changement des conditions initiales de formation des gabbros : les minéraux sont déstabilisés et de nouveaux La lithosphère océanique qui vient de se minéraux hydratés apparaissent. former est constituée de minéraux non hydratés alors que la lithosphère océa- On peut supposer que C2 et C3 nique transformée suite aux circulations proviennent d’une déstabilisahydrothermales présente des minéraux tion et donc d’une transformahydratés tels que les amphiboles et la tion d’un gabbro de dorsale de type GA auquel correspond C1, chlorite. suite à l’hydrothermalisme qui affecte la croûte océanique.

Document 7 : Les conditions de température et de circulation d’eau de mer au niveau du plancher océanique

Les gabbros cristallisent au niveau des dorsales dans certaines conditions de température et de pression. Dans la croûte océanique fracturée circule de l’eau de mer à l’origine d’une hydratation des roches et d’un refroidissement.

Document 8 : les domaines de stabilité des assemblages minéralogiques des gabbros suivant leur localisation par rapport à la dorsale :

Chaque minéral possède un domaine de stabilité : éventail de pressions et températures à l’intérieur duquel un minéral ou une association minérale est stable correspondant aux conditions de sa formation. En dehors de ce domaine, il y a déstabilisation : il y a alors des transformations et /ou

On peut replacer C1, C2 et C3 dans ce diagramme P-T : C1 correspond à GA, C1Æ C2 (réaction 1) et C2ÆC3 (réaction 2).


55


ce diagramme a été construit à partir de résultats d’expériences réalisées sur des associations minérales dont on a fait varier les conditions de P et T

des interactions des minéraux entre eux, ce qui aboutit à la formation de nouveaux minéraux plus stables dans les nouvelles conditions. Cette transformation structurale et minéralogique des roches appelées métamorphisme implique des réactions chimiques (réactions 1 ou 2) à l’état solide entre les minéraux. GA correspond à un gabbro de dorsale qui cristallise dans la croûte (profondeur 5 à 7 km), à une pression faible et une température inférieure à 1100°C.

Le trajet Pression–Température d’un gabbro du Chenaillet

0

0

200

5

C3

10

Plagioclase Hornblende Actinote Chlorite

20 25 30 35

2

600

C2

Profondeur (km)

56


800

1

Plagioclase Amphibole (hornblende) Eau

Conditions non réalisées dans la nature

15

400


1000

1200

Température (°C) 0

C1 GA Plagioclase Pyroxène Eau 0,5

Solidus du gabbro

Bilan :

1

Pression (GPa)

Les indices de la présence d’un ancien océan

Les indices de collision Documents 4 et 5

Documents 4 et 5

Présence d’ophiolites c’est-à-dire Actuellement les ophiolites du Ched’une ancienne lithosphère océanique naillet sont situés entre 2100m et constituée de basaltes en coussins, 2650 m d’altitude. gabbros et péridotites. La disposition des différentes roches est oblique par rapport à la disposiDocuments 6, 7 et 8 tion horizontale qu’elles présentent au Présence dans les gabbros du Cheniveau du plancher océanique. naillet, d’associations minérales montrant un métamorphisme dû à l’hydrothermalisme qui affecte la lithosphère océanique au niveau d’un océan. Les gabbros de dorsales se transforment à terme en métagabbros du faciès Schistes Verts (document 16b) caractérisés ici par l’association minérale : Feldspaths plagioclases, Actinote, Chlorite. Document 10 Présence de radiolarites, roches sédimentaires d’origine marine résultant de l’accumulation de squelette siliceux d’organismes planctoniques marins unicellulaires, les radiolaires, déposés au niveau des plaines abyssales.

Activité 2

Rechercher les preuves de l’existence d’une marge continentale passive Il s’agit de dégager les caractéristiques morphologiques, tectoniques

et sédimentaires d’une marge continentale passive actuelle comme la marge de Galice. Les marges continentales constituent le domaine de transition entre continent et océan. Aux marges actives, on oppose les marges passives ou stables qui sont des régions calmes à faible activité sismique ou volcanique.


57


Caractéristiques morphologiques

Caractéristiques tectoniques (déformations)

Caractéristiques sédimentaires

Trois unités plus ou moins profondes se succèdent en partant du littoral : le plateau continental (0 à 200m), prolongement du continent, le talus continental (200 à 3000-4000 m) et le glacis (3000 à 5000 m), surface quasiment plane, où la bordure continentale (lithosphère continentale) se raccorde aux fonds océaniques (lithosphère océanique).

Les caractéristiques tectoniques des marges passives ont été déterminées à partir de techniques sismiques et de forages (documents 12b et 12c). les marges passives présentent un amincissement de la croûte continentale (document 13) depuis la zone émergée jusqu’à sa limite où la bordure continentale (lithosphère continentale) se raccorde aux fonds océaniques (lithosphère océanique). La partie supérieure de la croûte est découpée en blocs basculés, séparés par des failles normales, pas ou peu actives actuellement qui témoignent d’une extension contemporaine de la formation d’un rift (document 13).

La croûte fracturée est recouverte de sédiments de nature différente. Les marges passives stables sont des pièges sédimentaires. Leurs sédiments peuvent donc fournir des renseignements sur l’histoire du continent. Les séries sédimentaires présentant actuellement une disposition en éventail (séries sédimentaires 2 des documents 12b, c et 13a) : elles se sont déposées initialement à l’horizontale sur un socle instable, en phase de fracturation sous l’effet de l’extension ; elles sont contemporaines de la formation du rift. Les séries sédimentaires (séries sédimentaires 3 des documents 12b, c et 13b), qui sont en position de dépôt, à l’horizontale : elles se sont formées lorsque la dorsale océanique a commencé à fonctionner.

La collision entre deux blocs continentaux met en contact deux marges

continentales qui en se déformant sont à l’origine de la chaîne de montagnes. Certaines parties de ces marges conservent leur structure initiale, malgré les déformations dues à la collision. Il s’agit de montrer que les structures présentes au niveau du Massif du Taillefer dans les Alpes, sont les témoins d’une ancienne marge continentale permettant de dater la période de la fracturation continentale.

58



Le massif du Taillefer présente des affleurements de socle continental constitué de roches métamorphiques et magmatiques (comme le granite), fracturé par des failles normales (3 sont visibles dans le document 11) plus ou moins parallèles. Ces failles délimitent des blocs basculés, ménageant entre eux des zones où les sédiments se sont accumulés. Les failles normales et les blocs basculés constituent des structures semblables à celles des marges continentales passives actuelles telles que la marge de Galice (document 12). Le Jurassique inférieur et moyen présente des couches plus ou moins disposées en éventail et date donc la période de fracturation en distension qui forme le rift. La présence de fossiles d’Ammonites et de Belemnites, mollusques marins et de Crinoïdes, organismes vivant fixés sur les fonds marins, témoigne de l’existence de la mer à cette époque. Le Jurassique supérieur et le Crétacé sont constitués de couches pratiquement horizontales. Les fossiles d’Ammonites et de Calpionelles témoignent d’une mer plus profonde qui accompagne l’existence d’un domaine océanique ancien qui apparaît donc au Jurassique supérieur. Cette région des Alpes correspond à une ancienne marge continentale et témoigne de l’étirement et de l’amincissement d’un continent ce qui a abouti à sa rupture. L’interprétation des observations effectuées sur cet affleurement permet d’établir une succession de différents phénomènes : Une extension fracture la croûte continentale et forme des blocs basculés (document 11). La divergence des domaines continentaux ainsi fracturés se poursuit : il y a formation d’un domaine océanique comme en témoignent les fossiles contenus dans les roches sédimentaires du Jurassique et du Crétacé Des indices de raccourcissement montrent que les marges continentales

sont déformées au cours de la collision. La coupe figurée dans l’encadré, montre des plis et une faille inverse postérieure au jurassique moyen, terrain recoupé par la faille le plus récent figuré sur cette coupe. Ces plis et cette faille inverse témoignent donc d’un raccourcissement. Ces observations permettent de continuer la chronologie des phénomènes qui ont affecté cette région : la divergence cesse et est remplacée par une dynamique de convergence aboutissant à la fermeture du domaine océanique et à une collision dont témoignent la faille inverse et les plis.

Activité 3

Rechercher au niveau de massifs ophiolitiques alpins les indices d’un métamorphisme lié à une subduction océanique ayant précédée la collision


59


Lieu de prélèvement des Chenaillet échantillons observés Documents de l’activité 1

Queyras Document 14

Roche(s)

Roches constitutives d’une ancienne lithosphère océanique : Métabasaltes, Métagabbros, et Métapéridotites

Roches constitutives d’une ancienne lithosphère océanique : Métabasaltes, Métagabbros, et Métapéridotites

Minéraux

C1 : Feldspaths plagioclases et pyroxène C2 : Feldspaths plagioclases, Pyroxène, Hornblende, C3 : Feldspaths plagioclases, Actinote, Chlorite.

Document 14

Domaine de stabilité C1 des différents miné- P < 0,25 GPa raux (document 16a) : T =1100 à 700°C C2 Pression P < 0,25 GPa Température T=700 à 400°C C3 P < 0,25 GPa T=400 à 300 /200°C Faciès métamorphique C3 : faciès Schistes Verts (document 16c) Âge en Ma corres- -150 à -146 pondant à l’âge pour lequel les roches ont été soumises à une pression maximale. Contexte géodyna- Les ophiolites du Chemique (roches indica- naillet correspondent, trices d’une expansion du fait des composiocéanique, d’une sub- tions minéralogiques duction ; indiquer la des métagabbros qui les profondeur atteinte) constituent, à une lithosphère océanique qui n’a pas participé à une subduction mais a subi un métamorphisme Basse Pression-Haute température (hydrothermalisme).

60


Mont Viso Document 15a Roches constitutives d’une ancienne lithosphère océanique : Métabasaltes, Métagabbros, et Métapéridotites Document 15b

Q1 : Feldspaths plagio- V1 : Epidote, Quartz, clases, Pyroxène, Acti- Glaucophane, Grenat, Jadéite note, Glaucophane.

Q1 P=0,8 à 1 GPa T =400 à 300°C

V1 P= 1,8 à 2 GPa T= 450 à 550°C

Schistes Bleus

Eclogites

- 90 à - 50 (l’âge varie - 50 à - 48 selon l’affleurement considéré).

Les ophiolites du Queyras et du Mont Viso ont subi un métamorphisme Haute Pression –Basse Température dans un contexte de subduction. Dans le cas du Queyras, la profondeur atteinte au cours de la subduction est inférieure.


On peut supposer que les roches de la lithosphère océanique du

Queyras et du Mont Viso ont suivi le même trajet P-T-temps que celles du Chenaillet : elles se sont formées à la dorsale, ont subi un métamorphisme par hydrothermalisme et se sont transformées en métagabbros du faciès Schistes Verts, puis la lithosphère océanique est rentrée en subduction. Le document 14 montre d’ailleurs que les métagabbros question renferment de l’actinote, minéral caractéristique du faciès Schistes Verts, qui s’est formée postérieurement au pyroxène puisqu’elle le recoupe, et antérieurement à la glaucophane qui l’entoure. Les trajets P-T effectués au cours du temps par un gabbro qui est à l’origine de Q1 et un gabbro qui est à l’origine de V1.

0

200

0

400

0,5

600

C

800

B

Température (°C) 1000 1200

A

Domaine de fusion paritelle

D 25

E

50 Profondeur (km)

Pression (GPa) 2

es lisé réa on ure t sn ion la na dit s con dan

1

Q1

G

F

V1

Trajet P et T d'un métagabbro du Queyras Q1 Trajet P et T d'un métagabbro du Viso V1

Les domaines A, B, C, D, E, F et G correspondent aux domaines de stabilité des associations minérales. A : Plagioclase + Pyroxène B : Plagioclase + Amphibole (hornblende) C : Plagioclase + Amphibole (actinote) + Chlorite D : Plagioclase + Amphibole (glaucophane) E : Glaucophane + Jadéite F : Grenat + Jadéite +ou – Glaucophane G : Grenat + Jadéite. Le métamorphisme des zones de subduction est qualifié de métamor-

phisme « Haute Pression-Basse Température ». Les roches de la lithosphère océanique telles que celles du Queyras et du Mont Viso présentent des associations minérales montrant que la pression à laquelle ont été soumises ces roches est élevée, entre 0, 8 et 2 GPa, alors que la température n’a pas dépassé 550°C.


61


Lorsque la lithosphère froide s’enfonce dans l’asthénosphère au cours de la subduction, ses roches subissent une faible augmentation de température et une forte augmentation de pression, qui entraînent la transformation de leurs minéraux en de nouveaux assemblages minéralogiques stables pour les nouvelles conditions de pression et de température. Les ophiolites du Queyras et du Mont Viso comportent des indices de

l’expansion océanique, de la subduction puis de la surrection lors de la collision des plaques Europe-Asie à l’origine des Alpes.

Des indices d’une expansion océanique

Des indices d’une subduction

Documents 14 et 15

Document 14

Document 15

Les ophiolites du Queyras et du Mont Viso sont des fragments de lithosphère océanique constitués de métabasaltes, métagabbros et métapéridotites : ces roches se sont formées au niveau d’une dorsale et sont les témoins de l’expansion océanique.

Le métagabbro Q1 renferme entre autre de la Glaucophane qui indique qu’il a subi un métamorphisme Haute PressionBasse Température.

Les ophiolites du Mont Viso, fragments de lithosphère océanique, sont situées à une altitude 3841m.

Document 15 Le métagabbro V1 du Mont Viso renferme quant à lui du grenat et de la jadéite, qui indiquent qu’il a été soumis à une pression supérieure à celle subie par Q1.

Document 14 Autre indice de l’expansion, le métagabbro Q1 renferme de l’actinote, minéral caractéristique du faciès Schistes Verts qui montre que ce gabbro en s’éloignant de la dorsale a subi un métamorphisme.

62


Des indices de collision

Les associations minérales contenues dans ces roches témoignent ainsi d’un métamorphisme caractéristique d’une zone de subduction. Documents 14 et 15 Les schistes lustrés du Queyras sont interprétés comme étant des sédiments de prisme d’accrétion, structure pouvant exister au niveau de certaines fosses de subduction, où l’accumulation sédimentaire est importante.


Les différentes roches sont disposées en lambeaux obliques séparés par des failles actives qui ont fonctionné durant leur exhumation qui fait suite à leur subduction.

C

Les marqueurs des zones de subduction Zone de convergence Zone de subduction Marqueurs morphologiques Relief – Relief + Fosse Chaîne de montagnes ou océanique arc insulaire

Marqueurs magmatiques Volcans associés à la chaîne de montagnes ou à un arc volcanique

croûte 0 continentale

SV PLAQUE PLONGEANTE

50

SB E manteau

13

Profondeur (km)

PLAQUE CHEVAUCHANTE

100

00

Marqueurs métamorphiques SV

SB

E

°C

Marqueurs sismiques Répartition des foyers sismiques suivant le plan de Benioff-Wadati

SV : métagabbros du faciès Schistes verts. SB : métaggabbros du faciès Schistes Bleus. E : métagabbros du faciès Eclogites

Activité 4

Rechercher les témoins d’une subduction continentale La répartition géographique des roches métamorphiques (document 19)

permet de mettre en évidence une zonation très nette du métamorphisme dans les Alpes. D’Ouest en Est, on constate un passage progressif de roches du faciès Schistes verts à des roches du faciès Schistes bleus puis à des roches du faciès Eclogites : l’intensité du métamorphisme est donc croissante d’Ouest en Est, ce qui signifie que les roches ont été portées à des températures et des pressions de plus en plus importantes. La subduction qui a provoqué la disparition de l’océan alpin s’est effectuée d’Ouest en Est : la plaque européenne a plongé sous la plaque africaine. Quels sont les arguments minéralogiques et sismiques qui ont contri-

bué à élaborer le modèle de subduction continentale ? Les arguments minéralogiques sont présentés dans les documents 19 et 20 : des minéraux indicateurs d’un métamorphisme Ultra Haute Pression ont été retrouvés dans des roches continentales ce qui indique que celles-ci ont été enfouies jusqu’à des profondeurs allant de 90 à 140 km. Les arguments sismiques sont fournis par la technique de tomographie sismique du document 21 : on peut constater que la lithosphère continentale indienne plus froide plonge sous la plaque eurasiatique.


63


Coupe au niveau des frontières de la plaque indienne et de la plaque eurasiatique réalisée à l’aide de Tectoglob. Himalaya Plaque indienne

Plaque eurasienne

Subduction continentale de la plaque indienne

Grenat (Fe,Mg)3Al2Si3O12

Métamorphisme Ultra Haute Pression

Coésite (SiO2) Quartz SiO2 Document 19 : La présence de coésite contenue dans des roches caractéristiques de la lithosphère continentale indique qu’elles ont été enfouies à plus de 90 km de profondeur (pressions : 2,5 à 3 GPa)

Document 20 : La présence de diamant dans des roches caractéristiques de la lithosphère continentale indique un enfouissement à plus de 120 km de profondeur (pressions de plus de 4 GPa)

Croûte océanique 0

Croûte continentale de la plaque subduite

30 60

Croûte continentale de la plaque chevauchante

90

Manteau lithosphérique Asthénosphère Coesite (métamorphisme UHP)

120

Profondeur

Sud 9LWHVVHGHV RQGHV (par rapport à la normale) Supérieure

Plaque indienne

A

400 km Normale

Nord Plaque eurasiatique

B

Lithosphère continentale plus froide qui plonge Asthénosphère plus chaude

800 km Inférieure Gros séismes

64



Document 21 : La tomographie sismique montre le plongement de la plaque indienne continentale sous la plaque eurasiatique : il y a subduction continentale.

Activité 5

Rechercher les témoins d’une remontée en surface d’écailles de l’ancienne lithosphère océanique et continentale Le document 23 va permettre de retrouver le trajet suivi par les méta-

gabbros du Queyras et du Mont Viso lors de l’exhumation qui les a ramenés en surface après qu’ils aient subducté. Des métagabbros du Queyras (Q2) présentent ainsi des cristaux de glaucophane entourés de cristaux de chlorite et d’actinote, ces derniers minéraux se sont donc formés aux dépends de la glaucophane : en remontant ces métagabbros se sont retrouvés dans les conditions Pression et Température du faciès Schistes Verts. Des métagabbros du Mont Viso, V2 présentent de la glaucophane sans grenat et jadéite et sont eux mêmes recoupés par V3 constitué de chlorite et d’actinote. Les métagabbros du Mont Viso sont donc passés du faciès Eclogites au faciès Schistes Bleus, puis au faciès Schistes Verts, au cours de l’exhumation. Les trajets (P, T, temps) suivis par les roches métamorphiques du Queyras et du Mont Viso de leur formation au niveau des dorsales jusqu’à leur exhumation.

0

200

0

400

0,5

C D

V3 Q2

25

Profondeur (km)

Pression (GPa)

Activité 6

50

es lisé réa on ure t sn ion la na dit s con dan

Q1 E

1

2

600

800

Température (°C) 1000 1200

Trajet P et T de la dorsale à la zone de subduction A B

Domaine de fusion paritelle

V2

F

Exhumation rapide G

V1

Trajet P et T au cours de la subduction

S’appuyer sur les indices relevés pour reconstituer un scénario possible de l’histoire des Alpes en relation avec le modèle Quels sont les arguments qui ont permis d’aboutir à la formulation de

l’affirmation « Les roches du Chenaillet montrent un métamorphisme


65


hydrothermal net ; elles n’ont donc pas été affectées par la subduction ni par la collision » Il faut ici ne s’intéresser qu’aux roches c’est-à-dire aux associations minérales qu’elles présentent. Les métagabbros du Chenaillet présentent plusieurs sortes d’associations minérales (document 6) : C1 : Feldspaths plagioclases et Pyroxène C2 : Feldspaths plagioclases, Pyroxène, Hornblende, C3 : Feldspaths plagioclases, Actinote, Chlorite Ces associations sont apparues successivement lors de l’éloignement du gabbro de l’axe de la dorsale, lieu de sa formation (C1) suite au refroidissement et à l’hydratation de la croûte océanique (document 7) par hydrothermalisme (C2 puis C3). En effet, ces associations minérales indiquent que les températures et les pressions auxquelles ont été soumises les métagabbros qui les renferment, varient entre 1000°C et 200°C pour la température, pour une pression faible quasiment constante, de l’ordre de 0,25GPa (document 8). Les roches du Chenaillet ne présentent pas de minéraux indicateurs d’une pression plus importante tels que la glaucophane, le grenat et la jadéite qui permettrait de dire qu’elles ont participé à une subduction. Elles ne présentent pas de traces d’exhumation, c’est-à-dire de traces d’une remontée en surface d’écailles au cours de la collision. En effet, le document 23 montre qu’au cours de l’exhumation, les associations minérales des métagabbros du Queyras et du Mont Viso, stables aux conditions de température et de pression correspondant à la profondeur atteinte au cours de la subduction océanique sont déstabilisées, de nouveaux minéraux apparaissent indiquant un retour vers la surface. De même, le document 24, permet de dire que le même phénomène se produit pour des roches enfouies au cours d’une subduction continentale : des roches continentales renferment de la coésite, entourée d’une auréole de quartz. Ces roches ont d’abord été enfouies au cours d’une subduction continentale, d’où la formation de coésite (métamorphisme Ultra Haute Pression) par transformation du quartz, puis une exhumation, synonyme d’une diminution de pression, a induit une recristallisation du quartz à partir de la coésite. Les roches du Chenaillet, dont les associations minérales montrent un métamorphisme hydrothermal, ne présentant ni minéraux indicateurs de subduction ni traces d’exhumation au cours de la collision, n’ont donc pas été affectées par la subduction ni par la collision.

66



les différents indices qui ont contribué à l’élaboration des étapes

du modèle de la formation des Alpes. Les étapes du modèle de la formaLes indices qui ont contribué à élaborer ce modèle tion des Alpes Étape 1 : Ouverture et expansion de Indices d’ouverture d’anciennes marges continentales passives (document 11) l’océan alpin (-250 à –80 MA). qui caractérisent la phase d’ouverture continentale (blocs basculés limités par des failles normales indicatrices d’extension) Indices de l’expansion océanique des

ophiolites (fragments d’anciennes lithosphères océaniques) et de sédiments marins à Radiolaires par exemple (document 10)

des

ophiolites telles que celles du Chenaillet (activité 1) qui renferment des métagabbros, dont les associations minérales sont le reflet des conditions (hydratation, température, pression) régnant au cours de l’expansion océanique. Étape 4 : La subduction SO2 fonc- Indices de subduction océanique tionne. La lithosphère océanique Les métagabbros du Queyras à glaucophane (document 14) et en subduction subit un métadu Viso (document 15) à grenat et jadéite, présentent des assomorphisme HP-BT. Du plancher ciations minérales indicatrices d’un métamorphisme HP-BT océanique (futures ophiolites du caractéristiques des zones de subduction (document16). Chenaillet) chevauche la marge Les schistes lustrés du Queyras sont des indicateurs d’un européenne. Le prisme d’accrétion prisme d’accrétion ayant existé au niveau de la fosse de subserait à l’origine des schistes lustrés duction. du Queyras. Indice montrant que toute la lithosphère océanique n’a pas subducté Les ophiolites du Chenaillet (activité 1) présentent des associations minéralogiques caractéristiques uniquement d’un métamorphisme hydrothermal (documents 7 et 8) du type de celui qui affecte la lithosphère du plancher océanique. Étape 5 : Des fragments de la lithos- Indices d’exhumation de fragments de lithosphère océanique phère océanique subduite sont Les ophiolites du Queyras et du Mont Viso présentent des rapidement exhumés (ophiolites du modifications de leurs associations minérales montrant Queyras et du Mont Viso). Une par- qu’elles ont subi une diminution de pression au cours d’une tie de la marge continentale euro- remontée rapide (document 23). péenne entraînée par la lithosphère Indices de subduction continentale océanique entre en subduction Les roches métamorphiques continentales du Massif de Dora continentale (SC) : la collision des Maira (document 19) contiennent de la coésite, minéral indideux marges débute et entraîne un cateur de Ultra Haute Pression, résultant de la transformation raccourcissement et un épaississe- du quartz. ment de celles-ci. Un détachement Indice d’exhumation d’écailles de croûte continentale de la lithosphère océanique serait à l’origine d’une remontée de la La coésite de Dora Maira (document 24) montre une déstabilisation, indicatrice d’une diminution de pression, à l’origine croûte continentale subduite. d’une recristallisation de quartz.


67


Activité 7

Préciser les modifications subies par la lithosphère océanique depuis sa création à la dorsale jusqu’à sa subduction Le document 29 présente l’épaississement de la lithosphère océanique

au cours de son éloignement de l’axe de la dorsale. Calcul de l’âge et de l’épaisseur d’une lithosphère océanique située

à 1000 km de l’axe de la dorsale. À 1000 km de l’axe de la dorsale, l’âge de la lithosphère océanique est de : 1000.105 : 8 = 125.105 ans soit 12,5 Ma. HL0 = 9, 2 12, 5 = 32, 5 km de la masse d’une colonne de 1m2 de surface de cette même lithosphère océanique.

Calcul

M = ␳C.hC + ␳ML.(HLO-hC)

M= 2,85.103. 5 + 3,3.103 (32,5-5) = 103650 kg soit 103,65. 103 tonnes Comparaison

avec celle d’une colonne d’asthénosphère sousjacente de même épaisseur et de même surface.

M = ␳A.HA M= 3,25.103. 32,5 M = 105625 kg soit 105,625. 103 tonnes. À ce stade la masse d’une colonne d’asthénosphère est supérieure à la masse d’une même colonne de lithosphère. La lithosphère «flotte» sur l’asthénosphère. Il s’agit de mettre en relation les évolutions du flux thermique, de la pro-

fondeur de la surface de la lithosphère océanique et de son épaisseur. Le document 28 montre qu’au niveau de l’axe de la dorsale, le flux thermique est important, ce qui correspond, à une profondeur du plancher océanique d’environ 2 km, et une lithosphère très peu épaisse (document 29). Puis, lorsque la lithosphère océanique s’éloigne de la dorsale : le flux thermique diminue, la profondeur de sa surface augmente, jusqu’à 6 km environ au niveau des plaines abyssales, elle s’épaissit (documents 29 et 30) par le bas ; l’épaisseur de la croûte ne varie pas alors que celle du manteau lithosphérique augmente. La profondeur de l’isotherme 1300°C (document 29) marquant la limite lithosphère-asthénosphère augmente Les dorsales sont des chaînes de montagnes sous marines où la lithosphère océanique est bombée, chaude et peu épaisse, en s’éloignant de la dorsale elle se refroidit (hydrothermalisme) lentement. Son épaisseur et sa densité augmentent, la lithosphère océanique s’enfonce alors progressivement dans l’asthénosphère : il y a subsidence thermique.

68



Variations en fonction de l’âge de la masse d’une colonne de lithos-

phère océanique et de celle d’une colonne d‘asthénosphère de même épaisseur. 300

Variation en fonction de l’âge d’une colonne de lithosphère océanique

Masse (en 103 tonnes)

Âge en 103 250 200

Variation en fonction de l’âge d’une colonne de asthénosphère de même épaisseur

150 100 50 0 0

4000

2000

6000

8000 Age (en 106 ans)

Les variations sont minimes. À partir de 30 millions d’années la lithosphère océanique devient plus dense (document 30) que l’asthénosphère ; elle devrait couler. Variations en fonction de l’âge de la masse d’une colonne de lithos-

phère océanique et de celle d’une colonne d‘asthénosphère de même épaisseur. 300

Masse (en 103 tonnes)

Âge en 103

3

250 200

2

150 100

1

50 0 0

Croûte océanique

2000

4000

Manteau lithosphérique

6000

8000

Age (en 106 ans)

Asthénosphère


69


Les deux graphes sont quasiment superposés sur ce document, car la variation est minime à cette échelle. 1 : La masse d’une colonne de lithosphère océanique est inférieure à celle d’une même colonne d’asthénosphère. 2 : La masse d’une colonne de lithosphère océanique est égale à celle d’une même colonne d’asthénosphère. 3 : La masse d’une colonne de lithosphère océanique est supérieure à celle d’une même colonne d’asthénosphère. L’âge des fonds océaniques est fourni par le logiciel Tectoglob. Remarque L’âge de la lithosphère océanique n’excède pas 200 Ma.

Les fonds océaniques ont un âge très supérieur à 30 Ma puisque, les plus anciens fonds océaniques ont un âge d’environ 180 Ma.

La lithosphère lorsque sa densité est devenue supérieure à celle de l’asthénosphère continue à « flotter ». En effet, l’asthénosphère exerce une résistance mécanique à l’enfoncement (document 31). Cette instabilité va perdurer plusieurs dizaines de millions d’années.

Activité 8

Montrer qu’au niveau d’une subduction, les transformations minéralogiques s’accompagnent d’une modification de la densité des roches qui entretient la descente de la lithosphère océanique. Il s’agit de montrer que les transformations de la croûte océanique

entretiennent la descente de la lithosphère océanique. Une expérience simple permet de mettre en évidence qu’un gabbro, qui n’a pas participé à une subduction, a une densité inférieure à celle d’une éclogite, c’est-à-dire, d’un métagabbro transformé, suite au métamorphisme Haute Pression-Basse Température qu’il a subi au cours de la subduction. Document 32

Calcul de la masse volumique de chaque échantillon

Echantillon Masse (g) Volume (mL) Masse volumique (g.cm-3)

Gabbro 3 25,8 8,5

1 22,6 7,5

2 34,8 11,5

3,013333

3,026087

3,035294

4 17,1 5,5

5 17,7 6

6 25 8,5

3,109091

2,95

2,941176

Eclogite Echantillon Masse (g) Masse volumique (g.cm-3)

70


1 65,3

2 18,9

3 35,5

4 31,6

5 7,6

3,957576

3,78

3,736842

3,717647

3,8


Ces échantillons de gabbros et d’éclogites sont des roches de la croûte océanique. La densité de cette dernière augmente, par conséquent, au cours de la subduction. Remarque La densité d’un objet est le rapport de sa masse volumique sur la masse volumique de l’eau. Or, la masse volumique de l’eau est égale à 1 g.cm-3, la densité se déduit donc directement de la masse volumique de l’échantillon.

Le document 33 permet de calculer l’augmentation relative de masse volumique moyenne de la lithosphère océanique lors de la subduction. Lithosphère océanique Lithosphère océanique Lithosphère océanique en cours de subduction en cours de subduction avant la subduction Profondeur 1 Profondeur 2 Masse volumique moyenne

3,3

3,304

3,3075

La masse volumique moyenne de la lithosphère océanique augmente au cours de la subduction. Cette augmentation est liée à l’augmentation de densité de la croûte océanique dont les roches se transforment en métagabbros du faciès Schistes Bleus et en métagabbros du faciès Eclogites, ce qui est à l’origine d’une augmentation de leur densité du fait des transformations minérales résultant du métamorphisme Haute Pression-Basse Température. Les transformations minéralogiques entretiennent donc la subduction. L’évolution de la lithosphère océanique à l’origine de sa subduction

dans l’asthénosphère et de l’entretien de celle-ci. Zone de divergence

Zone de convergence

Dorsale

Zone de subduction

Augmentation de l'âge

Volcans

Augmentation de la profondeur du plancher océanique

croûte océanique

G

SV a

manteau lithosphérique asthénosphère

b

SV

0 50

SB E

manteau 100

Refroidissement Métamorphisme HP-BT des roches de la lithosphère océanique

Épaississement Augmentation de l'épaisseur du manteau lithosphérique (a, b) Doc 29, 30

Transformation minéralogique SV ➝ SB ➝ E

Augmentation de la densité

Augmentation de la densité

La lithosphère océanique devient plus dense que l'asthénosphère SUBDUCTION quand l'équilibre est rompu

Profondeur (km)

croûte continentale

Fosse

dSV < dSB < dE

ENTRETIEN de la subduction et MOTEUR du déplacement des plaques

G Doc 32, 33

Gabbro

SV

Métagabbro (faciès schiste vert)

SB

Métagabbro (faciès schiste bleu)

E

Métagabbro (faciès éclogite)

Il est fait référence sur le schéma aux documents de l’activité 8.


71


C

orrection des activités du chapitre 3 A. Pour débuter Il s’agit de montrer que les régions présentées dans les documents 2 et 3 sont des zones de subduction sièges d’une activité magmatique.

Document 32

Une subduction Océan-Continent : convergence des plaques Nazca et d’Amérique du Sud au niveau du Pérou et du Chili. Les données GPS montrent que des points situés sur la plaque Nazca se déplacent vers l’Est à une vitesse comprise entre 61 et 77 mm par an alors que des points situés sur la plaque Amérique du Sud se déplacent vers l’Ouest à une vitesse comprise entre 1 et 1,9 mm par an.

Le mouvement relatif de ces deux plaques traduit bien une convergence et la frontière de ces deux plaques est donc une frontière de convergence. La limite entre ces deux plaques est marquée par : l’existence d’une fosse ; une

activité sismique avec des foyers séismiques d’autant plus profonds que l’on s’éloigne de la fosse vers l’Est.

Profondeurs des foyers des séismes en fonction de la distance à la fosse et localisation du volcanisme. Volcans Fosse

Profondeurs Distance à la des foyers des fosse (km) séismes (km) 0

0

-100

100

-150

200

-200

300

-250

400

-300

500

-550

650

-600

800

Distance de la fosse (km)

0

100 200

400

600

800

1000

Profonfeur des foyers (km)

–100

Plaque chevauchante Amérique du Sud –200

–300

–400

–500

Plan de Wadati-Benioff Plaque Nazca en subduction

–600

72



l’existence d’un volcanisme au niveau de la cordillère, longeant la fron-

tière de convergence, c’est-à-dire parallèle à la fosse. Tous ces indices constituent des marqueurs d’une zone de subduction et la disposition des foyers sismiques laisse à penser que c’est la plaque Nazca qui plonge sous la plaque Amérique du Sud.

Conclusion Les différents marqueurs permettent de conclure que la côte Ouest de l’Amérique du Sud représentée est une zone de subduction siège d’une activité magmatique. Marqueurs morphologiques + (voir Google Earth)

Marqueurs magmatiques

Fosse océanique Chaîne de (-8000m) (montagnes (+7000m) : axe des plis parallèles à la fosse.

Volcans alignés parallèlement à la fosse.

600 350 300

250 200 0

0

Plaque Amérique du Sud 1.7

u ro Pé

Plaque Nazca

Fosse océanique

Foyers des séismes jusqu’à 600 km de profondeur. Les courbes reliant les séismes de même profondeur permettent de visualiser le plan de Wadati-Benioff.

15

10

u ed ss Fo

600 300 250

Lignes reliant les foyers des séismes de même profondeur (km)

Marqueurs sismiques

A

1.0

B

77

Vecteur vitesse d'après des mesures GPS (mm/an) Volcans

Plaque plongeante

Document 3

77

61

Fosse du Ch ili

77

1.9

100 km

Vecteurs GPS de déplacement de la plaque Nazca et de la plaque Amérique du Sud : les plaques sont en convergence.

Une subduction Océan-Océan, le long de l’arc insulaire des îles Tonga : convergence de la plaque Pacifique et de la plaque indo-autralienne. Les données recueillies par Google Earth ne figurent pas dans ce corrigé.


73


Les données morphologiques et volcaniques

Les points blancs correspondent aux volcans. Les données GPS montrent que des points situés sur la plaque pacifique se déplacent vers le Nord Ouest à une vitesse d’environ 10 cm par an alors que des points situés sur la plaque indo-autralienne se déplacent vers le Nord Est à une vitesse comprise entre 50 et 70 mm par an. Le mouvement relatif de ces deux plaques traduit bien une convergence et la frontière de ces deux plaques est donc une frontière de convergence.

La profondeur des foyers sismiques augmente d’Est en Ouest.

Conclusion La limite entre ces deux plaques est marquée par : l’existence

d’une fosse ; une activité sismique avec des foyers séismiques d’autant plus profonds que l’on s’éloigne de la fosse vers l’Ouest ; l’existence d’un volcanisme au niveau d’un arc insulaire parallèle à la fosse.

74



Tous ces indices constituent des marqueurs d’une zone de subduction et la disposition des foyers sismiques laisse à penser que c’est la plaque Pacifique qui plonge sous la plaque Indo-autralienne. Les différents marqueurs figurés sur la coupe permettent de conclure que la région des îles Tonga est une zone de subduction siège d’une activité magmatique. Volcan

Fosse 180 km

Plaque australienne

Plaque chevauchante

100 km

Profondeur (km)

Subduction de la plaque pacifique

Plan de Wadati Benioff

700

Les deux zones de subduction étudiées montrent, outre une topographie particulière et une activité sismique, marqueurs de la subduction, une activité magmatique localisée au niveau de la plaque chevauchante parallèlement à la fosse.


Montrer qu’il existe dans une zone de subduction une signature thermique du magmatisme Il s’agit de montrer que dans une zone de subduction, il existe une

double anomalie thermique, signature de la subduction de la lithosphère océanique et du magmatisme. Le document 6 présente la variation du flux thermique en surface dans une zone de subduction : le flux de chaleur augmente (>160mW.m-2) au niveau des arcs volcaniques ou de la cordillère, et diminue (< à 40mW.m-2) au niveau de la fosse. Les documents 4,5 et 10 (chapitre 1), qui ont été réalisés par tomographie sismique, permettent de repérer au niveau de la côte ouest de l’Amérique du Sud, des îles Tonga et du Japon, l’existence d’une zone d’anomalies


75


positives de la vitesse de propagation des ondes sismiques en profondeur. Une anomalie positive signifie qu’il existe un matériel plus froid et plus rigide que celui que l’on s’attendait à trouver aux profondeurs indiquées. Cela traduit la plongée d’une lithosphère froide de plus en plus profondément, ce qui confirme l’idée d’une subduction : cette zone de matériel plus froid et plus rigide plonge de l’Ouest vers l’Est au niveau de l’Amérique du Sud ce qui reflète le plongement de la plaque Nazca sous la plaque Amérique du Sud; elle plonge de l’Est vers l’Ouest aux Iles Tonga ce qui correspond à la subduction de la plaque Pacifique sous la plaque des Philippines et au niveau du Japon où cette fois-ci la plaque Pacifique subducte sous la plaque Eurasienne. De même la répartition des isothermes présentée dans le document 11 (chapitre 1) révèle la présence d’une zone anormalement froide s’enfonçant depuis l’aplomb de la fosse vers l’arc et au-delà En outre, on note au niveau des documents 4, 5 et 10 (chapitre 1) des anomalies négatives signifiant qu’il existe du matériel plus chaud dans une zone située au niveau de la plaque chevauchante, au-dessus du toit de la lithosphère plongeante. Ces anomalies peuvent être mises en relation avec le volcanisme observable en surface. Ainsi, l’augmentation du flux reflète l’ascension et l’accumulation des magmas dans la plaque chevauchante alors que la diminution de ce dernier correspond à l’enfoncement de matériel froid au niveau de la fosse, c’est-à-dire à la subduction de la lithosphère océanique. Les marqueurs des zones de subduction Flux thermique

anomalie –

Zone de divergence

anomalie +

Marqueurs thermiques

Zone de convergence

Dorsale

Zone de subduction Marqueurs morphologiques Marqueurs magmatiques Relief + Chaîne de montagnes ou arc insulaire

Volcans associés à la chaîne de montagnes ou à un arc volcanique

PLAQUE CHEVAUCHANTE

croûte océanique manteau lithosphérique

PLAQUE PLONGEANTE fusion partielle

00

mouvements de plaques magma à composition basaltique foyers sismiques


manteau

13

asthénosphère

76



°C Marqueurs sismiques

Répartition des foyers sismiques suivant le plan de Benioff-Wadati

0

Profondeur (km)

Relief – Fosse océanique

50

100

Activité 9

Préciser les caractéristiques des magmas associés aux zones de subduction à partir de l’étude des roches magmatiques Le document 7 présente une région du Pérou située en bordure de

l’océan Pacifique. Quels sont les indices de convergence lithosphérique observables au niveau de cette région, frontière entre la plaque Nazca et la plaque sud-américaine ? La frontière entre ces deux plaques est marquée par : ▶ l’existence

d’une fosse océanique,

▶ la

présence d’un volcanisme récent parallèle à la fosse au niveau de la cordillère. Ces deux indices, juxtaposition d’un relief négatif (fosse océanique) et d’un relief positif (chaîne de montagnes) et présence de volcanisme, sont des indicateurs de la présence d’une zone de subduction : la plaque Nazca plonge sous la plaque sud américaine. D’autres indices de convergence sont observables au niveau du document 7. Des structures tectoniques, telles que des chevauchements (exemple au niveau de la région du Lac Titicaca), des failles inverses et les plis qui affectent les terrains sédimentaires traduisent le raccourcissement et l’épaississement de la marge andine dans ce contexte de convergence. Toutes ces structures sont grossièrement perpendiculaires à l’axe de convergence.

Dans les zones de convergence l’importante activité magmatique pro-

duit des roches variées, des roches volcaniques mais aussi des roches plutoniques de type granitoïdes (document 7). En confrontant les données des documents 8 , 9 et 12, et en prenant en compte le fait que la diversité observée peut être liée à la composition chimique du magma ou à la vitesse de refroidissement, il est possible d’identifier les roches A,B,C,D et E.


77


78



Identification de la roche

Andésite

Magma riche en eau

Granite

Moins riche en silice (55 Riche en silice ( + à 60 %), plus riche en de70%), Na et K, ferroma- ferromagnésiens gnésiens peu importants Magma riche en eau

Feldspaths plagioclases, amphibole et biotite

Diorite

Riche en silice (+ de 70%), Na et K, ferromagnésiens peu importants

Feldspaths plagioclases, amphibole et biotite

Feldspaths plagioclases de feldspaths potassiques, quartz et biotite

Rhyolite

Feldspaths plagioclases de feldspaths potassiques, quartz et biotite

Lente

Lente

En profondeur

Roche magmatique plutonique

Grenue

Couleur claire : Gris pâle

Roche D

Rapide

En profondeur


Grenue

Gris foncé

Roche C

Rapide

Moins riche en silice (55 à 60 %), plus riche en Chimie du magma ferromagnésiens

Minéraux

Vitesse de refroidissement

En surface

Lieu de mise en place (profondeur En surface de cristallisation)

Microlitique Roche magmatique volcanique

Microlitique

Couleur claire : Gris pâle

Roche B

Roche magmatique volcanique Roche magmatique vol/Roche magma- canique tique plutonique

Structure

Couleur générale Gris foncé de la roche

Roche A

Granodiorite

Magma présentant une certaine richesse en ferromagnésiens et en eau

Feldspaths plagioclases, feldspaths potassiques, quartz amphibole et biotite Chimie du magma intermédiaire entre C et D : Silice (entre 60 et 70%)

Lente

En profondeur


Grenue

Couleur de nuance intermédiaire entre C et D

Roche E

Les différences existant entre ces roches proviennent : de la vitesse de refroidissement liée à la profondeur de mise en place, de la chimie des magmas dont elles sont issues. Les roches A et C proviennent de la cristallisation d’un magma de même chimie mais dont le temps de refroidissement a été différent. On peut effectuer la même remarque pour les roches B et D. Par contre, la roche E provient de la cristallisation en profondeur d’un magma dont la composition est intermédiaire. Comparaison d’une roche magmatique des dorsales et d’une roche

magmatique des zones de subduction. Composition minéralogique : minéraux Roche magmaCaractéristiques caractéristiques tique à structure des magmas (Documents 9, 10 et 12) microlitique (Documents 11et 12) Minéraux hydratés en vert Magma Basaltes

Dorsales océaniques Roches sombres

Fluide Moins siliceux

Pyroxène, Feldspaths plagioclases

pas hydraté

Andésites Zones Roches plus de subduction claires que les basaltes

Les magmas ou laves qui atteignent la surface sont peu fluides, riches en gaz : les éruptions sont violentes (libération brutale de gaz emprisonnés dans le magma) visqueux +siliceux +hydraté

Feldspaths plagioclases, un peu de Quartz, Amphibole (hornblende), Biotite

Les roches magmatiques des dorsales et des zones de subduction présentent une certaine proportion de minéraux ferromagnésiens, ce qui indique l’origine mantellique des magmas dont elles sont issues (document 12). La présence de minéraux hydroxylés dans les roches magmatiques, telles que l’andésite, indique la richesse en eau des magmas des zones de subduction.

Activité 3

Établir un lien entre profondeur de la plaque plongeante et répartition des édifices volcaniques actifs En comparant plusieurs zones de subduction on peut déterminer la


79


profondeur à laquelle pourrait se déclencher la fusion partielle à l’origine du magmatisme. Dans le document 13, un lien est établi entre les volcans en surface et le plan de Wadati-Benioff, c’est-à-dire le plan de subduction, en traçant un trait à la verticale des volcans et en mesurant la distance entre la fosse et les volcans. Le fait de travailler sur plusieurs zones de subduction permet de généraliser la notion dégagée. On constate que, plus le plan de subduction présente un pendage important, moins la distance entre la fosse et les volcans est grande. En effet, quelque soit la zone de subduction considérée, les volcans sont situés à l’aplomb du plan de Wadati-Benioff, lorsqu’il atteint une profondeur d’environ 100 à 150 km. Les constats effectués précédemment permettent de formuler les hypo-

thèses suivantes. Les roches situées à cette profondeur susceptibles de subir une fusion partielle à l’origine des magmas sont : les roches constituant le manteau au-dessus de la plaque plongeante (hypothèse 1), les roches de la croûte océanique (hypothèse 2), les roches constituant le manteau au-dessus de la plaque plongeante et les roches de la croûte océanique (hypothèse 3). L’étude des roches magmatiques des zones de subduction lors de l’activité 2 a montré que ces roches contiennent une proportion de minéraux ferromagnésiens (biotite, amphibole) qui indique l’origine mantellique des magmas dont elles sont issues (document 12). On peut par conséquent retenir l’hypothèse 1 : le magma provient de la fusion partielle des péridotites du manteau au-dessus de la plaque plongeante.

Activité 4

Préciser les conditions de genèse des magmas dans les zones de subduction Il s’agit de montrer que, dans une zone de subduction, la présence

d’eau est nécessaire pour qu’il y ait fusion partielle des péridotites du manteau au-dessus de la plaque plongeante. Le document 14 présente les résultats de fusions expérimentales de péridotites dans des conditions de température, de pression et d’hydratation différentes. D’après le document 14a, on constate que le géotherme des zones de subduction (variation de la température de la péridotite en fonction de la profondeur) ne dépasse jamais la température de fusion commen-

80



çante (solidus) de péridotites sèches. Il ne peut donc pas y avoir de fusion partielle de la péridotite à l’aplomb des zones de subduction donc pas de formation de magmas pour une péridotite sèche car la température n’est pas suffisante. D’après le document 14b, on constate que si la péridotite est hydratée, elle commence à fondre à une température moins élevée (son solidus est déplacé vers des températures plus basses). Dans ces conditions, le géotherme des zones de subduction dépasse les conditions de fusion commençante : l’eau abaisse la température de fusion partielle des péridotites. Ainsi entre 100 et 150 km (activité 3) de profondeur, une température de 1000°C suffit pour provoquer cette fusion partielle qui permet la formation de magmas et explique le magmatisme des zones de subduction. Remarque L’andésite, la rhyolithe (document 11) contiennent de l’eau dans leurs compositions chimiques. Ce fait permet de valider le modèle expérimental du document 14b de la fusion partielle d’une péridotite hydratée, et par la même, d’expliquer la présence d’eau dans les magmas des zones de subduction, d’où la formation de minéraux tels que les amphiboles et les micas qui sont des minéraux hydratés (document 10).

Au cours de la subduction les roches de la croûte océanique subissent

un métamorphisme Haute Pression-Basse Température. Les métagabbros du faciès Schistes Verts se transforment en métagabbros du faciès Schistes Bleus puis en métagabbros du faciès Eclogites. On peut émettre l’hypothèse que certaines des transformations minéralogiques libèrent de l’eau, à l’origine de l’hydratation des péridotites situées au dessus de la lithosphère plongeante. Les conditions de pression et de température auxquelles sont sou-

mises les péridotites mantelliques ne sont pas les mêmes suivant les contextes géodynamiques. Le taux de fusion partielle ne doit pas être identique au niveau d’une dorsale et au niveau d’une zone de subduction, ce qui entraîne la formation de magmas de composition différente. De plus les péridotites ne sont pas hydratées dans un cas et le sont dans l’autre, la présence d’eau dans le magma résultant de la fusion partielle des péridotites des zones de subduction permet la formation des minéraux hydratés constituant les roches magmatiques présentes dans ces zones.


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L’activité magmatique associée à la subduction sous une marge

continentale active. Flux thermique

Zone de divergence

anomalie +

anomalie –

Marqueurs thermiques

Dorsale

Fosse

G

SV

SV


E 13

00

°C

mouvements de plaques métagabbro

G

gabbro

SB (faciès schiste bleu)

SV

métagabbro (faciès schiste vert)

E

50

100

Répartition des foyers sismiques suivant le plan de Benioff-Wadati

foyers sismiques

Activité 5

magma composition andésitique fusion partielle des péridotites hydratées du manteau de la plaque chevauchante

SB

manteau

magma à composition basaltique fusion partielle des péridotites non hydratées

0

Profondeur (km)

croûte océanique


Marqueurs magmatiques Roches plutoniques Roches volcaniques Structure grenue Structure microlitique ANDÉSITES... GRANITOïDES

métagabbro (faciès éclogite)

Relier le métamorphisme de la plaque plongeante au magmatisme observé au niveau de la plaque chevauchante Le métamorphisme de la plaque plongeante à l’origine de l’hydratation des péridotites du manteau.

Zone de divergence

Zone de convergence

Dorsale

Zone de subduction Volcans Fosse

H2O

G MG


SV

SV

PLAQUE CHEVAUCHANTE

SB

PLAQUE PLONGEANTE

asthénosphère

H2O

E

fusion partielle Gabbro

Métagabbro

Feldspath plagioclases Pyroxène

Conditions de métamorphisme

82


H2O

Feldspath plagioclases Pyroxène Amphibole (hornblende)

H2O

Métagabbro (Faciès Schiste vert)

Métagabbro (Faciès Schiste bleu)

Feldspath Feldspath plagioclases plagioclases Amphibole H O Amphibole H O 2 (glaucophane) 2 (actinote) Chlorite

Métamorphisme de la dorsale à la zone de subduction - hydratation - diminution de la température



0 50


Métagabbro (Faciès éclogite)

Jadéite Grenat

Métamorphisme dans une zone de subduction BT-HP - déshydratation - augmentation de la température

100

Profondeur (km)

croûte océanique

Bilan Couplage entre le métamorphisme de la lithosphère océanique et le magmatisme créateur de croûte continentale dans une zone de subduction. Zone de divergence

Zone de convergence

Dorsale

Zone de subduction Volcans Fosse

G MG


SV

SV

SB

PLAQUE PLONGEANTE

asthénosphère

E

H2O

croûte continentale PLAQUE CHEVAUCHANTE manteau

Métagabbro

Feldspath plagioclases Pyroxène

Conditions de métamorphisme

H2O

Feldspath plagioclases Pyroxène Amphibole (hornblende)

H2O

Métamorphisme de la dorsale à la zone de subduction - hydratation - diminution de la température

50 100

fusion partielle Gabbro

0

Métagabbro (Faciès Schiste vert)

Métagabbro (Faciès Schiste bleu)

Feldspath Feldspath plagioclases plagioclases Amphibole H O Amphibole H O 2 (glaucophane) 2 (actinote) Chlorite

Profondeur (km)

croûte océanique

Métagabbro (Faciès éclogite)

Jadéite Grenat

Métamorphisme dans une zone de subduction BT-HP - déshydratation - augmentation de la température

Remarque Le manteau hydraté est entraîné par la subduction de la plaque plongeante, il ne présente une fusion partielle que dans certaines conditions de pression correspondant à 100-150 km de profondeur.


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C orrection des exercices Exercice 1

Questions à choix multiples (QCM) Réponse correcte : b. Réponses correctes : a et c Réponse correcte : c Réponse correcte : c Réponse correcte : c

Exercice 2

La fusion partielle des péridotites dans les zones de subduction Réponses correctes : b et e. a) Faux. Le géotherme de cette zone ne permet pas la fusion des péridotites sèches. c) Faux .La péridotite qui fond est celle du manteau situé au-dessus de la plaque plongeante. d Faux. car e correcte f) Faux. Une fusion totale des péridotites donnerait un magma qui en cristallisant redonnerait des péridotites, or il se forme un magma à composition andésitique.

Exercice 3

Le magmatisme des zones de subduction Tectoglob permet d’effectuer les observations suivantes : Les volcans de Sumatra constituent un arc volcanique parallèle à la fosse océanique indicateur de la zone où la plaque Australo-indienne plonge. Ils sont donc localisés sur la plaque chevauchante, c’est-à-dire, la plaque Eurasienne. a) Faux

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Si l’on effectue une coupe dans cette zone de subduction, on constate que Les volcans situés sur l’île de Sumatra sont localisés à l’aplomb des foyers sismiques situés entre 100 et 150 km. b) Réponse correcte et f réponse fausse. c) Réponse fausse car la lithosphère océanique n’est pas ductile mais cassante puisque des séismes sont observables au moins jusqu’à 600 km de profondeur. d) Réponse fausse car c’est la plaque australo-indienne qui passe en subduction sous la plaque Eurasienne. e) Réponse fausse, le volcanisme de Sumatra est un volcanisme caractéristique des zones de subduction, explosif avec des coulées visqueuses de nature andésitique. Fosse 245 km

Arc volcanique Plaque Eurasienne

Plaque Australo-Indienne

Plaque chevauchante

Subduction de la plaque Australo-Indienne

Profondeur (km)

150 km Plan de Wadati Benioff

600

Sumatra est une zone frontière entre la plaque Eurasienne et la plaque Australo-indienne. Cette dernière est une plaque rapide qui se déplace vers le Nord est environ 7 cm.an-1 alors que la plaque eurasienne dans cette région se déplace vers le Sud Est à raison d’environ 3 cm.an-1 : le mouvement relatif de ces deux plaques est un mouvement de convergence. g) Réponse correcte


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Exercice 4

Le trajet P-T temps d’une roche a) réponse fausse. Une température de 350 °C et une pression de 0,5GPa ne permettent pas la formation de glaucophane, ces conditions correspondent au domaine de stabilité C. Le champ de stabilité de la glaucophane comprend les domaines D, E et F. dans le document 3, le trajet indiqué passe par le domaine D. b) réponse fausse car c = réponse correcte. La glaucophane est un minéral indicateur d’une augmentation de pression subie par la lithosphère océanique, et par voie de conséquence par un gabbro de la croûte océanique, au cours de la subduction sans augmentation de température. d) et e) : réponses correctes. Une température de 350 °C et une pression de 0,5GPa permettent la formation de chlorite, ces conditions correspondent à son domaine de stabilité C. Le document 3 montre que la croûte océanique qui va plonger est constituée de métagabbros contenant de la chlorite (faciès Schistes Verts) et qu’un métagabbro subduit peut remonter et se retrouver dans les conditions de température et de pression qui permettent à nouveau la formation de chlorite. f) réponse correcte car le document 2 montre que la chlorite entoure la glaucophane, minéral indicateur de subduction, elle s’est donc formée postérieurement à ce minéral lors de la remontée du fragment de lithosphère océanique. g) réponse fausse. Le document 2 indique que la chlorite présente s’est formée postérieurement à la glaucophane. La seule observation de cet échantillon ne permet donc pas d’affirmer qu’elle l’indice que la lithosphère océanique s’est trouvée dans le domaine de stabilité C avant la subduction.

Exercice 5

Les témoins des étapes de l’histoire d’une chaîne de montagnes Pour montrer que la chaîne himalayenne résulte de la fermeture d’un domaine océanique liée à la convergence des deux plaques lithosphériques indienne et eurasiatique, il faut rechercher dans les données fournies : les

indices restant de ce domaine océanique, les indices du mécanisme par lequel de la lithosphère océanique disparaît c’est-à-dire les indices d’une subduction. les indices d’une convergence à l’origine d’une collision. Les traces d’un domaine océanique dans les terrains constituant la

chaîne himalayenne. Les terrains constituant la chaîne himalayenne (documents 4 et 5) contiennent des ophiolites (suture de Tsango, s’étendant d’est en ouest et que l’on peut aussi observer au niveau de la coupe),

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ensemble de métabasaltes, métagabbros (document 6a) et métapéridotites qui sont de même composition que le plancher océanique et dont on pense qu’ils sont des lambeaux. Ces ophiolites prouvent la présence ancienne d’une lithosphère océanique au niveau de l’Himalaya, et donc la présence ancienne d’un domaine océanique avant la chaîne de montagne. Elles témoignent d’un domaine océanique disparu. Ces terrains comportent aussi des sédiments marins : ils témoignent également de l’histoire océanique de la chaîne : au fur et à mesure de la formation de la lithosphère océanique, ces sédiments marins se sont déposés. Les traces de la fermeture du domaine océanique par subduction Le document 4 montre : des sédiments de prisme d’accrétion présents

d’Est en Ouest. Or, La disparition du plancher océanique se produit par subduction, c’est-à-dire plongement de la lithosphère océanique sous une autre lithosphère, le plus souvent continentale. Les sédiments marins présents sur le plancher océanique ont tendance à s’accumuler dans la fosse et forment une masse de sédiments très déformés appelée prisme d’accrétion. Dans

l’Himalaya, on retrouve des granites de subduction (documents 4 et 5).

Lorsque la plaque plongeante atteint une certaine profondeur, une fusion partielle se produit et le magma en résultant est à l’origine d’un plutonisme (granites et granodiorites) et d’un volcanisme (rhyolites et andésites). La disposition dans l’espace des sédiments marins, du prisme et des ophiolites, et des granites de subduction suggère une subduction où la plaque plongeait vers le nord. Le

document 6a indique que certains métagabbros présents dans les ophiolites himalayennes contiennent à la fois de la glaucophane et de la jadéite, minéraux qu’on ne trouve pas dans un gabbro océanique au moment de sa formation à la dorsale.

En profondeur se produisent lors de la subduction des transformations minérales à cause des nouvelles conditions de pression et de température auxquelles sont portées les roches. Dans une zone de subduction, c’est surtout la pression qui est élevée, car la lithosphère qui s’enfonce se réchauffe lentement. Les ophiolites himalayennes qui contiennent à la fois de la glaucophane et de la jadéite, sont passées dans le domaine C du document 6b, présentant les domaines de stabilité de quelques associations minérales, c’est-à-dire dans un domaine où la pression est très élevée, et la température peu élevée (par rapport aux autres domaines du graphique) : profondeur comprise entre 25 et 50 km, températures de 150 à 400°C.


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Les traces de la collision

La fermeture de l’océan entraîne l’affrontement de deux lithosphères continentales. Quels sont les indices révélant cet affrontement ? Le document 5 indique la présence d’une croûte anormalement épaisse (elle atteint 70 km). Une coupe située vers le km 400 montre une couverture sédimentaire, déformée, plissée reposant sur un socle métamorphisé, reposant luimême sur un socle non déformé : les deux socles sont séparés par une surface, un contact anormal appelé chevauchement. Cela signifie qu’il y a superposition de deux croûtes continentales, ce qui explique l’épaisseur de 70 km. Au cours de l’affrontement des deux lithosphères, la lithosphère indienne s’est cassée et une partie a été charriée sur l’autre partie. La formation et la superposition de ces écailles de croûte continentale sont à l’origine du relief très marqué de la région. Lorsqu’à la suite d’une disparition du plancher océanique, les continents viennent en contact, il n’y a plus de différence de densité qui permette à une des plaques de s’enfoncer sous l’autre. Les deux continents se déforment alors. Il se produit des plis et des failles très inclinées appelées chevauchements. Le sens des chevauchements est influencé par l’orientation de la subduction : les plans de chevauchement ont le même sens d’inclinaison que le plan de subduction. Par ailleurs, Sur les documents 4 et 5, on retrouve des ophiolites dont certaines sont à glaucophane et jadéite et sont passées par une profondeur de plus de 25 km (document 6b). Leur présence en surface atteste d’intenses déformations. Les chevauchements de la carte et de la coupe sont orientés comme le plan de la subduction qui a entraîné la disparition du domaine océanique. En outre, la lithosphère continentale indienne présente également cette inclinaison, comme si la lithosphère continentale suivait le mouvement de la lithosphère océanique lors de la subduction.

Bilan La migration de la plaque indienne vers le nord a fait disparaître un domaine océanique. Des traces de ce domaine (documents 4 et 5 : sédiments marins, ophiolites), des déformations (document 4 : prisme d’accrétion) et transformations minérales (document 6 : métagabbro à glaucophane et jadéite) qui ont accompagné sa disparition permettent actuellement de détecter cet océan disparu. Enfin, la collision continentale (documents 4 et 5) consécutive à la disparition complète du domaine océanique a eu pour conséquence la formation de la chaîne himalayenne.

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Traces d’un ancien domaine océanique Documents 4 et 5 Ophiolites : ensemble de roches magmatiques plus ou moins métamorphisées qui sont des fragments de croûte océanique et du manteau supérieur

Traces de la fermeture du domaine océanique par subduction Documents 4

Documents 4 et 5

Documents 6

Sédiments de prisme

Granites de Métagabbros à glaus u b d u c t i o n , cophane et jadéite :

d’accrétion

témoins du témoins du métamorma g ma t is m e phisme Haute Presde la plaque sion-Basse Tempéra-

Sédiments marins

chevauchante

ture affectant la plaque plongeante

L’Himalaya : chaîne de montagnes de collision

Traces de la collision Reliefs positifs importants : montagnes (documents 4 et 5) Déformations : plis, chevauchement (documents 4 et 5) Présence d’une racine crustale : épaississement crustal (document 5) Présence en surface d’ophiolites métamorphisées lors d’une subduction (documents 4, 5 et 6)

Exercice 6

Les arguments en faveur d’un modèle présentant l’évolution géodynamique d’une région Un modèle de l’histoire géologique du nord de la Nouvelle-Calédonie propose six étapes figurées dans le document de référence. Ce modèle géodynamique montre que la partie Nord de la Nouvelle-Calédonie résulte d’une subduction et d’une collision. Il s’agit de retrouver certains arguments qui ont permis d’établir ce modèle. Les objets géologiques actuels de la partie Nord de la Nouvelle-Calédonie

Le document 7 présente une coupe schématique du Nord de la NouvelleCalédonie. Le sous-sol de la partie Nord montre des unités juxtaposées et déformées : un pli et une faille, dans l’unité de Pouébo, des failles


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inverses dans les unités de Koumac et de Diahot et un charriage (chevauchement de grande amplitude), des ophiolites sur l’ensemble des unités. Cette nappe ophiolitique s’est donc mise en place postérieurement aux unités qu’elle chevauche, c’est-à-dire les unités sédimentaires de Koumac et Diahot et les unités magmatiques de Poya et Pouébo. Toutes ces déformations sont de type compressif et sont dues à une convergence. Les terrains déformés contiennent des basaltes (Poya et Pouébo), des roches sédimentaires (Pouébo et Koumac). Enfin, les terrains contiennent des minéraux caractéristiques du métamorphisme. Les ophiolites témoins de l’histoire océanique de la région

Le document 8 présente la lithologie des ophiolites de Nouvelle-Calédonie identique à celle d’une lithosphère océanique de référence. On remarque une grande similitude entre les deux coupes. De bas en haut, on trouve des péridotites, des gabbros, un complexe filonien (bien que moins épais dans les ophiolites) et enfin, des basaltes en coussins et des sédiments. On peut donc affirmer que les ophiolites de NouvelleCalédonie sont un fragment de lithosphère océanique. Des minéraux, témoins d’une subduction

Le document 9 permet de déterminer les conditions de pression et de température qui ont entraîné la formation des minéraux du métamorphisme qu’indique le document 7. Les grenats et les jadéites des basaltes et des roches sédimentaires de l’unité de Pouebo ont été formés dans les conditions thermodynamiques de la zone G du diagramme pression/ température, qui seule permet la stabilité de ces deux minéraux. Les conditions thermodynamiques correspondent à une pression supérieure à 0,8 GPa et une température comprise entre 200 et 550 degrés Celsius. De même, les glaucophanes des unités de Koumac et Diahot ont été formées dans les zones D, E ou F, c’est-à-dire à une pression comprise entre 0,4 GPa et 1,5 GPa et une température comprise entre 100 et 500 degrés Celsius. L’ensemble de ce métamorphisme, dû à une pression qui peut être très élevée, est caractéristique d’une zone de subduction : il s’agit d’un métamorphisme Haute pression -Basse température. Il n’est pas donné d’indications sur les minéraux des basaltes et rares gabbros de l’unité de Poya : cette unité pourrait être de la croûte épaissie non entrée en subduction.

Bilan : L’adéquation du modèle proposé aux données documentaires Le modèle proposé présente un domaine océanique qui subit une convergence, ce qui se traduit par une subduction qui finit par se bloquer. Pour chaque unité de terrains, nous montrerons que les phénomènes schématisés sur le document de référence sont en adéquation avec les données des documents.

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La

future unité de Poya (A) est constituée de croûte océanique, ce qui correspond au fait que l’on y trouve essentiellement des basaltes. Elle n’est pas engagée dans la subduction, ce qui est en adéquation avec le fait que dans le document 7, il ne soit pas fait mention de métamorphisme.

La

future unité du Diahot (B) consiste en des sédiments qui se déposent sur la croûte océanique. C’est ce qu’on observe dans le document 7. Cette unité présente des failles (- 40 MA) et est engagée dans la subduction (- 35 MA), dans des conditions thermodynamiques qui conduisent à la présence de glaucophane (documents 7 et 9).

La

future unité de Pouébo (C) est le prisme d’accrétion formé lors de la subduction. Un prisme est formé de sédiments et de basaltes arrachés à la plaque plongeante. C’est bien le contenu de la zone de Pouébo décrit dans le document 7. Dans le modèle, cette unité est engagée dans la subduction, encore plus profondément que la zone Diahot, ce qui explique un métamorphisme plus intense, qui produit des grenats et des jadéites (documents 7 et 9).

Il

y a - 35 MA, la subduction se bloque, mais les flèches des phases suivantes indiquent que la convergence continue. Le chevauchement de la lithosphère océanique (futures ophiolites document 8) sur les autres unités se met alors en place. Sa grande amplitude (plus de 50 km) permet de parler de charriage. Les plis et les failles inverses du document 7 ne sont pas visibles sur le modèle à ce stade. La remontée des unités, représentée à partir de - 32 MA sur le modèle permet de porter en surface les unités soumises au métamorphisme.

L’érosion

permet d’expliquer les différences entre le modèle à –30 MA et la coupe schématique tracée d’après des observations actuelles du document 7.


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Séquence 3 Sommaire Correction des exercices du chapitre 1 Correction des activités du chapitre 2 Correction des exercices du chapitre 3


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C Exercice 1

orrection des exercices du chapitre 1 Au début du XXe siècle Alfred Wegener et la théorie de la dérive des continents Il s’agit de préciser des arguments sur lesquels s’est appuyé Wegener pour élaborer le modèle de la Dérive des continents. Les observations

Les côtes des continents peuvent s’emboîter plus ou moins parfaitement. Ainsi, les côtes atlantiques de Document 1 l’Europe et de l’Afrique sont complémentaires des côtes des continents Position actuelle américains. Si on prend en consides continents dération, non pas le littoral, mais le talus continental, cette observation est encore plus pertinente. Si on referme les océans, par exemple l’océan atlantique, on constate que Document 2 les structures des anciennes chaînes La distribution de montagne (de - 650 à - 450 Ma) des anciens blocs ainsi que les boucliers (anciens continentaux blocs continentaux de plus de 2 Ga) se recollent parfaitement. La distribution de divers fossiles, animaux et végétaux, de plus de 200 Ma, montre que la faune et la flore étaient semblables dans les Document 3 différents continents avant - 240 Répartition mondiale Ma. Ainsi, les fossiles d’un reptile, le de quelques espèces Mesosaurus (- 260 Ma) se retrouvent animales et végétales au Brésil et en Afrique. Il en est de fossiles même pour les fossiles de fougères Glossopteris qui existent en Amérique du sud, en Afrique, en Inde, en Australie et en Antarctique. Des marques de glaciations datant de –250 Ma sont observables au Document 4 niveau du sud de l’Afrique, en Inde, Marques au sud de l’Australie et en Antarcde glaciations tique.

L’interprétation qu’il en a donnée Wegener a supposé que l’Europe et l’Afrique étaient autrefois réunies avec l’Amérique du nord et du sud. Ces continents appartenaient à un même continent qui se serait ensuite disloqué.

Cette observation vient étayer son hypothèse précédente. Elle lui permet de dire que la séparation a été postérieure à –450 Ma).

Il pense que les animaux, vivant il y a –240 Ma, n’ont pas pu traverser les océans qui séparent les continents actuellement. Il considère que l’Amérique du Sud, l’Afrique, l’Inde, l’Australie et l’Antarctique ne constituaient qu’un même continent il y a –240 Ma. La séparation a dû être postérieure à –240 Ma.

Le continent unique auquel appartenaient l’Amérique du Sud, l’Afrique, l’Inde, l’Australie et l’Antarctique devait se trouver près d’un pôle il y a –250 Ma. Les continents suite à la séparation ont migré, ont « dérivé ».


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Wegener, en 1912, émet l’hypothèse qu’autrefois les continents étaient réunis, et que la place qu’ils occupent actuellement résulte d’un déplacement latéral à la manière de radeaux. Des arguments géographiques, (document 1), géologiques (document 2), paléontologiques (document 3) et paléoclimatiques (document 4) ont permis à Wegener d’élaborer cette hypothèse. En raison de la méconnaissance de la nature et des propriétés du manteau, et de l’absence d’un « moteur » à l’origine du déplacement des plaques, cette théorie ne fut pas acceptée.

Exercice 2

De la dérive des continents à la tectonique des plaques Il s’agit de montrer comment la convergence des observations océano-

graphiques avec les mesures de flux thermique a permis à Hess d’avancer l’hypothèse d’une expansion océanique par accrétion de matériau remontant à l’axe des dorsales, conséquence d’une convection profonde. Les reliefs sous marins découverts au lendemain de la seconde guerre mondiale montrent des dorsales océaniques à flux de chaleur élevé qui ont une activité volcanique à l’origine de la formation de la croûte océanique, alors que les fosses océaniques présentent un flux plus faible. Hess pense que le flux élevé s’explique par des mouvements ascendants de convection du manteau à l’origine du fonctionnement des dorsales. Le plancher océanique sans arrêt créé par accrétion de matériau, se refroidit et sa profondeur s’abaisse en s’éloignant de la dorsale jusqu’à la fosse : il serait entraîné par la surface d’une cellule de convection mantellique jusqu’à la fosse où il disparaît dans le manteau grâce à un mouvement de convection descendant d’où le flux faible enregistré. Certaines roches, telles que les basaltes, roches constitutives du plancher

océanique, « fossilisent » et gardent en « mémoire » la direction du champ magnétique correspondant à l’époque de leur formation : on parle de paléomagnétisme. L’étude du champ magnétique dans différentes roches montre qu’au cours du temps, il s’est inversé plusieurs fois au cours des temps géologiques, pour des raisons encore mal connues. Des mesures du champ magnétique terrestre au niveau des fonds océaniques, effectuées à l’aide de magnétomètres traînés par des navires océanographiques, ont révélé l’existence d’anomalies magnétiques par rapport au champ actuel. Elles sont positives, lorsque la direction du champ magnétique enregistré est la même que la direction actuelle, et négatives, lorsque la direction est inverse. On constate une symétrie de répartition des anomalies, disposées en bandes de largeur variables et grossièrement parallèles, de part et d’autre des dorsales océaniques. Elles sont d’autant plus anciennes qu’elles sont éloignées de la dorsale. Les anomalies magnétiques révèlent les mouvements de divergence aux frontières de plaques que sont les dorsales. F. Vines et D. Matthews proposent un modèle de formation du plancher océanique par une montée permanente de lave basaltique dans l’axe des dorsales, les basaltes les plus anciens étant repoussés de part et d’autre de la dorsale. Le phénomène étant continu à l’échelle des

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temps géologiques, les basaltes mis en place au cours d’une période normale du champ magnétique présentent une anomalie positive, car la direction du champ magnétique fossilisé s’ajoute à celle du champ actuel, et ceux qui se sont formés pendant une période inverse, une anomalie négative. Les anomalies magnétiques dues aux inversions du champ magnétique ont permis de calculer la vitesse moyenne de divergence au niveau des dorsales : ainsi la dorsale Est-Pacifique est une dorsale rapide (10 à 16 cm.an1) alors que la dorsale médio-atlantique est plus lente (2 à 3 cm.an-1). Les caractéristiques des trois types de frontières de plaques. Frontières divergentes : zones où deux plaques s’écartent. Au niveau Géodynamique des dorsales se forme la lithosphère océanique

Morphologie

Déformations (tectonique)

Les dorsales sont des reliefs océaniques symétriques, dont la crête axiale est en général située à 2500 mètres sous le niveau de la mer. Leurs flancs descendent en pente douce de part et d’autre de cette crête jusqu’aux plaines abyssales.

Frontières convergentes : zones d’affrontement de deux plaques

zones de subduction zones où la lithosphère océanique disparaît en plongeant (subductant) sous une autre plaque. Le fond océanique, voisin de –4000m, des plaines abyssales s’enfonce nettement dessinant une fosse allongée, étroite et profonde pouvant dépasser 10000m. Au-delà, la fosse est bordée de reliefs plus ou moins marqués et représentés :

zones de collision zones d’affrontement de deux lithosphères continentales. Les zones de collision correspondent à des chaînes de montagnes aux reliefs élevés, atteignant parfois plusieurs milliers de m.

Frontières coulissantes : zones où il y a coulissage entre deux plaques

Des fractures, failles entraînent des décalages dans les reliefs affectés par celles-ci.

soit

par une cordillère, chaîne de montagnes importante marquant le bord d’un continent

soit par un chapelet d’îles

volcaniques isolées formant un arc. Failles normales, Des plis, des failles témoins de témoins d’une inverses, tectonique en l’existence de forces compressives au niveau de la extension. plaque chevauchante.

Des plis, des failles inverses, témoins de l’existence de forces compressives.

Des failles transformantes avec déplacement en sens inverse, témoins de coulissage des lithosphères de deux plaques.


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Séismicité traduisant l’existence de contraintes provoquant des ruptures dans la lithosphère rigide.

L’activité sismique est concentrée sur 20 km environ de part et d’autre de l’axe de la dorsale. Les foyers sont superficiels. Volcanisme à l’aplomb des dorsales : coulées de basaltes en « oreillers » (pillow-lavas).

Volcanisme

Les foyers des séismes sont superficiels, intermédiaires et profonds se répartissent suivant un plan incliné jusqu’à une profondeur de 700 km dans certains cas (les ¾ de l’énergie sismique globale sont dissipés dans ces zones). Le volcanisme est localisé dans des zones éloignées de la fosse au niveau de la plaque chevauchante. Il se caractérise par des éruptions violentes.

Les foyers des Les foyers sissont séismes sont miques s u p e r f i c i e l s , superficiels. intermédiaires et profonds.

Pas de volca- Pas de nisme spéci- nisme fique. fique.

volcaspéci-

Exercice 3

Des alignements volcaniques qui ne sont pas localisés à des frontières de plaques

Introduction :

Dans l’océan Pacifique, l’archipel de la Société constitue un alignement d’îles volcaniques qui s’étend du Sud-Est au Nord-Ouest sur plus de 500 km, depuis l’îlot de Mehetia jusqu’à l’atoll de Scilly. Il s’agit de montrer que les alignements volcaniques des îles de la Société, sont la trace du déplacement de la plaque Pacifique au-dessus d’un point chaud fixe, situé dans le manteau. Ce que l’on observe : les constats

alignement

Document 7 Les îles de la Société.

Document 8 Datation des formations volcaniques de ces îles, par une méthode de chronologie absolue.

Interprétation

îlots

volcaniques À une extrémité de l’alignement de la chaîne NW – SE. des volcans, se trouve un volcan actif situé à situé à l’ouest de la dorsale Est l’aplomb du point chaud, les autres éteints, plus ou moins érodés, forment des îles volcaPacifique. niques dont l’âge augmente quand on s’éloigne volcanisme intra-plaque : les du volcan en activité. Ces volcans proviennent volcans ne sont pas situés à une de l’activité d’un point chaud, région fixe du frontière de plaques. manteau profond à l’origine d’une remontée de augmentation de l’âge des volmatériel chaud solide. Des magmas issus de la cans du SE au NW : Mehetia est fusion partielle de ce matériel à une centaine le plus jeune et Maupiti le plus de kilomètres de la surface perforent épisodiancien. quement la lithosphère de la plaque mobile à une extrémité de la chaîne se au-dessus de ce point chaud. Les alignements trouve un volcan actif (Mehetia). de volcans éteints représentent donc, la direction du mouvement de la plaque au cours des temps géologiques. Le sens du déplacement de la plaque Pacifique = SE à NW Calcul de la vitesse de déplacement de la plaque Pacifique : la vitesse est comprise entre 12,07 cm.an-1 et 11,5 cm.an-1 Remarque : Le point chaud en fonctionnement est actuellement situé au S-E de Mehetia.

98



Exercice 4

Le moteur de la subduction La lithosphère océanique se forme au niveau des dorsales Au cours de son éloignement de l’axe de la dorsale, la lithosphère océanique se refroidit par conduction et s’épaissit progressivement par sa base (diminution de la température du manteau asthénosphérique supérieur de même nature chimique que le manteau lithosphérique : ce dernier s’épaissit donc aux dépends de l’asthénosphère). Dès 30 millions d’années sa densité est supérieure à celle de l’asthénosphère sous-jacente et son plongement au sein de l’asthénosphère devient inexorable. Ce dernier peut être retardé de plusieurs dizaines de millions d’années en raison de la résistance mécanique à l’enfoncement qu’exerce l’asthénosphère solide mais visqueuse. L’âge de la lithosphère océanique en surface n’excède pas 200 Ma. Au cours de la subduction, la transformation en éclogites des roches de la croûte océanique augmente la masse volumique moyenne de la lithosphère. La force de traction exercée par la masse de la lithosphère en subduction constitue un des moteurs de la tectonique des plaques.

Exercice 5

Modèle de la structure de la Terre et de la dynamique de la lithosphère Croûte continentale

DIVERGENCE Dorsale Inde SC

SC

5100 km

2900 km

DIVERGENCE Dorsale

Noyau externe

Japon

SO

Noyau interne

Croûte océanique Manteau lithosphérique

CONVERGENCE Subduction

Afrique

CONVERGENCE Collision Tibet

Moho Discontinuité de Lehman

Océan Atlantique

Océan Pacifique

Amérique du Sud

SC

SO


Exercice 6

Discontinuité de Gutenberg DIVERGENCE Dorsale

Manteau SC Subduction continentale SO Subduction océanique Volcan de point chaud Volcan de subduction Magmatisme de subduction Magmatisme de dorsale Magmatisme de point chaud Zone de fusion partielle du manteau

Les séismes, manifestations de la libération de l’énergie interne de la Terre Les répartitions mondiales des séismes et du volcanisme se super-

posent et permettent de repérer de vastes zones, peu ou pas actives, les plaques lithosphériques, qui sont limitées par des zones géolo-


99


giquement actives, les frontières de plaques. Des séismes dont les profondeurs des foyers sont superficielles, caractérisent les frontières de plaques en divergence (dorsales), et les frontières de plaques en coulissage (failles transformantes telles que celles qui découpent les dorsales). Les frontières de plaques en convergence sont, quand à elles, caractérisées par des séismes dont les foyers sont superficiels à profonds. Un contexte de subduction

Les vecteurs GPS montent que la plaque Pacifique et la plaque Eurasie convergent. La présence d’une fosse océanique montre qu’il s’agit d’un contexte de subduction. Ceci est vérifié si l’on tient compte des foyers des séismes que l’on enregistre dans cette région : Localisation de la coupe

Coupe réalisée dans la région de Sendai Plaque Eurasie

Sendai Fosse océanique

Foyer : 30 km de profondeur

Plan de Wadati Benioff

100



Plaque pacifique

Un séisme et ses conséquences compartiment 1

compartiment 2 Foyer Epicentre Faille Ondes sismiques Déplacement des deux compartiments

Rupture brutale = libération d'énergie

Ondes sismiques Chaleur

Mouvements des plaques = DIVERGENCE

Succession des événements en mars 2011 dans la région de Sendai au Japon Convergence

Subduction de la plaque Pacifique sous la plaque Eurasie

Contrainte

Rupture à 30 km de profondeur au niveau de la plaque Pacifique = Foyer du séisme

Libération d’une grande quantité d’énergie Magnitude 9

Chevauchement (mouvement inverse)

Ondes sismiques

au niveau de la plaque en subduction

Modification de la topographie au niveau de la plaque

À Sendai, dégâts modérés à lourds même sur des structures résistantes

Tsunami à Sendai


101


La réponse n’est pas rédigée. Introduction :

La surface de la Terre est façonnée en permanence par le mouvement des plaques lithosphériques. Il s’agit de montrer que les séismes correspondent à des libérations d’énergie liées à la dynamique de ces plaques. 1. Les frontières de plaques sièges d’une intense activité sismique. Voir réponse à la question 1 2. Les séismes, des libérations d’énergie liées à une mobilité des plaques. a) Le séisme de Sendai, un exemple de relation entre séisme et dynamique des plaques. voir réponse à la question 4 b) Une libération d’énergie en relation avec des contraintes imposées par le mouvement des plaques. Voir réponse question 3 Et Document 13 : l’énergie rayonnée à partir du foyer est évaluée par la valeur de la magnitude : plus cette dernière est élevée plus le séisme a libéré de l’énergie (comparaison de l’énergie libérée par le séisme de Sendai avec l’énergie libérée par d’autres séismes).

Conclusion :

Les mouvements des plaques sont à l’origine de contraintes qui s’exercent sur les roches de la lithosphère situées à leurs frontières, ce qui provoque à un moment donné leur rupture brutale, entraînant un séisme, c’est-à-dire une libération d’énergie qui se dissipe sous forme de mouvements, d’ondes sismiques et de chaleur.

Exercice 7

La place des énergies renouvelables dans les modes de production d’énergie Il s’agit de montrer qu’utiliser l’énergie de la biomasse, des vents,

des courants marins, des barrages hydroélectriques, revient à utiliser indirectement de l’énergie solaire. La lumière solaire permet, dans les parties chlorophylliennes des végétaux, la synthèse de matière organique à partir d’eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone : c’est la photosynthèse qui n’utilise qu’1 % de l’énergie solaire. Ce processus permet, à l’échelle de la planète, l’entrée de matière minérale et d’énergie dans la biosphère. La présence de traces de restes organiques dans les combustibles fossiles (charbons, pétrole) montre qu’ils sont issus d’une biomasse. Ainsi, brûler un combustible fossile, c’est en réalité utiliser une énergie solaire du passé. Cette ressource est présente en quantité limitée et non renouvelable. Le reste chauffe l’air (par l’intermédiaire du sol) et l’eau (ce qui est à l’origine des vents et courants) et évapore l’eau (ce qui permet le cycle de l’eau).

102



Utiliser l’énergie des vents (éoliennes), des courants marins (Hydroliennes), des barrages hydroélectriques, revient à utiliser indirectement de l’énergie solaire. Ces ressources énergétiques elles sont rapidement renouvelables. Les deux sources d’énergie qui sont à l’origine des énergies renouve-

lables sont le Soleil et la Terre. Les énergies renouvelables en relation avec le Soleil : les

panneaux photovoltaïques, les éoliennes, les hydroliennes, les barrages hydroélectriques, l’utilisation de la biomasse grâce à la chaleur dégagée par la combustion de ces matières (bois, végétaux, déchets agricoles, ordures ménagères organiques) ou du biogaz issu de la fermentation de ces matières. Les énergies renouvelables en relation avec la Terre : la

géothermie.

Part des différentes sources d’énergie dans la production d’électricité

en France en 2009

Nucléaire Énergie renouvelable : hydraulique Autres dont géothermie Thermique à flammes

Part des différentes sources d’énergie dans la production d’électricité dans le monde en 2009

Nucléaire Énergie renouvelable : hydraulique Autres dont géothermie Thermique à flammes


103


Part des différentes sources d’énergie renouvelable dans la production d’électricité en France en 2008. L’épaisseur de ce trait représente la part de la géothermie

L’épaisseur de ce trait représente la part de l’énergie solaire Hydraulique Éolien Énergie marine Biomasse

Part des différentes sources d’énergie renouvelable dans la production d’électricité dans le monde en 2009 L’épaisseur de ce trait représente la part des énergies marines Solaire Hydraulique Éolien Biomasse Géothermie

Si l’on compare la part des différentes sources d’énergie en France et

dans le monde, on remarque qu’actuellement en France, la majeure partie de l’énergie est produite par le nucléaire. Alors que mondialement, c’est l’énergie thermique issue de la combustion du charbon et du pétrole qui prédomine. Par contre, si l’on compare la part des différentes sources d’énergie renouvelable en France et dans le monde, on constate qu’il n’y a pas de différences significatives, à part peut-être, une utilisation plus faible des énergies solaires et géothermiques en France. Il faut de plus noter que la production mondiale d’électricité en 2009 a représenté un total de 19958 TWh dont la majeure partie est issue du thermique à flamme essentiellement du fait du développement industriel de pays tels que la Chine qui dispose de grandes réserves de charbon. Les autres énergies renouvelables, dans lesquelles se trouve l’éolien, représentent une faible partie de la production d’électricité. Si l’éolien n’occupe que la 3e place, elle est avec le solaire l’énergie qui a le plus progressé ces 10 dernières années aussi bien dans le monde qu’en France. 104



C

orrection des activités du chapitre 2 A. Pour débuter

Document 1 Modèle présentant les mouvements relatifs des principales plaques lithosphériques

Document 2 Le Flux géothermique en mW.m-2 à l’échelle du globe

Document 3

La Terre produit de la chaleur qui est Établir ainsi un lien entre cette énergie évacuée de façon inégale en surface interne et des phénomènes, en relation avec la tectonique des plaques, observables au niveau de la lithosphère. La lithosphère terrestre est découpée en plaques lithosphériques mobiles les unes par rapport aux autres. Les plaques divergent au niveau des dorsales, convergent dans les zones de subduction et de collision et coulissent le long des failles transformantes. Un volcanisme intraplaque (Hawaï…) ou associé à celui de dorsales (Islande, Açores…) correspond au fonctionnement de points chauds. Un flux de chaleur continu au travers de la croûte correspond à une diffusion de la chaleur interne de la Terre. Ce flux géothermique est très inégalement réparti à la surface du globe. Il est faible audessus des masses continentales, plus élevé au niveau des planchers océaniques. Il est particulièrement important au niveau des dorsales, où il dépasse 200 mW.m-2, et diminue ensuite de part et d’autre de ces dernières. L’Islande présente de très nombreuses Le volcanisme est à mettre en relation sources chaudes liées à son activité avec la situation de l’île au niveau volcanique ce qui lui permet d’utiliser d’une dorsale émergée et d’un point de l’énergie géothermique. Ce volca- chaud(document 1). nisme comme le montre le document 2 est associé à un fort flux géothermique.

L’Islande, une île dont plus de 70 % de la consommation d’énergie proviennent de ses ressources énergétiques hydroélectriques et géothermiques Document 4 La région de Bouillante présente un volcanisme associé à de nombreuses L’exploitation sources chaudes. L’eau circulant dans géothermique de Bouillante en les fractures des roches atteint une température élevée de 250°C. Guadeloupe

La Guadeloupe est située au niveau d’une zone de subduction (document 1) ce qui explique le volcanisme observé.


105


Bilan :

Un flux de chaleur réparti de façon inégale traverse la lithosphère terrestre. Un flux élevé, mis en relation avec le magmatisme observable au niveau des frontières de plaques (dorsales, subduction) et des points chauds suggère l’existence d’une chaleur interne à l’origine de la tectonique des plaques. Comment cette chaleur produite par la Terre peut-elle être à l’origine des mouvements des plaques ? Une introduction présentant le sujet

Il s’agit de montrer qu’une exploitation géothermique dépend à la fois de l’énergie solaire et de l’énergie thermique de la Terre. Des informations retirées des documents en relation avec le sujet Les documents 3 et 4 font référence à l’existence de sources d’eau chaudes. De plus, le document 4 montre que l’eau qui circule dans les failles et les fractures qui affectent les roches est de l’eau de mer et de l’eau de pluie, ces dernières se réchauffant au contact des roches chaudes. Des connaissances acquises antérieurement (ici collège et seconde). L’énergie solaire est le moteur du cycle de l’eau en activant et maintenant constamment les masses d’eau en mouvement : l’échange d’eau est permanent entre les quatre grands réservoirs d’eau de l’hydrosphère (mers, océans), des eaux continentales superficielles et souterraines, de l’atmosphère et de la biosphère. Une conclusion faisant référence aux documents. La circulation d’eau dans les fractures (document 4) dépend par conséquent de l’énergie solaire alors que le réchauffement de cette eau (documents 3 et 4) est à mettre en relation avec la dissipation de chaleur interne de la Terre. La géothermie est une source d’énergie dépendant à la fois de l’énergie du Soleil et de l’énergie de la Terre.


Mettre en relation les variations du flux géothermique en surface avec celles du gradient géothermique en profondeur Le document 2 montre le flux géothermique à l’échelle du globe. Il s’agit d’une représentation où une moyenne des variations de flux plus précises a été effectuée pour une région donnée : la France est ainsi située dans une zone où le flux géothermique varie entre 50 et 100 mW.m-2. Le document 5 permet de constater qu’en fait il existe en France des zones où le flux varie dans des limites différentes : certaines comme par exemple, une partie du Massif Armoricain à l’Ouest, présentent un flux inférieur à 60 mW.m-2, d’autres, comme une partie du massif Central, un flux compris entre 60 et 100 mW.m-2 et enfin des zones où le flux est supérieur à 100 mW.m-2 comme dans l’Est de la France. L’isotherme 1300°C marque la limite lithosphère-asthénosphère : il

sépare un domaine rigide (lithosphère) d’un domaine moins visqueux mais non fondu (asthénosphère), le tout à composition chimique constante (péridotite). Il s’agit donc d’une limite thermique. Le man-

106



teau lithosphérique et le manteau asthénosphérique constituant le manteau supérieur. Sa profondeur dépend du contexte géodynamique. Au niveau des dorsales, le flux de chaleur est important, l’isotherme 1300°C qui marque la frontière entre le manteau lithosphérique et l’asthénosphère est peu profond, le manteau lithosphérique est très peu épais. En s’éloignant de la dorsale, la lithosphère se refroidit, la profondeur de l’isotherme 1300°C augmente donc, ce qui entraîne un épaississement du manteau lithosphérique au dépend de l’asthénosphère : l’isotherme 1300 °C, situé à quelque km de profondeur au départ s’abaisse pour atteindre environ 100 km de profondeur peu avant la subduction. Au niveau de la lithosphère continentale, sa profondeur va dépendre de l’épaisseur de la croûte continentale : elle sera plus faible sous les fossés d’effondrement (rifts) et plus importante sous les chaînes de montagnes où elle peut atteindre 200 km. Le géotherme visualisant la structure thermique de la Terre et les dif-

férentes enveloppes 1000

2000

100

4000

5000

Asthénosphère

670 km Profondeur (Km)

3000

Lithosphère

Température (° K) 0

Manteau inférieur

2000

couche D''

2900 km

Noyau externe 4000

5150 km Noyau interne

6000

Le gradient thermique mesuré au niveau de la lithosphère varie en

fonction du contexte géodynamique. Estimation des différentes valeurs des gradients mesurés au niveau de la lithosphère : Les chiffres fournis ne sont qu’une estimation effectuée à partir du graphique en calculant le gradient à partir d’un relevé de température correspondant à une profondeur de 40 km. 1. Subduction au niveau de la plaque chevauchante 2. Continents 3. Océanique 4. Dorsale

5. Point Chaud

11°C.km-1 14°C.km-1 22,5°C.km-1 À l’aplomb d’une dorsale la chambre magmatique est localisée à environ 2 km de profondeur, le géotherme est alors très élevé autour de 160°C.km-1 dans la croûte en formation 30°C.km-1


107


Il est plus élevé dans les zones correspondant à une dorsale ou un point chaud et plus faible dans les zones de subduction. Il est donc de l’ordre de 10 à 30°C.km-1 alors que le gradient thermique dans le manteau est plus faible de l’ordre de 0,3°C par kilomètre.

Activité 2

Montrer que le flux et le gradient géothermique varient selon le contexte géodynamique Ne pas oublier dans ce type de travail de faire référence aux docu-

ments utilisés. Les différents contextes géodynamiques présentés dans le document 8 et leurs caractéristiques. Contexte géodynamique

Flux thermique (Documents 2 et 8)

Marge active : Subduction Fosse

Plaque chevauchante

Plaines abyssales

Gradient géothermique (document 6b) 11°C.km-1

Morphologie (document 8)

Fosse océanique Arc insulaire ou chaîne de montagnes

20 mW.m-2 Plus de 110 mW.m-2

Magmatisme (connaissances, document 1)

Frontières de plaques et mouvements associés (document 1)

Volcanisme au niveau de Frontières de la plaque chevauchante plaques en et formation de plutons convergence en profondeur

60 mW.m-2

22,5°C.km-1

Absent

Plus de 250 mW.m-2

35°C.km-1

120 mW.m-2

30°C.km-1

Magmatisme au niveau Frontières de de l’axe des dorsales à plaques en l’origine de la création divergence de la croûte océanique (basaltes et gabbros) associée aux péridotites mantelliques résiduelles (partie qui n’a pas fondue dans la zone de fusion partielle) Volcanisme intraplaque (document 8) ou associé aux dorsales (document 1)

Dorsales

Point Chaud

Au niveau des dorsales la croûte océanique qui vient de se former est

fracturée. Elle est le siège d’une importante circulation d’eau de mer. Les gabbros (GA) qui viennent de se former sont encore à une température comprise entre 600 et 900°C. L’hydrothermalisme est à l’origine d’une diminution de température et d’une hydratation de ces derniers, car il entraîne une déstabilisation de leurs minéraux : Pyroxène + Feldspath plagioclase --> Amphibole (Hornblende) qui est un minéral hydraté contenue dans les gabbros (GB).

108



Un aquifère est une formation géologique contenant de façon temporaire

ou permanente de l’eau mobilisable, constituée de roches perméables et capable de la restituer naturellement et/ou par exploitation. Relations existant entre le contexte géodynamique le flux géother-

mique, le gradient géothermique et la possibilité d’exploitation géothermique. Contexte géodynamique Flux géothermique (documents 10 et 11 et (documents 2 et 8) bien sûr le document 1) Subduction : magma- Jusqu’à 110 mW.m-2 tisme au niveau de la plaque chevauchante

Gradient géothermique (documents 6b et 11) (°C.km-1) 100 à 500 dans les zones proches des chambres magmatiques

Autres exploitations aux Philippines et au Japon. Exploitation de Larderello en Toscane (Italie) : fluides constitués de vapeur et de gaz dont la température varie entre 150°C et 260°C Exploitation en Islande (dorsale Atlantique émergée) et développée en Californie (2817MW)en relation avec la dorsale Est Pacifique.

Collision (Document 10) Variable tout dépend de la zone considérée : plus de 1000 mW.m-2 à Larderello

Magmatisme de Dorsales

Magmatisme de Points chauds Dans le domaine continental intraplaque Fossé d’effondrement (Document 2, Rift est africain et document 5 Fossé Rhénan) Bassins sédimentaires (Document 5, Bassin Parisien, Bassin Aquitain)

Plus de 250 mW.m-2

120 mW.m-2

Flux >100 mW.m-2

Exploitation géothermique possible (documents 9, 10 et 11) Exploitation de Bouillante en Guadeloupe (15MW) : fluides dont la température est >150°C

Si on considère l’évolution de la température en fonction de la profondeur aux abords proches d’une dorsale, le gradient estimé est alors très élevé puisque la chambre magmatique est située à environ deux km de profondeur 30 Exploitation à Hawaï (25MW), mais aussi en Islande

30 à 100

Le flux est variable : 10 à 30 compris entre 60 et 100 ou > 100 mW.m-2

Exploitation possible

Exploitation en France (337MW) et aux USA (1874MW)


109


Les exploitations géothermiques sont possibles dans les régions où le flux et le gradient géothermique sont importants (au niveau de zones de dorsales, subductions et points chauds), mais aussi au niveau de régions où le flux et le gradient sont moindres, tels que des bassins sédimentaires présentant des aquifères étendus, c’est-à-dire des quantités d’eau importantes susceptibles d’être renouvelées (cycle de l’eau) et réchauffées par les roches dans lesquelles elles circulent.

Activité 3

Préciser la source principale de chaleur interne Il s’agit d’expliquer les différences d’énergie libérée par les enve-

loppes terrestres. Les roches constituant la croûte et le manteau terrestre (document 12) renferment des éléments chimiques dont certains isotopes radioactifs se désintègrent avec le temps. Mais, du fait des différences de composition, les roches et donc les différentes enveloppes terrestres ne contribuent pas de manière équivalente à la libération de chaleur par radioactivité. En sachant qu’un granite, constituant de la croûte continentale, a un potentiel énergétique 150 fois supérieur à celui des péridotites du manteau, on pourrait penser que c’est la croûte continentale qui va libérer le plus d’énergie sous forme de chaleur. Les données fournies par le document 14, qui prennent en compte, non seulement la composition des différentes roches des enveloppes terrestres, mais aussi le volume de ces dernières, permettent de préciser que c’est le manteau qui est à l’origine de la libération de chaleur due à la radioactivité la plus importante (20TW). Une observation permettant de visualiser la radioactivité dans une

granodiorite observée au microscope.

Mica noir ou biotite Auréole noire due à la désintégration radioactive de U et Th Zircon

La chaleur interne de la Terre a pour origine : la

chaleur initiale correspondant à la libération, par suite du refroidissement des matériaux profonds, de l’énergie accumulée lors de la formation de la Terre ;

la

chaleur de différenciation libérée lors de la cristallisation du noyau solide aux dépends du noyau liquide ;

et

110


surtout la chaleur liée à la désintégration de certains isotopes


radioactifs contenus dans les roches des différentes enveloppes terrestres (environ 27TW sur 43 à 44 TW correspondant à la puissance totale libérée en surface).

Activité 4

Rechercher une relation entre l’existence de zones chaudes et de zones froides à l’intérieur du manteau et la géodynamique de surface Le document 15a présente la carte des anomalies de vitesse de pro-

pagation des ondes sismiques à 100 km de profondeur. Le manteau terrestre est constitué de roches de type péridotites et s’étend de la base de la croûte, dont l’épaisseur varie entre 0 et moins de 10 km pour la croûte océanique et entre 10 et 80 km pour la croûte continentale, jusqu’à la limite noyau-manteau située à 2 900 km de profondeur. Par conséquent, la profondeur de 100 km correspond dans le manteau soit à du manteau lithosphérique soit à du manteau asthénosphérique ; tout dépend de la zone terrestre considérée. Ainsi près des dorsales, le manteau lithosphérique étant peu épais, une profondeur de 100 km correspondra à de l’asthénosphère. Lorsque la lithosphère s’éloigne de l’axe de la dorsale, du fait de son refroidissement, elle s’épaissit par le bas, c’est à dire que l’épaisseur de croûte océanique restant la même, c’est l’épaisseur du manteau lithosphérique qui augmente : à un moment donné 100 km correspondra au bas du manteau lithosphérique ou à la limite lithosphère –asthénosphère. Si on prend en compte le document 15b, et au vu de son épaisseur totale, on peut donc considérer que la profondeur de 100 km correspond au sommet du manteau. Dans la couche située au sommet du manteau, le modèle tomographique montre une forte corrélation entre la position des hétérogénéités de vitesse et la géologie de surface. Sachant que les anomalies de vitesse sismique sont associées à des variations de température des roches (les anomalies positives correspondent à des zones plus froides et plus denses et les anomalies négatives correspondent à des zones plus chaudes et moins denses), on peut dire qu’au sommet du manteau, il existe des zones plus chaudes que l’on peut mettre en relation avec les frontières de plaques (dorsales, plaques chevauchantes des zones de subduction et certaines parties des zones de collision) et des zones plus froides localisées au niveau des vieux continents (Amérique du Nord et du Sud, Antarctique, Afrique, Nord de l’Eurasie et Australie). À 2850 km de profondeur, à la base du manteau, la tomographie sis-

mique du document 15 b, permet de repérer que la structure thermique est dominée par deux larges anomalies de vitesses lentes correspondant à des zones plus chaudes situées essentiellement sous l’Afrique et le Pacifique, bordées par des anomalies de vitesses plus rapides où le manteau est plus froid.


111


On peut se demander s’il existe ou non un lien entre les zones chaudes

et froides superficielles et les zones chaudes et froides situées à 2850 km de profondeur. Les matériaux mantelliques plus chauds du sommet du manteau remontent-ils des profondeurs ? Les matériaux plus froids situés à la base du manteau proviennent-ils de la surface ? Le document 16 présente une coupe effectuée grâce à la tomographie

sismique du sommet du manteau à sa base de la dorsale Est Pacifique à l’Amérique du Sud. On retrouve bien en surface comme dans le document 15a, une zone où le manteau est plus chaud au niveau de la dorsale Est Pacifique, et une zone localisée sous le continent Nord Américain, où le manteau est plus froid . De même, à 2850 km de profondeur, on peut remarquer l’existence d’une zone plus chaude située à l’aplomb du Pacifique et d’une zone plus froide correspondant au continent Sud Américain. Mais l’intérêt de ce profil réside surtout dans le fait qu’il est possible d’observer l’enfoncement de la lithosphère océanique (plaque Nazca) plus froide jusqu’au bas du manteau : une colonne de matière plus froide relie les parties haute et basse du manteau. Par contre, il ne semble pas y avoir de lien entre les zones chaudes localisées au sommet et au bas du manteau. Des matériaux plus froids plongent au cours des subductions des zones superficielles vers les zones profondes et atteignent la limite manteau-noyau : des mouvements de matière affectent le manteau.

Activité 5

Préciser les mécanismes qui permettent les transferts de chaleur à l’intérieur du manteau Si un corps déformable est refroidi par le bas et chauffé par le haut,

les zones denses seront en bas, les régions peu denses en haut : la situation est stable, ce qui n’engendrera aucun mouvement. Un modèle analogique de la convection thermique Zone froide (glaçons) qui absorbe la chaleur

Couche limite thermique supérieure

Couches où s'effectuent les échanges thermiques par conduction entre les cellules de convection et les sources (de froid ou de chaud)

Eau

Paroi isolante Couche limite thermique inférieure Montée de Conduction matière chaude Plaque chauffante (40°C) qui fournit la chaleur

112



o

I

Descente de matière froide

Cellule de convection

Une des différences principales réside dans le fait que l’eau utilisée dans le modèle est liquide alors que le manteau est solide. Autre différence : on ne chauffe pas le liquide dans sa masse. L’activité 3 a permis de mettre en évidence que le manteau libère une

grande quantité de chaleur à cause de la désintégration radioactive de certains éléments qui constituent ses roches : il existe donc une chaleur émise en interne c’est-à-dire un chauffage interne. L’activité 4 montre qu’il existe au moins une relation entre le sommet du manteau et sa base : de la matière froide correspondant à la lithosphère océanique âgée plus dense plonge au niveau des zones de subduction et rejoint parfois le manteau profond. Par contre le manteau plus chaud situé à l’aplomb des dorsales ne semblent pas enraciné en profondeur. Dans l’activité 5, le document 18 présente un modèle analogique de point chaud où l’on réchauffe ponctuellement par le bas un liquide froid. On peut observer la remontée active d’un panache dont la « tête » est plus large que le « pied ». La possibilité 3 prend en compte l’ensemble de ces données. Les conditions :

le manteau est un corps déformable, il est refroidi par le haut (lithosphère), un petit peu chauffé par le bas (chaleur émise par le noyau) et sa radioactivité permet un chauffage interne.

Les mouvements possibles :

La matière froide descend de façon active (subductions) compensée par des remontées surtout passives (dorsales). Il peut y avoir un peu de remontées actives (points chauds).

Activité 6

Montrer qu’un modèle scientifique est une construction hypothétique et modifiable, dépendant de l’évolution des connaissances et des techniques L’évolution des idées ayant permis de faire évoluer le modèle du fonc-

tionnement de la Terre de Holmes à nos jours. Les différents modèles

L’évolution des idées

Document 19 : Le modèle proposé par Holmes en 1931

Des mouvements de convection du manteau permettraient d’évacuer la chaleur interne due aux désintégrations radioactives et seraient ainsi le moteur de la « Dérive des continents ». Il n’établie pas de lien avec les dorsales.

Document 20 : Le modèle proposé par Hess en 1960

Il établie une relation entre les observations effectuées au niveau des fonds océaniques et des mouvements dans le manteau. Les dorsales seraient les branches ascendantes de cellules de convection et les fosses océaniques les témoins des branches descendantes.


113


Document 21 : Le modèle actuel. La coupe selon la ligne Est-Ouest atteint une profondeur de 900 km. Profil tomographique du

Pacifique à l’Afrique

Profil tomographique au niveau du point chaud d’Hawaï

Les dorsales (Est Pacifique et Atlantique) ne se « voient » qu’en surface et ne s’enracinent pas, alors que les subductions (plaque Nazca plongeant sous la plaque Sud Américaine) se « voient » très profond dans le manteau. La zone observable près de la surface et jusqu’à 2900 km de profondeur, représentant une anomalie négative sous Hawaï, correspond à du matériel chaud. Il s’agit de manteau chaud remontant de 2900 km de profondeur jusqu’à la base de la lithosphère océanique, sous la forme d’un panache. La lithosphère océanique plus dense que l’asthénosphère sous-jacente s’enfonce spontanément dans le manteau au niveau des subductions. Cette descente spontanée met les plaques en mouvement et organise la convection mantellique.

Bilan

Les plaques lithosphériques au niveau des zones de subduction constitueraient les branches descendantes froides de cellules de convection (document 21 a). Les branches ascendantes pourraient être représentées par l’ascension de panaches mantelliques sous les points chauds (document 21 b). Les dorsales (document 21 a) correspondent uniquement à des épanchements passifs superficiels de matière dans un espace laissé libre par la divergence.

La tomographie sismique est une technique qui mesure les variations

de la vitesse des ondes sismiques. Elle indique les anomalies de vitesse de propagation des ondes sismiques à une profondeur donnée. Quand les matériaux traversés sont froids et rigides, les anomalies sont positives. Quand les matériaux traversés sont chauds et ductiles, les anomalies sont négatives. Les nouveautés des modèles actuels sont principalement déduites des données de tomographie sismique qui interprètent les différences de vitesse de propagation des ondes sismiques dans le manteau par des différences de température. Ce type de technique peut mettre en évi-

114



dence l’origine profonde du matériel chaud mantellique qui remonte au niveau des points chauds, mais aussi les descentes de matériel froid au niveau des zones de subduction. Un modèle du fonctionnement global de la Terre Croûte continentale

DIVERGENCE Dorsale Inde

CONVERGENCE Collision Tibet

Croûte océanique Manteau lithosphérique Manteau

Japon

DIVERGENCE Dorsale

Noyau externe Noyau interne


Afrique

Mouvements de la lithosphère Mouvement de l’asthénosphère Mouvement ascendant du point chaud Radioactivité Volcan de point chaud

Océan Atlantique

Océan Pacifique

Amérique du Sud CONVERGENCE Subduction

Activité 7

DIVERGENCE Dorsale

Volcan de subduction Magmatisme de subduction Magmatisme de dorsale Magmatisme de point chaud Zone de fusion partielle du manteau

Préciser les conditions permettant actuellement une exploitation de l’énergie géothermique L’exploitation de l’énergie géothermique nécessite : une

source de chaleur de grande capacité ;

une

roche poreuse ou fracturée perméable servant de réservoir aquifère ;

une

situation permettant l’approvisionnement en eau de la nappe ;

une

couverture de roches de faible perméabilité empêchant la diffusion de l’eau chaude.


115


Les différents types de géothermie en France Type de géothermie

Caractéristiques du réservoir

Utilisations

Exemples

Très basse énergie

Eau ou air à très basses températures (moins de 35°C) et localisées à faible profondeur (moins de 100m)

Chauffage et rafraîchissement de locaux, avec pompe à chaleur

Basse énergie

30°C < Température < 150°C

Bassin de Paris Chauffage urbain, utilisations industrielles, thermalisme, balnéothérapie

Moyenne et Haute énergie

180°C < Température < 350°C

Production d’électricité

Géothermie profonde

Roches chaudes Au stade de la sèches à plus de 3 recherche, pour 000 m de profondeur l’électricité ou le chauffage

Contexte géologique (document 23)

Bouillante en Guadeloupe (document 4) Soultz-sousForêts en Alsace

Le projet de Soultz-sous-Forêts Faire de la géothermie profonde présente un intérêt, car la tempéra-

ture terrestre augmente avec la profondeur, c’est le gradient géothermique. La Terre libère de la chaleur : le flux thermique a pour origine principale la désintégration des substances radioactives contenues dans les roches des enveloppes terrestres. Gradient et flux varient selon le contexte géodynamique. Le document 25b montre la répartition des températures en Europe

à –5000 m de profondeur. Cette dernière montre que certaines régions françaises présentent des températures élevées à 5 km de profondeur : l’Alsace (>200°C), le Massif Central (>200°C), le Fossé Rhodanien (>180°C), le Bassin Aquitain (>160°C) et le Bassin Parisien (140°C-160°C). Soultz est situé en Alsace dans une zone où le gradient géothermique est plus important (document 25b) : la température est supérieure à 200°C à 5 km de profondeur. En France, on pourrait également exploiter les sites correspondant aux régions précédemment nommées. Le document 25a présente le contexte géologique du projet de géo-

thermie profonde de Soultz. Soultz est situé dans le Fossé Rhénan qui est un fossé d’effondrement formés de blocs séparés par des failles. Ces blocs sont constitués de granite qui contiennent des éléments

116



radioactifs (document 25d) qui en se désintégrant libèrent de la chaleur. De plus, la croûte continentale est étirée et amincie, le Moho, limite entre la croûte et le manteau lithosphérique, est d’ailleurs localisé entre 25 et 26 km de profondeur alors que sur les bords du fossé il est à 30 km. Les isothermes remontent dans cette zone, ce qui explique également que le flux géothermique soit plus important dans cette région. L’exploitation géothermique pilote de Soultz repose sur l’extraction

(document 25c) à grande profondeur (5000m) d’eau chaude (200°C) du sous-sol fracturé. Cette eau chaude est ensuite transformée en vapeur qui permet la production d’électricité. L’eau refroidie est réinjectée sous pression afin de rouvrir les fractures qui ont tendance à se colmater du fait des particules sédimentaires véhiculées par l’eau de pluie infiltrée (document 25d). L’eau en circulant se réchauffe à nouveau au contact des roches.


117


C Exercice 1

orrection des exercices du chapitre 3 Flux et gradient géothermique

Réponses correctes : c et d Réponses fausses : a) Le gradient géothermique moyen dans la croûte continentale est de 30°C par kilomètre. b) Le flux thermique est très élevé au niveau des dorsales.

La Terre est une machine thermique

Réponses correctes : a, e et f Réponses fausses : b) La croûte continentale est bien la plus concentrée en radioéléments, mais c’est le manteau, qui du fait de son volume est celui qui libère le plus de chaleur. c) La conduction n’est pas le mode principal de dissipation de l’énergie interne de la Terre, les roches terrestres étant mauvaises conductrices. La majorité de l’énergie interne est dissipée grâce à la convection. Un modèle actuel du fonctionnement global de la planète Terre

Réponses correctes : a (du fait de sa densité) et c Réponse fausse : b) Les points chauds ne correspondent pas à des remontées de magma profond : le manteau est solide, les zones de fusion partielle du manteau à l’origine des magmas sont très superficielles à l’échelle de la planète.

La géothermie

Réponses correctes : d (technique des roches fracturées avec injection d’eau sous pression) et e. Réponses fausses : a) L’énergie dissipée par la Terre ne provient pas essentiellement du noyau, mais du manteau (20 TW) et de la croûte continentale (6TW).

118



b) La géothermie basse énergie utilise directement l’eau chaude pour le chauffage. La géothermie très basse énergie, soit utilise directement l’eau chaude pour, par exemple, le chauffage de serres, soit la température de l’eau étant insuffisante, a recours à des pompes à chaleur. c) La géothermie basse énergie utilise de l’eau dont la température est voisine de 80°C. La géothermie très basse énergie utilise de l’eau dont la température est comprise entre 15 et 40°C.

Exercice 2

Le contexte géodynamique de l’Islande Réponses correctes : a, c et e Réponses fausses : b) Au niveau d’une dorsale la remontée de manteau chaud est relativement superficielle : sous la dorsale Est Pacifique et sous la dorsale Atlantique (document 21a), les anomalies négatives enregistrées correspondant à du matériel chaud, c’est-à-dire à la remontée d’asthénosphère, sont localisées jusqu’à une profondeur d’environ 200 km. d) Le panache n’est pas à l’état liquide. Le manteau solide et déformable, qui remonte par convection, est juste plus chaud que le manteau environnant. Ce mouvement ascendant correspond à un mouvement de convection.


119


Séquence 4 Sommaire Correction des exercices du chapitre 1 Correction des activités du chapitre 2 Correction des activités du chapitre 3 Correction des activités du chapitre 4 Correction des activités du chapitre 5 Correction des activités du chapitre 6 Correction des exercices du chapitre 2 Correction des exercices du chapitre 3 Correction des exercices du chapitre 4 Correction du devoir autocorrectif n° 2


121


C Exercice 1

orrection des exercices du chapitre 1 Une paire de chromosomes homologues

Cellule mère 2n = 4

Une paire de chromosomes homologues

Cellule fille 2n = 4

Cellule fille 2n = 4

2 mitoses sont repérables sur le graphe. Il s’agit de la phase de réplication de l’ADN selon un mode semi

conservatif. Les chromosomes à une chromatide apparaissent formés de deux chromatides à la fin de cette phase (notée S : synthèse). L’interphase correspond aux zones 1,2 et 3 du graphe, la mitose à la

zone 4. Quantité d'ADN contenue dans le matériel nucléaire (unités arbitraires) 3

2

2Q

phase G2

phase S 1

Q

phase G1

0 0

5

10

15

20

Interphase

25

30 Mitose

Temps (heures)

Cycle cellulaire


123


Retenez qu’au cours d’un cycle cellulaire constitué d’une interphase et d’une mitose la quantité d’ADN est conservée. À l’issue de la mitose chaque cellule fille renferme une copie intégrale (aux mutations près) de l’information génétique. La mitose est une reproduction conforme qui conserve le caryotype. M G2

M : mitose G1

G1 + S + G2 : interphase

S

Exercice 2

A. Les chromosomes : Sont toujours visibles dans la cellule Sont toujours formés d’une chromatide Sont séparés en deux lots égaux lors de la prophase de la mitose Sont dupliqués à la fin de l’interphase

B. Le renouvellement cellulaire : S’effectue grâce à des mitoses chez les organismes eucaryotes Concerne toutes les cellules de l’organisme N’utilise pas le programme génétique Est la reproduction de l’organisme

C. L’ADN est : Un polymère de désoxyribose Un polymère de bases azotées Un polymère de nucléotides

D. Le rapport A+ G/ T+ C Est toujours égal à un Est une valeur variable suivant les ADN Est égal à un dans l’ARN

E. L’ordre des phases de la mitose est : Prophase, télophase, anaphase, metaphase Prophase, métaphase, anaphase, télophase

124



Prophase, anaphase, metaphase, télophase Prophase, metaphase, télophase, anaphase

F. Une mutation : A toujours lieu sous l’effet d’un agent mutagène Crée un nouvel allèle Est néfaste pour la cellule

G. Une mutation : Peut se produire spontanément Sont des événements fréquents Conduit toujours à la formation d’une protéine différente

H. Le génotype d’un individu : Comporte tous les allèles de ses parents Ne comporte que les allèles d’un seul parent Comporte une partie des allèles de ses parents

I. la bonne représentation est : A

Un gène donné occupe une position précise sur un chromosome. Cette position est nommée locus. Elle est la même pour les deux chromosomes d’une même paire et identique pour tous les individus d’une espèce donnée. Les chromosomes schématisés sont des chromosomes métaphasiques constitués de deux chromatides. Les 2 chromatides sont identiques et contiennent les mêmes allèles.

J. Le phénotype de cet individu est [ A], cela indique : Que l’allèle A est co-dominant Que l’allèle A est récessif Que l’allèle A est dominant

K. l’individu en question est de ce fait : Hétérozygote pour ce gène. Homozygote pour ce gène. Hétérozygote pour l’ensemble de ses gènes. Homozygote pour l’ensemble de ses gènes.


125


Exercice 3

Le caryotype A comprend 22 paires de chromosomes homologues

et une paire de chromosome sexuel X et Y. La présence des chromosomes X et Y confirme qu’il s’agit d’un caryotype masculin. Le caryotype B comprend lui aussi 22 paires de chromosomes homologues mais ici la paire de chromosomes sexuels est constitué de deux chromosomes X : ce qui établit qu’il s’agit d’un caryotype féminin. La lettre n représente le nombre de paires : Dans l’espèce humaine n =23. Dessin de la paire n° 2

2 chromatides centromère

2 chromatides centromère

2 Les chromosomes de ce caryotype sont tous bichromatidiens. Il y a eu

réplication de l’ADN en phase S du cycle cellulaire. Il y a 23 chromosomes dans chaque caryotype.

Les caryotypes de gamètes ne comportent pas de paires de chromosomes. Chaque gamète renferme la moitié de l’équipement chromosomique de la cellule dont il est issu. La formation des gamètes résulte donc d’une division particulière appelée méiose dont nous étudierons les modalités. Les spermatozoïdes renferment pour la moitié un chromosome

sexuel X ,les autres Y Les ovules referment toujours un chromosome sexuel X La fécondation est l’union d’un ovule et d’un spermatozoïde. C’est donc le père qui dans un couple sera « responsable » du sexe de l’enfant ! Retenez que la formule chromosomique est caractéristique de l’espèce : elle comprend le nombre de chromosomes noté 2n( où n est le nombre de paires) chez les espèces diploïdes. Les caractéristiques des chromosomes sont visibles sur le caryotype montage photographique où les chromosomes sont réunis par paires et numérotés. Les cellules sexuelles des espèces diploïdes ne renferment que la moitié des chromosomes de l’espèce (un de chaque paire).

Exercice 4

Une maladie génétique autosomique est une maladie dont le gène

responsable est situé sur un chromosome non sexuel (autosome) Récessive :

126


pour s’exprimer l’allèle responsable de l’anomalie doit être présent en deux exemplaires. (Sur chaque chromosome de la paire de chromosome homologue)


M

M

m

m

Représentation de la paire de chromosomes homologues de chaque parent (I1 et I2) Ils sont de phénotype sain mais porteur de l’allèle m car un de leur enfant est atteint. Cet enfant est homozygote (m//m) et a hérité d’un allèle m de chacun d’eux. II1[malade]

m

m

m

m

2 Possibilités pour II2 et II3 : hétérozygotes (M//m) ou homozygote (M//M)

M

M

m

m

M

M

M

M


127


III4 est hétérozygote car il a un enfant atteint (il lui a transmis l’allèle muté)

M

M

m

m

Arbre généalogique I

II

(M//m) 1

(m//m) 1

III

2 (M//m) ou 3 (M//m) ou (M//M) (M//M)

(M//m) 2

4 (M//m)

5 (M//m)

1 (M//m) ou (M//M)

2 (m//m)

3 Fœtus (M//M) ou (M//m) ou (m//m)

On ne peut pas savoir si l’enfant sera atteint ou non : il a une possibi-

lité sur 4 d’être atteint de mucoviscidose.1 chance sur 4 d’être homozygote (M//M) et 1 sur 2 d’être hétérozygote. Les électrophorégrammes nous montrent que les individus II4, II5, III1

sont hétérozygotes (2 taches). Les individus III2 et III3 sont homozygotes. On sait que l’individu III2 est malade, cela nous permet de situer la tache correspondant à l’allèle m. Le fœtus ne présente pas de tache à ce niveau : il est donc porteur de deux allèles M : il est de génotype (M//M) et de phénotype sain

Exercice 5

Le polymorphisme d’un gène est le fait de trouver dans une population

donnée plusieurs allèles de ce gène dont deux au moins sont représentés avec une fréquence supérieure à 1%. Les allèles différent toutes par un seul nucléotide par rapport à de l’al-

lèle de référence. Dans chaque cas la mutation à l’origine de l’allèle est une substitution.

128



69

127

165

453

G6pd ‘’allèle normal’’

...G GCT ATG CC…..G CCC TCC AC…..A ACC GCA TC…..G TGC GCA GA

G6pd Namoru

...G GCC ATG CC…..G CCC TCC AC…..A ACC GCA TC…..G TGC GCA GA

G6pd Vanua lava

...G GCT ATG CC…..G CCC CCC AC…..A ACC GCA TC…..G TGC GCA GA

G6pd Naone

...G GCT ATG CC…..G CCC TCC AC…..A ACC GCA TC…..G TGC ACA GA

G6pd Union

...G GCT ATG CC…..G CCC TCC AC…..A ACT GCA TC…..G TGC GCA GA Pour

l’allèle Namoru la thymine a été remplacée par une cytosine ce qui transforme le codon GCU en GCC.

(On rappelle que le brin non transcrit est identique à l’ARN m avec le changement thymine en uracile) Ces deux codons codent pour l’acide aminé alanine : il n’y a pas de changement au niveau de la séquence des acides aminés : cette mutation est silencieuse. L’enzyme G6PDNamoru est fonctionnelle. Pour l’allèle Vanua lava la thymine a été remplacée par une cytosine. Le

codon UCC devient CCC : la sérine est remplacée par la proline dans le polypeptide. Cette mutation est dite faux sens et a des conséquences sur la fonctionnalité de l’enzyme. Pour l’allèle Naone la guanine et remplacée par une adénine

: le codon GCA est remplacé par le codon ACA : l’alanine est remplacée par la thréonine. L’enzyme n’est pas fonctionnelle.

Pour

l’allèle Union une cytosine est remplacée par une thymine : le codon ACC devient ACU mais ces deux codons codent pour la thréonine : il s’agit d’une mutation silencieuse (redondance du code génétique).

Exercice 6

Les garçons ne possédant qu’un chromosome sexuel X sont atteints

dès lors qu’ils sont porteurs du gène codant pour une dystrophine non fonctionnelle. Ils ont hérité du gène de leur mère qui elle est un porteur sain (elle possède un gène « sain » et un gène « déficient ») ; Pour qu’une fille soit atteinte il faut que sa mère soit porteuse saine et son père malade : Compte tenu de la gravité de la maladie même si l’espérance de vie des garçons atteints a augmenté en 10 ans (elle est passée à 40 ans) la probabilité est très faible. La séquence donnée est celle du brin transcrit de l’ADN. La séquence

de l’ARNm correspondant s’obtient par complémentarité des nucléotides soit : GGU UUG AUU UGG AAU AUA D’après le code génétique la séquence des acide aminés : glycine-leucine-isoleucine-tryptophane-asparagine-isoleucine.


129


Si T remplace C en position 12 : le codon UGG devient UGA. UGA est

un codon stop la synthèse de la dystrophine sera arrêtée après l’acide aminé 111. On peut penser que la fonctionnalité de la protéine sera altérée. Cette mutation porte le nom de mutation non sens : Le codon stop provoque un arrêt de la traduction de l’ARNm et entraîne la formation d’une chaîne polypeptidique incomplète. Si T remplace C en position 6 : le codon UUG devient UUA ; Ces deux codons codent pour la leucine. La dystrophine ne sera pas modifiée.

130



C

orrection des activités du chapitre 2 Pour débuter Cellules diploïdes 2n chromosomes

Divisions cellulaires

Cellules haploïdes n chromosomes

Spermatozoïde

testicule

Fécondation

ovaire Ovocyte

Zygote adultes multicellulaires Cellules somatiques

ou Mitoses

Dans le noyau de pratiquement toutes les cellules d’un organisme humain (cellules du pancréas, cellules du foie…) on trouve deux jeux de chromosomes. Ces cellules sont qualifiées de diploïdes. Font exception les gamètes (spermatozoïdes et ovules) qui ne contiennent qu’un jeu de chromosomes. Pour cette raison, ces cellules sont qualifiées de cellules haploïdes. Les cellules haploïdes sont les gamètes (spermatozoïdes et ovocytes).

Les autres cellules sont diploïdes. La fécondation, union de deux cellules reproductrices haploïdes permettra de restaurer la diploïdie. La phase diploïde et la phase haploïde se succèdent dans le cycle de développement de l’homme : la phase diploïde domine, la phase haploïde est limitée aux gamètes. Les cellules à l’origine des gamètes sont nécessairement diploïdes et

les gamètes sont haploïdes. Une division permettant de réduire par 2 le nombre de chromosomes est donc indispensable. Cette division est la méiose.


131


Activité 1

La méiose est une division qui permet de fabriquer des cellules repro-

ductrices haploïdes à partir de celles diploïdes. Cette division n’a pas lieu dans toutes les cellules de l’organisme. Seuls les tissus reproducteurs sont concernés. Chez l’homme, la formation de spermatozoïdes se déroule dans les tubes séminifères des testicules et chez la femme la formation des ovules se déroule dans l’ovaire. La formation des spermatozoïdes est nommée spermatogénèse et la formation des ovules, l’ovogénèse. Dans ces tissus, seules les cellules dites de la lignée germinale sont concernées par la méiose. Je dois utiliser les documents 4 et 6 pour remettre dans l’ordre chro-

nologique les photos et dessins d’interprétation du déroulement de la méiose présenté dans le document 5. Le document 6 est un graphe montrant la quantité d’ADN contenu dans une cellule avant et après la méiose. Ce que je vois

Ce que j’en déduis

La méiose est précédée d’une interphase où la quantité d’ADN est doublée (on passe de Q à 2Q).

Il y a eu réplication de l’ADN. Avant la méiose, les chromosomes sont constitués de 2 chromatides.

À l’issue de la méiose la cellule contient moins d’ADN. Pendant la méiose la quantité d’ADN de la cellule La méiose divise la quantité d’ADN par 4. passe de 2Q à Q puis de Q à Q/2. La méiose comprend deux étapes qui divisent à chaque fois la quantité d’ADN de la cellule.

Le document 4 est une animation permettant de visualiser la méiose. La cellule de départ contient 4 chromosomes soit deux paires de chromosomes homologues (un bleu d’origine paternel, un rouge d’origine maternelle) (2n=4). Chaque chromosome est constitué de deux chromatides : il y a eu une phase de réplication qui précède la méiose (confirmation du doc 6). Je vois que dans une première division les chromosomes homologues de chaque paire se répartissent chacun dans une cellule différente : on obtient deux cellules contenant chacune 2 chromosomes (n=2) : la quantité d’ADN de la cellule a diminué de moitié (de 4 chromosomes à 2 chromosomes soit de 2Q à Q d’après le document 6). Dans une deuxième division les chromatides de chaque chromosome se séparent : là encore la quantité d’ADN de la cellule est divisée par deux (passage de Q à Q/2) : le nombre de chromosomes est conservé (n=2) mais chaque chromosome est à l’issue de cette étape constitué d’une seule chromatide. À la fin de la méiose on obtient 4 cellules contenant chacune un chromosome de chaque paire à une chromatide. Ces cellules sont haploïdes.

132



Mise en ordre du document 5

Les photos renfermant des chromosomes constitués de deux chromatides constituent les premières étapes de la méiose : F et H montrent des chromosomes bichromatidiens réunis par paire, en H ils sont réunis par paires et alignés à l’équateur de la cellule. Les cellules sont diploïdes. E montre ces mêmes chromosomes se séparant : un de chaque paire migrant à une extrémité de la cellule (anaphase 1= anaphase de la première division de la méiose). C, D montrent ensuite dans chaque cellule formée, les chromosomes à 2 chromatides puis la photo A montre les chromosomes s’alignant de nouveau à l’équateur de la cellule. La séparation des chromatides en G représente l’anaphase 2(=anaphase de la deuxième division de la méiose). Ces cellules sont haploïdes. Enfin B montre les 4 cellules à n chromosomes obtenues à l’issue de la méiose. On obtient quatre gamètes (ou quatre spores ou grains de pollen dans le cas des végétaux). L’ordre des photos est : F, H, E, C, D, A, G, B. Les deux étapes de la méiose sont deux divisions successives qui s’enchaînent : La première division réduit le nombre de chromosomes par séparation au hasard des chromosomes homologues : on parlera de division réductionnelle (photos : F, H, E et C). Il y a passage de 2n chromosomes bichromatidiens à n chromosomes bichromatidiens. La deuxième division est immédiate et ne réduit pas le nombre de chromosomes (division équationnelle) mais sépare les chromatides de chaque chromosome. (Photos : D, A, G, B).


133


Activité 2

Première division de la méiose Prophase I 2n = 4 Une paire de chromosomes homologues à deux chromatides

1 cellule à 4 chromosomes à 2 chromatides

Une paire de chromosomes homologues à deux chromatides Chiasmas = points de contacts entre des chromatides homologues

2n = 4

Métaphase I

Plan équatorial de la cellule

Anaphase I 2n = 4

Séparation des chromosomes homologues

Réduction chromatique

Pôle de la cellule Un chromosome dupliqué

Télophase I

n=2

2 cellules à 2 chromosomes à 2 chromatides

n=2 Un chromosome à deux chromatides

1 cellule

1 cellule

Au temps T1,la cellule contient 2n chromosomes constitués d’une

seule chromatide soit en quantité d’ADN 2Q. Au temps TI, la quantité d’ADN passe de 2Q à 4Q . Il y a donc réplication de l’ADN. Cela se traduit concrètement par le passage de chromosomes à une chromatide à des chromosomes à deux chromatides. Ce sont des chromosomes à deux chromatides qui entrent en méiose.

134



Seconde division de la méiose Prophase II

2 cellules à 2 chromosomes à 2 chromatides

Un chromosome à deux chromatides

n=2

n=2 Métaphase II

Plan équatorial de la cellule

n=2

n=2 Anaphase II

n=2

Un chromosome à une chromatide

Séparation des chromatiques de chaque chromosome

Un chromosome à une chromatide

4 cellules à 2 chromosomes à 1 chromatide

n=2 Télophase II

n=2

n=2

n=2

n=2

Au temps T2, la quantité d’ADN est passé de 4Q à 2Q par cellule. Cela correspond à la séparation des chromosomes homologues lors de la première division de méiose. Entre T2 et T3, la quantité d’ADN est divisée par 2 (passage de 2Q à Q). Cette diminution de la quantité d’ADN par 2 correspond au passage des chromosomes de 2 à 1 chromatide. Le passage du stade diploïde au stade haploïde correspond, sur le schéma au temps T2.


135


On considère une cellule ou 2n = 4 c’est-à-dire possédant dans son

noyau deux paires de chromosomes homologues. Moment A :

Avant la réplication de l’ADN : 2n =4 et 2Q ADN

Matériel génétique non condensé

Moment B :

Après réplication de l’ADN et avant le début de la méiose 2n=4 et 4Q ADN

Moment C :

à l’issue de la première division de méiose n=2 et 2Q ADN

ou

Moment D :


ou

à l’issue de la première division de méiose n=2 et 2Q ADN

ou

136

ou


ou

ou

La séparation des chromosomes homologues lors de l’anaphase de la pre-

mière division de méiose permet de réduire par deux le nombre de chromosomes. Chaque cellule aura donc un chromosome de chaque paire.

Activité 3

A Un spermatozoïde se fixe sur la membrane pellucide. B Les enzymes libérées par le spermatozoïde digèrent localement la membrane pellucide. C Fusion des membranes plasmiques de l'ovocyte et du spermatozoïde. La pénétration d'autres spermatozoïde est rendue impossible. D Le noyau du spermatozoïde passe dans le cytoplasme de l'ovocyte. E Fusion des deux noyaux pour former le noyau de la cellule œuf.

A

B

E

C

D

Remarque Généralement une membrane de fécondation imperméable aux autres spermatozoïdes se forme autour de l’ovocyte dès la pénétration de la tête du spermatozoïde empêchant la fécondation de l’ovule par plusieurs spermatozoïdes.

n=3

Ovule (haploïde)

n=3

2n = 6 Spermatozoïde (haploïde)

Le spermatozoïde est beaucoup plus petit que l'ovule. Il a été grossi pour qu'on puisse distinguer les chromosomes.

Les noyaux fusionnent (caryogamie)

Du point de vue chromosomique, la fécondation est universellement l’union des noyaux haploïdes pour former un noyau diploïde de la cellule œuf.


137


C Activité 1

orrection des activités du chapitre 3 Comprendre et modéliser le brassage interchromosomique lors de la méiose I

Drosophile à ailes longues et corps gris

Drosophile à ailes vestigiales 2 et corps ébène

1 Méiose

Méiose

gamètes

gamètes

Fécondation

II

nombreuses cellules œuf donnant...

1 100% de Drosophile Méiose à ailes longues gamètes et corps gris

III


1

2

Méiose gamètes

Fécondation

2

25% 25% à ailes longues à ailes longues corps gris corps ébène

Phénotypes parentaux

Drosophile à ailes vestigiales et corps ébène

4

3 25% vestigiales corps gris

25% vestigiales corps ébène

Phénotypes recombinés

On constate que de nouveaux phénotypes sont apparus et nous cherchons à comprendre comment la méiose puis la fécondation peuvent rendre compte de ces nouveautés. Pour cela, il faut rechercher ce que devient au cours de la méiose puis de la fécondation la combinaison d’allèles portée par les parents. Le document 1 précise que les deux gènes gouvernant les caractères étudiés sont situés sur des chromosomes différents qui ne sont pas des chromosomes sexuels. Nous savons également que les allèles à l’origine des caractères corps ébène et ailes vestigiales sont des allèles récessifs et les allèles à l’origine des caractères sauvages c’est-à-dire corps gris et ailes longues sont dominants. Nommer et écrire les allèles L’allèle muté à l’origine du corps ébène sera noté : e et l’allèle sauvage à l’origine du caractère corps gris sera noté e+ (Voir fiche méthode ‘’convention d’écriture en génétique’’ pour plus de précisions)

138



Le même raisonnement appliqué au caractère longueur des ailes conduira à l’écriture suivante. L’allèle muté à l’origine du caractère ailes réduites sera noté v et l’allèle dominant à l’origine du caractère aile longue sera noté v+. Écrire le génotype des parents II1 et II2 Génotype de II2. Nous savons que les deux gènes sont indépendants c’est-à-dire qu’ils sont portés par des chromosomes différents. Nous savons également que les individus II2 sont récessifs pour les deux allèles. Ces informations permettent d’écrire le génotype de II2. En respectant les conventions d‘écriture en génétique, on obtient : (v//v , e//e) Génétique des individus II1 (génération F1) Tous les individus de la génération F1 ont le même phénotype : ailes longues et corps gris. Ils sont issus d’un croisement entre une drosophile à ailes longues et corps gris et une drosophile à ailes vestigiales et corps ébène. Seuls les allèles dominants s’exprimant le génotype peut s’écrire : (v+//v, e+//e) Recherche des combinaisons d’allèles portés les gamètes de II1 et II2 à l’issue de la méiose. En tenant compte des consignes données, les chromosomes et les allèles qu’ils portent peuvent être schématisés de la manière suivante. II1

II2 Cellule diploïde

(2n = 4)

Cellule diploïde (2n = 4)

Recherchons maintenant les gamètes possibles produits par les individus II1 (génération F1) en réinvestissant les connaissances acquises lors du chapitre précédent. Lors de l’interphase précédant la méiose, nous savons qu’il y a réplication de l’ADN. Par conséquent, les chromosomes qui entrent en méiose sont des chromosomes à deux chromatides identiques que l’on peut schématiser de la manière suivante :


139


Réplication au cours de l’interphase précédent la méiose

Cellule diploïde à l’origine des gamètes Chromosome à deux chromatides identiques

(2n = 4)

Lors de la première division de méiose, les chromosomes homologues se séparent. À l’issue de la première division de méiose, il y a donc formation de deux cellules contenant chacune 2 chromosomes à deux chromatides. Cette étape peut être schématisée de la manière suivante : Réplication au cours de l’interphase précédent la méiose

(2n = 4)


1ère division de méiose

n=2

n=2

Lors de la seconde division de méiose, les chromatides sœurs se séparent. À l’issue de la méiose, on a donc 4 cellules à 2 chromosomes à une chromatide. L’ensemble peut donc être schématisé de la manière ci-après :

ª

140




(2n = 4)


n=2

n=2

2ème division de méiose

n=2

n=2

n=2

n=2

Nous savons que lors de la métaphase de la première division de méiose, la répartition des chromosomes homologues de part et d’autre de la plaque équatoriale se fait de manière aléatoire. Il en résulte que l’on peut envisager une seconde possibilité que celle représentée ci-dessus concernant la répartition des chromosomes dans les cellules.


141


Cette seconde possibilité est schématisée ci-dessous :

(2n = 4)


(2n = 4)


n=2

n=2


n=2

n=2

n=2

n=2

Si on fait le bilan des gamètes produits, nous constatons qu’il y a 4 types de gamètes possibles. Les 4 combinaisons sont équiprobables. Cette probabilité est de 0,25. En noir les gamètes parentaux et en vert les nouvelles associations d’allèles.

Attention Ce n’est qu’à l’issue de très nombreuses méioses que la probabilité de 0,25 se traduit concrètement par 25 % de chaque catégorie conformément à la loi des grands nombres.milés.

142



Les drosophiles à ailes vestigiales et corps ébène, homozygotes pour les deux allèles ne produiront qu’un seul type de gamètes que l’on peut schématiser de la manière suivante :

Gamète haploïde II2

Le document 3 est l’échiquier de croisement. Lors de la fécondation, la rencontre des gamètes se fait au hasard. Chaque gamète d’un des parents est susceptible de rencontrer n’importe quel gamète de l’autre parent. On constate que l’on retrouve les 4 phénotypes observés à l’issue du croisement 2. Gamètes produits par les individus II2 Gamètes produits par les individus de la génération F1


143


Réponse au problème :

Les individus II2 ne présentant que des allèles récessifs les phénotypes observés à l’issue du second croisement sont représentatifs des allèles portés par les gamètes des individus de la génération F1. F1 peut produire 4 gamètes différents qui associés avec les gamètes de P2 peuvent donner après fécondation les 4 phénotypes observés. Les phénotypes recombinés trouvent leur origine dans la répartition aléatoire des chromosomes homologues sur le plan équatorial de la cellule en métaphase 1 lors de la méiose conduisant à la formation des gamètes chez les individus hétérozygotes pour chacun des 2 gènes considérés. Dans le cas d’une méiose agissant sur 2 paires de chromosomes, chaque chromosome peut se retrouvé associer avec l’un ou l’autre de l’autre paire de chromosome ce qui fait 22 combinaisons de chromosomes possibles soit 4 combinaisons dans notre exemple. Nous constatons qu’après la méiose, les allèles de gènes dont les loci sont situés sur deux chromosomes non homologues peuvent être associés de 4 façons. En effet, au cours de la métaphase de la première division, les deux paires de chromosomes homologues se positionnent de manière aléatoire de part de d’autre de la plaque équatoriale.

Activité 2

Comprendre et modéliser le brassage intrachromosomique Des nouveaux phénotypes en faibles proportions (6,5 % chacun) sont apparus à l’issue de ce croisement. Ces phénotypes sont différents des phénotypes parentaux. Il s’agit de phénotypes recombinés dont nous devons expliquer la formation. Par rapport à l’activité précédente nous n’obtenons pas un % de recombinés égal à celui des parentaux (25 %) mais ici très inférieur. Comment expliquer ces différences ? Comme pour l’activité précédente nous devons rechercher ce que devient au cours de la méiose puis de la fécondation la combinaison d’allèles portée par les parents c’est-à-dire les individus II1 et II2. I

Drosophile à ailes longues et yeux rouges

Drosophile à ailes vestigiales 2 et yeux pourpres

1 Méiose

Méiose

gamètes

gamètes

Yeux rouges

Fécondation

II


1 100% de Drosophile Méiose à ailes longues gamètes et yeux gris

III


2

gamètes

Fécondation

1

2



3 6,5% vestigiales yeux rouges

Yeux pourpres Les contraintes d'impression du cours du CNED nous obligent à utiliser ces couleurs qui ne correspondent pas à la réalité

Méiose

43,5% 6,5% à ailes longues à ailes longues yeux rouges yeux pourpres

144

Drosophile à ailes vestigiales et yeux pourpres

4 43,5% vestigiales yeux pourpres

Écrire le génotype des parents II1 et II2 Le document 6 montre que les deux gènes impliqués dans la réalisation des caractères étudiés sont situés sur le même chromosome. Ils sont situés sur la paire de chromosomes 2. Ces gènes sont liés. L’écriture du génotype doit rendre compte du fait que ces gènes sont liés. Étant donné les conventions d’écriture, le génotype des individus II2 s’écrira : (v p//v p) Le génotype des individus II1 s’écrira : v+ p+ // v p Recherche des combinaisons d’allèles portés les gamètes de II1 . Réplication au cours de l’interphase précédent la méiose





145


On obtient donc deux types de gamètes. II2 ne produisant qu’un seul type de gamètes

Gamète haploïde II2

À l’issue de la fécondation on obtient donc :

Gamètes de II2

Gamètes de II1

Ailes longues et yeux rouges

Ailes vestigiales et yeux pourpres

Nous constatons que ce modèle explique bien l’existence des phénotypes parentaux mais pas l’existence des phénotypes recombinés : 6,5 % ailes longues et yeux pourpres et 6,5 % ailes vestigiales et yeux rouges. Le document 5 nous indique qu’au cours de l’appariement des chromosomes homologues il se forme des chiasmas rendant possible l’échange de fragments de chromatides et donc des allèles qu’elles contiennent. Le crossing-over pourrait expliquer l’apparition des phénotypes recombinés.

146






Echange de fragments de chromatides


冦

A l’issue de la méiose, on obtient 4 types de gamètes

Gamète parental

Gamète recombinés

Gamète parental


147


À l’issue de la fécondation, on obtient : Gamètes de II2

Gamètes de II1

L’existence de crossing over au cours de la prophase I de méiose explique l’existence des phénotypes recombinés. Le crossing over donnant lieu à des échanges de fragments de chromatides portant les allèles étudiés n’a pas lieu à chaque méiose auquel cas les proportions de chaque phénotype seraient de 25 %.

Activité 3

Évaluer le brassage génétique lors de la fécondation Nous savons que les parents sont hétérozygotes pour les deux gènes qui sont situés sur des chromosomes différents donc indépendants. Nous pouvons écrire le génotype de chaque parent Père : (A//O, Rh+//Rh-) mère : (B//O, Rh+//Rh-) Au cours de la méiose pour le père 4 combinaisons d’allèles dans les gamètes sont possibles : (A, Rh+),(A, Rh-),( (O, Rh+) (O, Rh-),

148



Pour la mère: (B, Rh+),(B, Rh-), (O, Rh+) (O, Rh-), La construction d’un échiquier de croisement permet d’envisager toutes les rencontres possibles entre ces allèles. Gamètes maternels

(O, Rh-)

(B, Rh+)

(B, Rh-)

(O, Rh+)

(A, Rh+)

(A//B,Rh+//Rh+)

(A//B,Rh+//Rh-)

(A//O,Rh+//Rh+)

(A//O,Rh+//Rh-)

(A, Rh-),

(A//B,Rh+//Rh-)

(A//B,Rh-//Rh-)

(A//O,Rh+//Rh-)

(A//O,Rh-//Rh-)

(O, Rh+),

(B//O,Rh+//Rh+)

(B//O,Rh+//Rh-)

(O//O,Rh+//Rh+)

(O//O,Rh+//Rh-)

(O, Rh-)

(B//O,Rh+//Rh-)

(B//O,Rh-//Rh-)

(O//O,Rh+//Rh-)

(O//O,Rh-//Rh-)

Gamètes paternels

De nouveaux phénotypes différents des parents peuvent être formés : [AB, Rh+] :3 chances sur16, [AB, Rh-] : 1 chance sur 16, [O, Rh+] :3 chances sur 16 [O, Rh-] : 1 chance sur 16, [A, Rh-] : 1 chance sur 16,[B,Rh-] : 1 chance sur 16 Cela montre que lors de la fécondation la rencontre aléatoire des gamètes porteurs d’une information génétique différente amène un nouveau brassage de l’information génétique et donc amplifie le brassage déjà réalisé au moment de la méiose (brassage inter chromosomique et intra chromosomique). De plus ici nous n’avons considéré que deux gènes portés par deux chromosomes.

Remarque Seuls les individus issus d’une même fécondation ont le même patrimoine génétique : c’est le cas des vrais jumeaux qui proviennent du dédoublement de la cellule œuf ou de l’embryon au stade de quelques cellules.


149


C

orrection des activités du chapitre 4 Pour débuter Il n’y a pas de relation entre le nombre de chromosomes et la taille ou

la place de l’espèce dans l’arbre phylogénétique. Dans une première approche, on peut constater une corrélation entre la taille du génome et la complexité d’un organisme. La taille du génome humain par exemple est près de 1000 fois supérieur à celui d’une bactérie. Les plantes ont une taille de génome supérieur aux animaux (sauf les amphibiens). Le nombre de gènes semble également dans une certaine mesure corrélé à la complexité de l’organisme. Ainsi l’homme possède 10 fois plus de gènes qu’une bactérie mais seulement deux fois plus de gènes que la drosophile et quasiment le même nombre de gènes qu’Arabidopsis thaliana. La corrélation entre la complexité de l’organisme et le nombre de bases de son génome n’est cependant pas simple. En effet, l’arabette qui est un organisme pas moins complexe que le blé a un génome qui est 130 fois plus petit que celui du blé. L’Aplysie californica a un génome qui est 10 fois plus grand que celui de la drosophile qui n’est pas moins complexe que l’aplysia. Chez les procaryotes, les génomes sont compacts et leur capacité codante est utilisée au mieux (87 % de l’ADN d’Escherichia coli code pour des protéines contre 1,5 % chez l’Homme). Finalement pour une longueur d’ADN donnée les humains possèdent moins de gènes que les procaryotes. Chez l’Homme la majeure partie de l’ADN n’est pas codante. Cette fraction non codante de l’ADN semble d’ailleurs croitre avec la complexité de l’organisme. Remarque Par complexité on doit comprendre un certain degré de sophistication. Cette notion doit être distinguée de celle d’adaptation. Tous les organismes sont parfaitement adaptés à leur milieu sans quoi ils ne pourraient y survivre. Une bactérie est aussi adaptée à son milieu que l’homme à son milieu. Cette notion doit aussi être distinguée du degré d’évolution d’un organisme. Une bactérie est aussi évoluée que l’homme.

150



Une première représentation du génome a été vue en classe de pre-

mière. Celui-ci est apparu constitué de gènes codant pour des protéines. Chez les eucaryotes, ces gènes sont dits morcelés car constitués d’une partie codante, les exons et d’une partie non codante les introns. Un gène n’est pas limité à la portion transcrite. En effet, il existe également des gènes régulateurs dont dépend l’activité des gènes de structures. Dans le noyau l’ARN pré-messager est épissé. Au cours de ce phénomène, les introns sont éliminés et les exons sont rattachés les uns aux autres. À la lumière des données apportées par le séquençage des génomes, il apparaît que celui-ci est constitué d’une grande partie non fonctionnelle. Il ne faut donc pas limiter le génome aux seuls gènes c’est-à-dire aux portions de l’ADN transcrites puis traduites. À noter qu’une cellule eucaryote peut abriter plusieurs génomes différents. En effet, au génome nucléaire (contenu dans le noyau), il faut ajouter le génome des mitochondries voire des chloroplastes pour les cellules chlorophylliennes. On doit s’attendre à trouver dans le génome des ‘’traces’’ de cette

histoire commune.


151


Activité 1

Schématiser la formation d’une anomalie du nombre de chromosomes lors de la gamétogénèse Anomalie

Formule chromosomique

Nom de la maladie

2n=47

Syndrome de Down

Caryotype 2 Un seul chromosome X 2n=45

Syndrome de Turner

Caryotype 1

Caryotype 3

Un chromosome 21 supplémentaire

Deux chromosomes X et un chromosome Y

[Non attendu]

2n=47

Syndrome de Klinefelter

symptômes fréquence 1 sur 750 retard mental Problèmes métaboliques 1 sur 2500 Absence de puberté stérilité Petite taille 1 sur 800 Stérilité Faible pilosité, taille et poids supérieurs à la moyenne

L’absence d’un autosome chez un nouveau-né est exceptionnelle du fait sans doute de leur élimination dès le début de la vie embryonnaire. On peut voir ici un des mécanismes propres à la reproduction sexuée qui élimine un grand nombre de zygotes non viables. L’absence d’un chromosome X est moins rare (syndrome de Turner). Il est beaucoup plus fréquent que l’anomalie soit due à la présence d’un ou plusieurs chromosomes surnuméraires. On observe ainsi des trisomies (présence d’un chromosome surnuméraire) : Trisomie 21 (syndrome de Down), 18 et 13 (syndrome de Patau) pour les plus fréquentes. Les trisomies des chromosomes sexuels sont très fréquentes : XXX, XXY (syndrome de Klinefelter), XYY. La méiose conduit à la formation à partir d’une cellule diploïde (2n=2

par exemple) à 4 cellules haploïdes (n=1) La méiose comprend deux divisions : Une anomalie de répartition des chromosomes homologues peut se produire en division 1 : La paire de chromosomes 21 se répartit du même côté de la plaque équatoriale. Lors de l’anaphase 1 les deux chromosomes migrent vers le même pôle de la cellule. Deuxième possibilité : la division 1 est normale et lors de la division 2 les deux chromatides migrent vers le même pôle de la cellule ;

152



Évolution normale du chromosome 21 durant une première division de méiose

Évolution normale du chromosome 21 durant une première division de méiose

Métaphase...

Je vais migrer par là ?...

Je vais migrer par là ?...

... et moi par là ?

Plaque équatoriale Mais non, passe de l'autre côté de la plaque équatoriale !

... et moi par là ?

... puis début d'Anaphase

Pas du tout, c'est à toi d'y aller !!!!

Je migre vers un pôle ... Certains gamètes vont avoir deux chromosomes 21 au lieu d'un

Position de la plaque équatoriale pour mémoire

Et d'autres aucun. Bravo la coordination !

... et moi vers l'autre

Évolution normale du chromosome 21 durant une deuxième division de méiose

Évolution normale du chromosome 21 durant une deuxième division de méiose

Métaphase...

Je vais migrer par là

Nous migrons tous les deux vers le même pôle

? ...

Je vais migrer par là

? ...

... et moi par là

?

Plaque équatoriale ... et moi par là ?

... puis début d'Anaphase

Mais non, passe de l'autre côté de la plaque équatoriale !

Je migre vers un pôle... Certains gamètes vont avoir deux chromosomes 21 au lieu d'un

Position de la plaque équatoriale pour mémoire ... et moi vers l'autre

Pas du tout, c'est à toi d'y aller !!!!

Nous migrons tous les deux vers le même pôle

Et d'autres aucun. Bravo la coordination !

Cette anomalie peut survenir au cours de la formation des spermatozoïdes (spermatogénèse) ou au cours de la formation des ovules (ovogénèse).


153


Cellule germinale

SCÉNARIO NORMAL

SCÉNARIO ANORMAL 1

SCÉNARIO ANORMAL 2

NON DISJONCTION NON DISJONCTION MÉIOSE

Formation du gamète (spermatozoïde dans cet exemple) FÉCONDATION avec : normal Ovule

normal normal normal

trisomie trisomie monosomie

trisomie monosomie normal normal

Zygotes produits

[Non attendu]

Dans plus de 75 % des cas la trisomie 21 a pour origine une anomalie dans la division 1 de la méiose, c’est-à-dire au moment de la séparation au hasard des paires de chromosomes homologues. Cette méiose anormale à lieu au cours de l’ovogenèse dans 90 % des cas. Selon les scientifiques, la répartition anormale des paires de chromatides lors de la seconde division de méiose pourrait avoir pour origine l’absence de chiasmas. En effet, ceux-ci maintiennent ensemble les chromatides paternels et maternels assurant ainsi une répartition égale des chromatides homologues dans les cellules filles. Le syndrome de Turner et le syndrome de Klinefelter ont pour origine une non disjonction des chromosomes X de la mère.

Activité 2

Première étape :

Schématiser un exemple de polyploïdie et montrer son rôle dans la spéciation Croisement de Spartina maritima et de Spartina alterniflora Il faut dessiner les étapes de la méiose ou 2n=2 puis 2n=4

154



Formation des gamètes chez Spartia alterniflora Spartina alterniflora 2n = 62

58 chromosomes +

Cellule diploïde à l'origine des gamètes

+ 62 chromosomes

Première division de méiose

Seconde division de méiose

31 chromosomes

31 chromosomes

31 chromosomes

31 chromosomes

Formation des gamètes chez Spartina maritima Spartina alterniflora 2n = 60

58 chromosomes +

Cellule diploïde à l'origine des gamètes

60 chromosomes

Première division de méiose

Seconde division de méiose

30 chromosomes

30 chromosomes

30 chromosomes

30 chromosomes


155


Formation de l’hybride

Gamète venant de Spartina alterniflora

Gamète venant de Spartina alterniflora

À l’issue de la fécondation on obtient un zygote possédant 61 chromosomes. Les individus porteurs (hybrides) de cette garniture chromosomique sont viables.

30 chromosomes

31 chromosomes

Fécondation 58 chromosomes +

hybride stérile à 61 chromosomes

Ils sont stériles car la méiose est impossible : ils ne présentent pas de paires de chromosomes homologues mais des chromosomes uniques ce qui pose problème au moment de l’appariement des chromosomes. Ils peuvent néanmoins se reproduire par multiplication végétative.

61 chromosomes Deuxième étape :

Une mitose anormale (absence de formation de cytosquelette) conduit au doublement du nombre des chromosomes chez des individus stériles. hybride stérile à 61 chromosomes

58 chromosomes +

61 chromosomes

58 chromosomes dédoublés +

Séparation des chromatides mais pas formation de deux cellules 116 chromosomes +

Spartina anglica

156



Spartina anglica 2n = 122

= polyploïdisation

122 chromosomes

Activité 3

Identifier quelques remaniements chromosomiques 1 et 2 : délétion 3 : inversion 4 : duplication 5 : translocation 6 : Translocation Dans le cas de la duplication, deux évènements ont eu lieu. Un des chromosomes homologues a subi une délétion et le fragment coupé s’est inséré sur l’autre chromosome homologue qui se retrouve donc avec deux copies d’une même région de chromosome. Ce phénomène porte le nom dans ce cas de crossing-over inégal. Chez l’homme, 15 % des gènes sont présents en deux exemplaires au moins. [Non attendu] Beaucoup de délétions affectant des chromosomes même à l’état hétérozygote provoquent des déficiences graves. L’un de ces syndrome appelé cri du chat est dû à une délétion de l’extrémité de l’un des chromosomes de la paire 5. Les enfants atteints ont une espérance de vie très courte.

Activité 4

Retrouver les traces de remaniements chromosomiques dans le caryotype de deux espèces présentant une étroite parenté La comparaison de ces deux caryotypes fait apparaître que : L’Homme

possède 46 chromosomes et le Chimpanzé 48 mais le chromosome humain n° 2 est l’équivalent de deux des chromosomes du Chimpanzé.

14

chromosomes sont identiques morphologiquement.

Les

chromosomes 1, 18 et 13 présentent une différence : un segment de chromosome présent chez une espèce est absent chez l’autre.

Les

autres différences consistent principalement en des inversions de segments.

Activité 5

Montrer le rôle des duplications dans la formation de familles multigéniques. Je dois recueillir des indices montrant que les globines sont appa-

rentées et proposer une hypothèse pour expliquer l’origine de cette parenté Les données recueillies avec le logiciel rastop sur la structure de 3 globines (␣,␤,y ) montrent que les trois molécules de globines présentent des similitudes de structure,notamment par la présence d’un groupement héme identique avec un atome de fer au centre. Les informations proposées par le logiciel phylogène permettent de construire une matrice des distances des globines en % de différences des acides aminés constitutifs.


157


alpha1 alpha1 zeta

0

gammaA

zeta

epsilon

delta

beta

39,3

57,9

60,7

55,7

55

0

59,3

59,3

60,7

62,1

0

19,3

28,6

26,4

0

27,1

23,6

0

6,43

gammaA epsilon delta beta

0

Les globines présentent des similitudes comprises entre plus de 38 % à 90 % les unes avec les autres. Certaines comme les globines beta et delta ont une constitution identique à plus de 93 %. On considère que deux protéines sont apparentées si le % de similitudes des séquences d’acides aminés est supérieur à 20 % : ce qui est le cas pour toutes les globines ici : ces globines forment donc une famille de protéines . Les globines présentent des similitudes de structures qui suggèrent une parenté : ces protéines sont homologues. Elles ont de plus la même fonction : transport du dioxygène. Le document 12 montre que les globines associées deux à deux dans la molécule d’hémoglobine présente dans les hématies fixent et transportent le dioxygène. Au cours de la vie humaine la composition de l’hémoglobine change : L’hémoglobine embryonnaire est constituée de 2 globines zêta et deux globines epsilon. L’hémoglobine fœtale est ainsi principalement constituée de 2 globines ␣ et 2 globines y alors que l’hémoglobine adulte est principalement du type 2␣ et 2␤. Toutes les chaînes des deux groupes de globines (groupe ␣ et groupe ␤ ) sont codées par des gènes différents. Les gènes du groupe sont situés sur le chromosome 16, ceux du groupe ␤, sur le chromosome 11 Certains gènes présents sur les deux chromosomes ne sont pas fonctionnels : ce sont des pseudogènes. Il ne s’agit pas d’allèles d’un même gène mais bien de gènes différents, exprimés à différents moments du développement embryonnaire. Remarque Les gènes sont placés sur les chromosomes 11 et 16 dans l’ordre où ils vont être exprimés au cours du développement de l’individu.

158



Conclusion :

Ces globines qui présentent des similitudes de structure sont codées par des gènes différents situés sur deux chromosomes. On peut penser que les gènes qui codent pour les globines sont apparentés. Pour le vérifier il faut comparer les séquences nucléotidiques des gènes codant ces globines. Résultat de la comparaison des séquences nucléotidiques des gènes

codant pour les globines humaines avec le logiciel phylogène Matrice des distances en % de différences acides nucléiques alpha1 alpha1 zeta gammaA epsilon delta beta

0

zeta

gammaA epsilon

delta

beta

41,4

40,9

60,7

43,1

30,1

0

23,2

7,89

21,1

44,5

0

23

15,8

43,1

0

21,3

45

0

42,3 0

Les similitudes entre les différents gènes ( plus de 50 %) confirment que ces gènes sont apparentés et constituent des gènes homologues dérivant d’un gène ancestral. Parmi les processus impliqués dans la duplication des gènes le cros-

sing-over inégal peut conduire à la duplication d’un gène. Une chromatide porte ainsi deux exemplaires du même gène. Les gènes dupliqués ont subi des mutations à l’origine de globines structurellement légèrement différentes mais dont la fonction n’est pas altérée. Le % d’identités entre les différents gènes signe leur degré de parenté. Plus le nombre de différences entre deux gènes est faible plus la duplication à l’origine de leur formation est proche dans le temps. Ainsi on peut voir dans le tableau que les gènes Beta et Delta qui présentent 7,8 % de différences résultent d’une duplication récente suivies de mutations expliquant les différences obvervées au niveau de la séquence nucléotidique entre les deux gènes. Les gènes Gamma et Epsilon présentent 16 % de différences mettant en évidence une seconde duplication plus ancienne. La comparaison de Beta et Epsilon, de Delta et Gamma ,de Delta et Epsilon et de Beta et gamma montre des % de différences relativement proches donc un éloignement des gènes à peu près semblable les uns des autres, consécutif à une troisième duplication, la plus ancienne. Au total, on met en évidence l’existence hypothétique de 3 gènes ancestraux qui subissent chacun une duplication génique suivi de mutations.


159


Remarque Certains gènes dupliqués deviennent des pseudo gènes : toujours présents sur le chromosome ils ne codent pas pour une protéine. Au cours de l’évolution les duplications qui ont formé ces gènes ont été suivies de mutations aux conséquences telles qu’une protéine fonctionnelle ne peut être formée.

On peut résumer ces information sur le schéma suivant : gène ε

gène γ

gène δ

gène β Duplication du gène 3

-50

-100

gène 2

-150

Duplication du gène 1

Temps (106 années)

gène 3


Actuel

-200

gène 1 -250

On peut également représenter les duplications, mutations à partir du gène ancestral de la manière suivante.

gène ε

gène γ

gène δ

gène β

M

M

Chromsome 11 M

M

M

M

M : mutation(s) DT : duplication et transposition

DT

M

M

M

DT

Gène ancestral

160



DT

En étudiant les différentes globines présentés par différents vertébrés on peut construire un arbre évolutif de la famille des globines. gène ζ

gène ε

gène α

gène γ


gène δ

gène 5

gène β Duplication du gène 5

Actuel -50 -100 -150

gène 4

-200 -250 -300

gène 3 -350 Duplication du gène 2

Temps (106 années)


-400 gène 2

Duplication du gène 1 gène 1

-450 -500

Une

famille multigénique :

a) est un ensemble d’allèles codant des protéines ayant la même fonction. Faux. Une famille multigénique est constituée de gènes différents et non d’allèles b) est un ensemble de gènes codant des protéines ayant la même fonction. Vrai c) comprend des gènes ayant des séquences nucléotidiques différentes. Vrai d) dérivent d’un gène ancestral par accumulation de mutations. Faux. Une famille multigénique nécessite également une duplication lors d’un crossing over inégal. Les

pseudogènes :

a) sont des gènes qui n’ont jamais été fonctionnels. Faux. Les mutations étant aléatoires ; il peut apparaître dans la séquence d’un gène un codon stop qui ne permet plus à ce gène de coder pour une protéine fonctionnelle. b) confirment le caractère aléatoire des mutations. Vrai c) codent pour des protéines fonctionelles. Faux. (voir affirmation a) d) ont accumulé une mutation codant pour un codon stop. Vrai


161


Les

familles multigéniques :

a) montrent que les génomes se diversifient par création de nouveaux gènes à partir de gènes existants. Vrai b) sont le témoin d’innovations génétiques survenues dans le passé de l’espèce .Vrai c) ont pour origine une modification de la structure des chromosome. Faux. Ce sont les remaniements chromosomiques qui modifient la structure des chromosomes d) ont pour origine une modification du nombre de chromosomes. Faux . le nombre de chromosomes reste constant [Non attendu] Les mutations ayant un caractère aléatoire à partir d’un gène ancestral les différents gènes dupliqués peuvent conduire à : Des gènes permettant la synthèse de protéines fonctionnelles (globines ␣, ␤, y ,␴, e z,) Des gènes codant des protéines avec une fonction légèrement différente mais qui sera conservée au cours des temps géologiques (ex myoglobine qui semble être la globine la plus ancienne). Des pseudogènes qui ne codent pas pour des protéines mais dont les séquences nucléiques ont été conservées. Pour aller plus loin : Les pseudogènes expliquent dans une certaine mesure qu’une grande partie de l’ADN n’est pas codant (d’autres pseudogènes existent dans d’autres familles multigéniques) La famille des gènes de la globine n’est qu’un exemple parmi beaucoup d’autres de famille multigénique montrant l’évolution du génome par duplication. Ainsi les protéines qui servent à l’emballage de l’ADN, les histones, sont elles aussi codées par de multiples gènes quasiment identiques. Gènes multiples et identiques encore pour les ARN des ribosomes : jusqu’à 5000 copies du même gène. Dans la famille des globines, les différentes molécules fabriquées, les hémoglobines, ont gardé la même fonction, celle liée à la fixation de l’oxygène,mais le processus de duplications suivies de mutations ne conserve pas toujours la fonction du gène ancestral. Comme nous l’avons souligné 15 % de nos gènes sont présents au moins en deux exemplaires. Ces phénomènes de duplication sont fréquents chez toutes les espèces (30 % des gènes de levure sont dupliqués) et sont de plus en plus étudiés. Les chercheurs pensent que les duplications sont un des moteurs de l’évolution.

162



Activité 6

Montrer comment les virus ont contribué à la complexification des génomes Les étapes clés du cycle d’un rétrovirus sont les suivantes :

1) Fixation du virus à la surface de la cellule 2) Fusion entre la membrane du virus et la membrane de la cellule infectée. 3) Copie de l’ARN viral en ADN simple brin puis double brin grâce à l’enzyme transcriptase inverse. 4) Transport du génome vers le noyau 5) Intégration du génome au noyau 6) Transcription du génome viral et traduction. 7) Production de protéines virales ARN viral précédemment contenu dans le virus

Étape 3

Étape 1

fusion des membranes

transcriptase inverse

et injection du contenu du virus dans le cytoplasme de la cellule hôte

ADN de la cellule hôte

apportée par le virus

Étape 2

ADN viral

Étape 4

protéines virales qui s’assemblent ici avec l’ARN viral pour former de nouveaux virus

Étape 5

Étape 7

traduction de l’ARN en protéines virales

transcription de l’ADN viral en ARN viral

Étape 6

Étape 8


163


Si l’information génétique virale s’intègre dans le génome des cellules germinales, elle pourra être transmise aux descendants. Les protéines codées par les gènes de ‘’syncytines ‘’ pourraient être

responsables de la formation du syncytrophoblaste. Les scientifiques nous précisent que les gènes découverts chez la

souris et chez les êtres humains ne sont pas des gènes orthologues. Ces gènes ne descendent pas d’un gène ancestral commun présent chez le dernier ancêtre commun aux deux espèces. Ce résultat indique, qu’à plusieurs reprises au cours de l’évolution des mammifères, des gènes d’enveloppe de rétrovirus ont été capturés et conservés pendant plusieurs dizaines de millions d’années, de manière indépendante à la fois dans la branche des primates et celle des rongeurs. La formation du placenta est un processus physiologique important

chez les mammifères. Cet organe permet en effet des échanges de nutriments et de gaz respiratoires entre l’embryon et la mère. Les résultats montrent que les embryons porteurs de la délétion du gène syncytine à l’état homozygote meurent de façon prématurée car le syncytrophoblaste n’a pas pu se former correctement altérant ainsi les échanges entre le sang maternel et l’embryon. Ces résultats démontrent que les protéines codées par ces gènes sont nécessaires à la syncytialisation des cellules et la formation du syncytrophoblaste. Les embryons hétérozygotes possèdent un allèle fonctionnel codant pour une protéine fonctionnelle qui permettra la formation du syncytrophoblaste. Grâce au modèle animal, les chercheurs ont donc démontré que les syncytines sont effectivement impliquées dans la formation du placenta. Ces résultats démontrent que l’infection d’espèces ancestrales par des

rétrovirus infectieux, la transmission des rétrovirus intégrés, et la capture de leur gène d’enveloppe sont des phénomènes aléatoires qui ont contribué à l’établissement de fonctions essentielles pour les mammifères. Une hypothèse radicale peut alors être faite, selon laquelle l’apparition des mammifères placentaires il y a près de 100 millions d’années pourrait être liée à la « capture fondatrice » d’un rétrovirus –dont on sait qu’ils sont apparus bien avant les mammifères qui aurait permis de passer d’un mode de développement embryonnaire « externe » -chez les animaux qui pondent des oeufs- à un mode « interne » dans lequel l’embryon est alimenté et protégé du système immunitaire de la mère par son placenta. [Non attendu]

164


Cet événement fondateur aurait pu exploiter une deuxième propriété essentielle des protéines d’enveloppe rétrovirale –en plus de leur capacité à faire de la fusion- à savoir leur fonction immunosuppressive, possiblement impliquée dans l’établissement de la tolérance de la mère vis-à-vis de l’embryon et du placenta.


C


Activité 1

Identifier le rôle des gènes homéotiques Le mutant antennapedia possède des pattes à la place des antennes.

[Non attendu]

Afin de vérifier la fonctionnalité de ces pattes, Bateson déposa du sucre sur les pattes développées en lieu et place des antennes. Chez les drosophiles, les pattes possèdent des cellules du goût. Il constata que la drosophile déroula sa trompe de la même manière que si du sucre avait été déposé sur les vraies pattes. Des informations ont donc circulé, via des circuits nerveux, des cellules du goût aux centres nerveux de la drosophile. Ces pattes sont donc fonctionnelles. Le mutant bithorax possède 2 paires d’ailes alors qu’une mouche normale ne possède qu’une paire d’ailes sur le deuxième segment thoracique. Chez la mouche mutante, le troisième segment thoracique ressemble donc au second segment thoracique. Nous savons que les gènes de structure codent pour une protéine

donnée. Or la mise en place d’un organe aussi complexe qu’une patte ou une aile nécessite l’intervention de nombreux gènes permettant la réalisation de nombreux types cellulaires différents. Il ne semble pas possible qu’une mutation sur un gène de structure donné puisse avoir des conséquences phénotypiques aussi importantes Nous constatons que la mutation bithorax présente sur le troisième

segment thoracique une paire d’ailes qui normalement se trouve sur le second segment thoracique. Cela signifie que le gène antennapedia s’est exprimé dans cette région du corps alors qu’il est normalement inactif. À l’origine de l’expression du gène antennapedia , on peut supposer une mutation du gène Ubx correspondant à une perte de fonction de ce gène. [Non attendu]

Activité 2

Le phénotype antennapedia a pour origine l’expression dans la région de la tête du gène antennapedia normalement inactif dans cette région

Montrer que l’expression des gènes est régulée La différence de phénotype ne peut pas s’expliquer par des mutations sur le gène codant pour la lactase car les séquences nucléotidiques sont identiques dans les deux situations. Ceci est corrélé par le fait que les individus LNP fabriquent de la lactase jusqu’à l’âge de 5 ans. L’absence d’ARN messagers après l’âge de 5 ans chez les individus LNP indique qu’il s’est produit un changement au niveau de la transcription.


165


Le gène de la lactase n’est plus transcrit en ARN messager donc plus de lactase synthétisée dans le cytoplasme des cellules. Chez les individus LNP, le gène de la lactase jusqu’à 5 ans s’exprime et après 5 ans cesse de s’exprimer. Une différence phénotypique peut donc avoir pour origine une différence dans la chronologie de l’expression d’un gène et non dans la séquence codante de ce gène. Se pose la question des facteurs à l’origine de l’expression ou de la non expression d’un gène.

Activité 3

Comparer les gènes de développement pour en identifier les homologies de séquence Le document 13 présente la disposition des gènes homéotiques Hox

B sur le chromosome 11 et la séquence en acide aminés de l’homéodomaine des protéines respectivement codées par les gènes homéotiques HoxB4 , HoxB7, HoxB9 et HoxB1. En comparant les séquences en acides aminés, nous pouvons constater qu’elles présentent une forte homologie. Par exemple, l’homéodomaine de la protéine codée par Hox B7 présente 83 % de similitudes (50 acides aminés identiques sur un total de 60 acides aminés) avec l’homéodomaine de la protéine codée par hoxB4.Ces différences s’expliquent par quelques mutations ponctuelles dans la séquence nucléotidique des gènes HoxB7 et HoxB4. La même analyse peut être réalisée pour les autres gènes. Ces similitudes s’expliquent par l’existence d’un gène homéotique ancestral qui s’est dupliqué. Les copies faisant ensuite l’objet de mutations ponctuelles aléatoires. Les gènes HOX de la souris constitue donc une famille multigénique. Le gène HoxB6 de la souris activé dans les cellules embryonnaires à

l’origine de la tête déclenche la formation d’une patte de drosophile à la place des antennes. Expliquer le résultat de cette transgénèse revient à expliquer le fonctionnement des gènes homéotiques. Des mutations sur des gènes homéotiques ont pour origine des modifications phénotypiques importantes ce qui est difficilement compréhensible si on assimile les gènes homéotiques à des gènes de structure. Ce constat s’explique bien cependant si les gènes homéotiques sont des gènes régulateurs contrôlant l’expression d’autres gènes. Nous savons que les gènes régulateurs codent pour des facteurs de transcription agissant sur des sites de l’ADN.

166



Le document 10 compare les séquences Box des gènes homéotiques antennapedia et HoxB6. Nous pouvons constater que ces séquences présentent de fortes homologies. Par conséquent, les protéines codées par ces séquences nucléotidiques seront aussi similaires. Cette similarité au niveau de la séquence d’acides aminés permettra donc aux protéines homéotiques codées par le gène HoxB6 de se fixer sur des sites spécifiques de l’ADN de drosophile et de déclencher l’expression de gènes de drosophiles permettant la formation d’une patte. Ces différentes étapes peuvent être schématisées : Isolement d’un gène homéotique de souris

TRANSGÉNÈSE sur un chromosome de drosophile Production d’une protéine homéotique de souris chez la drosophile

Activation des gènes de structure de la drosophile

Production de protéines de structure de drosophile

Transcription Traduction

Formation d’une patte de drosophile (par exemple ) au niveau des cellules de drosophile modifiées (la tête par exemple)

Le document 14 montre que l’ensemble des homéodomaines (60

acides aminés) des 346 protéines homéotiques connues chez diverses animales, dont les séquences ont été comparées à la séquence de l’homéodomaine de la protéine homéotique antennapedia présentent des homologies de séquences. Certains acides aminés n’ont pas beaucoup été modifiés dans la protéine alors que d’autres ont beaucoup variés. Ainsi le 5e acide aminé est dans toutes les protéines l’acide aminé arginine (symbole international R) alors que le premier acide aminé n’est l’arginine que dans un peu plus de 50 acides aminés.


167


Il apparaît que les acides aminés impliqués dans le repliement de la protéine ou dans la fixation de la protéine sur l’ADN sont les acides aminés les plus conservés. Une modification dans la séquence nucléotidique provoque une modification de la structure spatiale de la protéine ce qui influe sur sa capacité à se fixer sur l’ADN. Une conservation des acides aminés impliqués dans le repliement de la protéine ou dans la fixation de la protéine sur l’ADN permet de ne pas altérer la fonction de la protéine homéotique. Cette conservation peut donc s’expliquer par une pression stabilisante liée à la sélection naturelle. La partie pour débuter a souligné les difficultés d’expliquer par la

théorie gradualiste de l’évolution certains faits biologiques comme par exemple l’apparition d’un nouveau plan d’organisation ce que les spécialistes nomment une macroévolution. La compréhension du fonctionnement des gènes homéotiques permet d’envisager une explication. En effet, une mutation sur un gène homéotique modifie l’expression de nombreux gènes de structure induisant des modifications phénotypiques spectaculaires. Ce phénomène a peut-être été à l’origine d’innovations importantes sur le plan évolutif.

Activité 4

Montrer que des formes différentes peuvent résulter de variations dans l’intensité d’expression de gènes communs. On s’intéresse à l’expression d’un gène commun aux drosophiles, le gène yell codant pour un protéine à l’origine de la pigmentation de la drosophile. Il faut bien comprendre que ce gène de structure n’a subi aucune mutation. Alors comment expliquer dans ces conditions l’acquisition d’un caractère nouveau : les tâches sur l’extrémité des ailes ? La situation chez l’ancêtre des drosophiles nous montre que l’expression du gène yell dans l’aile est contrôlée par une séquence régulatrice possédant deux sites de liaison. Le lien des facteurs de transcription sur ces sites de liaison déclenche une expression faible et uniforme du gène yell à l’origine d’une coloration gris clair. Chez les espèces de drosophiles présentant des taches, nous constatons la présence d’un nouveau site de liaison sur lequel se fixeront des facteurs de transcriptions existant dans les cellules de l’aile. Cette modification aura pour conséquence une expression plus intense du gène yell dans certaines cellules de l’aile. L’expression plus intense se traduira par davantage d’ARN messager et une concentration plus élevée de protéine. On doit noter que la mutation dans la séquence régulatrice contrôlant l’expression du gène yell au niveau des ailes ne modifie pas la fonction

168



de la protéine codée par le gène yell pas plus qu’elle ne modifie l’expression de ce gène dans les autres parties de l’organisme. Certaines espèces de drosophile ont perdu un caractère, la coloration noire de l’extrémité de l’abdomen, par rapport à l’espèce ancestrale. Comment l’expliquer ? Nous constatons que sur la séquence régulatrice contrôlant l’expression du gène yell dans la partie abdominale un site de liaison a disparu à la suite de mutations. Cette modification a pour conséquence la non expression du gène yell dans les cellules de l’abdomen. Le gène yell continue cependant de s’exprimer dans les autres régions de l’organisme. Remarque Le même résultat eut été obtenu par une mutation sur le gène de structure de Yell. Cependant l’absence de protéine yell peut s’avérer préjudiciable et par conséquent cette mutation n’est pas retenue par la sélection naturelle.

Des modifications sur les séquences régulatrices des gènes modifient le profil d’expression des gènes et peuvent être à l’origine de la diversification des êtres vivants.

Activité 5

Montrer que les mutations sur des gènes homéotiques peuvent être à l’origine de processus d’hétérochronie. Montrer en utilisant l’ensemble des documents que ces différences

pourraient résulter d’une variation dans la chronologie du développement entre l’espèce ancestrale commune à l’homme et au chimpanzé et ses descendants Chimpanzé Fœtus Arrondie Absence de bourrelets sus orbitaires

Forme du crâne

Face non projetée vers l’avant Position du trou occipital

Sous le crâne

Homme Adulte

Face projetée vers l’avant Bourrelets sus orbitaires Bascule du trou occipital vers l’arrière

Fœtus Arrondie

Adulte Arrondie

Absence de bourrelets sus orbitaires

Absence de bourrelets sus orbitaires

Face non projetée vers l’avant

Face non projetée vers l’avant

Sous le crâne

Sous le crâne

Le crâne d’un jeune chimpanzé et le crâne d’un homme adulte se ressemblent. Cette ressemblance suppose un développement similaire. Le crâne d’un homme adulte ne ressemble pas au crâne d’un chimpanzé adulte. Le développement du crâne chez l’homme semble ralenti voire stoppé. Les


169


caractères juvéniles se maintiennent donc chez l’homme adulte et on peut noter que les caractères simiesques n’apparaissent pas. L’allongement par 4 de la phase embryonnaire au cours de laquelle les neurones se multiplient pourrait être à l’origine du développement cérébral plus important chez l’homme. La phase fœtale est raccourcie chez l’homme La phase lactéale est doublée chez l’homme ce qui a pour conséquence l’absence de migration du trou occipital vers l’arrière et par conséquent le maintien de la bipédie. Lors de la phase de substitution, le ralentissement du développement empêche l’apparition des caractères simiesques de la face. Certaines différences entre l’homme et le singe peuvent s’expliquer par des ralentissements ou des accélérations du développement. Le passage de la nageoire à a patte montre que le temps de déve-

loppement détermine la structure produite. Au cours de l’évolution, des mutations affectant des gènes homéotiques seraient à l’origine d’une modification du plan d’organisation. On peut donc poser comme hypothèse que les différences observées dans la durée des différentes phases du développement entre deux espèces proches l’une de l’autre comme l’homme et le chimpanzé aient pour origine des mutations sur des gènes contrôlant le développement.

170



C


Activité 1

Montrer qu’une diversification des êtres vivants est aussi possible sans modifications des génomes (symbiose) Montrer à travers les différents exemples proposés que la symbiose

peut être définie comme une association physique durable entre deux organismes d’espèces différentes et qui est bénéfique à chacun d’eux. Vous montrerez également l’importance de ces symbioses dans le fonctionnement des écosystèmes. Les échanges entre riftia et les bactéries chimiolithotrophes Rifitia

Bactéries chimiolithotrophes

Transport de l’hydrogène sulfuré combiné à l’hémoglobine

Oxydation de molécules d‘hydrogène sulfuré

Utilisation des molécules organiques à des fins énergétiques

Production de molécules organiques

Utilisation des molécules organiques à des fins énergétiques Les échanges entre l’algue et le champignon Champignon Apporte l’eau et les sels minéraux

Utilisation des molécules organiques (respiration) à des fins énergétiques

Algue Photosynthèse

Production de matière organique Utilisation des molécules organiques(respiration) à des fins énergétiques

Les échanges entre un vertévré ruminant et les microorganismes du tube digestif Vertébré ruminant Cellulose (molécule organique complexe) Production d’énergie nécessaire à la vie cellulaire de l’hôte

Microorganismes du tube digestif Dégradation de la cellulose par fermentation

Molécules organiques simples


171


La symbiose joue un rôle fondamental dans le fonctionnement de certains écosystèmes et est parfois à l’origine de leur existence. Ainsi sans l’association symbiotique, les lichens ne pourraient pas coloniser une surface inerte comme un rocher. L’association entre l’algue et le champignon permet la production de molécules organiques utilisées à des fins énergétique par les deux organismes. De la même manière sans l’association symbiotique, rifitia ne pourrait pas coloniser les zones hydrothermales. À noter que l’association symbiotique entre rifitia et les bactéries chimiolithotrophes est le point de départ d’une chaîne trophique et conditionne donc l’existence même de l’écosystème. Les chloroplastes sont des organites que l’on trouve dans les cellules

végétales chlorophylliennes qui permettent la photosynthèse c’est-àdire la production de matière organique à partir de molécules minérales. Les mitochondries sont des organistes présents chez les cellules eucaryotes animales et végétales. Les mitochondries sont des organites qui permettent la respiration aérobie (en présence d’02) fournissant ainsi l’énergie nécessaire à la vie cellulaire. Les mitochondries possèdent deux membranes. L’une d’entre elle pourrait être la membrane de la cellule hôte. Présence d’un génome circulaire dans la mitochondrie. Comme chez les bactéries, celui-ci est formé d’un chromosome circulaire parfois présent en plusieurs exemplaires. Comme chez les bactéries le génome n’est pas isolé au sein de l’organite. Présence dans la membrane de la mitochondrie de lipides d’origine bactérienne. Les mitochondries se divisent de façon autonome. Les mitochondries proviennent toujours de mitochondries préexistantes ce qui n’est pas sans rappeler la division des bactéries. Les chloroplastes possèdent également deux membranes. Comme pour la mitochondrie, l’une d’entre elle pourrait être la membrane de la cellule hôte. Les chloroplastes se divisent de façon autonome. Les chloroplastes proviennent toujours de chloroplastes préexistants qui évoquent pour les mitochondries la division des bactéries. Lipides de la membrane des chloroplastes semblent d’origine bactérienne. Les chloroplastes possèdent également leur propre génome. Celui-ci comme chez les bactéries est formé d’un chromosome circulaire parfois présent en plusieurs exemplaires. Comme chez les bactéries le génome n’est pas isolé au sein de l’organite. Les chloroplastes remplissent une fonction qui est également réalisée chez des cyanobactéries.

172



Ces arguments montrent que les caractères de ces organites sont proches de ceux des bactéries. Cette théorie selon laquelle les chloroplastes et les mitochondries seraient en fait des bactéries est aujourd’hui largement acceptée par la communauté scientifique. Le document représente une bactérie ‘’actuelle’’ phagocytée par un

macrophage ‘’actuel’’. Les bactéries phagocytées sont le plus souvent digérées et détruites par la cellule phagocytaire. Ce mécanisme de phagocytose est vraisemblablement le mécanisme qui a permis aux cellules eucaryotes d’acquérir des bactéries primitives. On peut élaborer le scénario suivant en s’appuyant sur le document 11. Les cellules eucaryotes hétérotrophes primitives consommaient de la matière organique qui vraisemblablement était digérée à l’extérieur de la cellule avant que le produit de la digestion ne soit ingéré par la cellule. Ces cellules ont certainement acquis la capacité de réaliser la phagocytose et parallèlement à cette acquisition la digestion est devenue intracellulaire. Des cellules eucaryotes primitives (A) ont phagocytée une bactérie capable d’utiliser l’02 (C) Cet évènement se serait déroulé il y a 2 à 3 milliards d’année. Se pose la question de la tolérance de la cellule hôte à l’égard de la bactérie primitive. Dans un deuxième temps, une cellule eucaryote aurait acquis des bactéries photosynthétiques de type cyanobactérie. L’ordre probable est donc A, C, B. Toutes les cellules eucaryotes actuelles possèdent des mitochondries

ce qui prouve que l’acquisition de bactéries primitives à l’origine des mitochondries à constitué un avantage sélectif important à l’origine d’une nouvelle lignée. La même remarque peut s’appliquer pour l’acquisition des bactéries à l’origine des plastes. L’endosymbiose a donc eu des conséquences importantes sur le plan évolutif en permettant à des cellules eucaryotes d’acquérir des fonctions initialement réalisées par des cellules de type procaryote. [Non attendu]

Nous savons que les mitochondries sont des organites qui permettent à la cellule d’utiliser l’02 à des fins énergétiques. Au cours de ces réactions chimiques l’02 est finalement transformé en eau. Pourtant le document 11 montre que l’02 s’est accumulé dans l’atmosphère après l’acquisition des mitochondries. En effet, l’02 initialement produit par les cyanobactéries était mobilisé par l’oxydation de différents composés présents à la surface de la planète (le fer par exemple). Ce n’est que vers 2 Ga que celui-ci s’est accumulé dans l’atmosphère.


173


Quel avantage pouvait donc apporter la présence de mitochondries dans une cellule en absence d’02 libre ? L’02 est un composé toxique pour les cellules et lorsque l’02 s’est accumulé, seuls les organismes pouvant vivre en milieu anoxique et ceux étant capable de résister à la toxicité de l’02 (comme celles possédant des bactéries à l’origine des mitochondries) ont survécu. Il peut sembler curieux d’envisager l’02 comme une molécule toxique alors que l’02 est associé à une source de vie. L’02 peut se combiner avec des radicaux libres produisant des molécules hautement toxiques comme l’eau oxygénée (utilisée comme désinfectant donc éliminant les microorganismes). La présence de mitochondries a donc dans ce nouvel environnement constitué un avantage sélectif important. Les chercheurs ont montré qu’au cours de l’évolution des gènes issus de plastes et des mitochondries ont été transférés au génome nucléaire ce qui signifie que dans le génome des eucaryotes il existe des gènes d’origine procaryote .Cet exemple illustre bien la dynamique du génome vu au cours du chapitre 4.

Activité 2

La transmission de phénotypes comportementaux nouveaux Faux. On peut constater que des comportements présentant un même

degré de complexité sont représentés sur les différents sites. Par ailleurs, la pêche aux termites ne représente pas un degré de complexité supérieur à celui consistant à casser des noix et pourtant il n’est pas présent sur le site de Boussou. Il apparaît que tous ces groupes possèdent la même aptitude à apprendre mais le contexte diffère d’un groupe à l’autre. Vrai. On constate que les comportements varient géographiquement

ce qui tend à prouver que les comportements ont été inventés à un endroit particulier. Ils se sont ensuite répandus ensuite au sein d’un groupe donné par imitation. Les comportements appris se transmettent d’une génération à l’autre. Faux. Nous savons que les mutations qui modifient les séquences

d’ADN surviennent de façon aléatoire c’est-à-dire qu’elles ne sont pas orientées par l’environnement. Les variations des phénotypes comportementaux ne sont pas aléatoires c’est-à-dire qu’elles ont pour origine un environnement donné. Faux. Les gènes ne sont transmis qu’à des individus apparentés ce qui

n’est pas le cas des comportements appris qui peuvent être transmis à tous les individus d’un groupe donné

174



C


Exercice 1

Tester ses connaissances A) Haploïde : se dit d’un organisme ou d’une cellule eucaryote qui possède qu’un lot de chromosomes homologues : ex : les gamètes Diploïde : se dit d’un organisme ou d’une cellule eucaryote qui possède des paires de chromosomes homologues. Chromosomes homologues : chromosomes identiques par leur taille et leur forme. Ils portent les mêmes gènes aux mêmes loci mais pas forcément les mêmes allèles. Zygote : cellule œuf issue de la fécondation entre un ovule et un spermatozoïde. B) La fécondation : permet le passage de la diploïdie à l’haploïdie. Faux – La fécondation rétablit la diploïdie. correspond à la fusion de deux gamètes haploïdes est une caractéristique de la reproduction sexuée se réalise au hasard. La méiose : rétablit la diploïdie. Faux – Elle permet le passage de la diploïdie à l’haploïdie. sépare au hasard les chromosomes homologues dans deux cellules distinctes intervient juste après la fécondation chez les mammifères. Faux – Elle précède la fécondation. se déroule dans les gonades chez les mammifères. La division réductionnelle de la méiose : divise par deux la quantité d’ADN mais pas le nombre de chromosomes. Faux – La première division est une réduction chromatique qui divise par 2 le nombre de chromosomes ce qui explique la diminution par 2 du taux d’ADN dans le noyau d’une cellule. est la première division est la deuxième division. Faux est précédée d’une phase de réplication de l’ADN


175


aboutit à deux cellules à n chromosomes.

La division équationnelle de la méiose : divise par deux la quantité d’ADN mais pas le nombre de chromosomes est la première division. Faux est la deuxième division est précédée d’une phase de réplication de l’ADN. Faux – Pas de réplication entre les deux divisions cellulaires Après la méiose : chaque cellule formée contient un seul représentant de chaque paire de chromosomes homologues chaque cellule formée contient toutes les paires de chromosomes homologues. Faux – Les chromosomes homologues se séparent au cours de la première division de méiose. l’information génétique est qualitativement la même que dans la cellule souche. Faux – Chaque cellule ne contient qu’une chromatide donc un allèle sur les deux présents dans la cellule de départ. l’information génétique contenue dans les cellules filles est quantitativement la même que dans la cellule souche. Faux – Chaque cellule fille ne possède que la moitié de l’information génétique contenue dans la cellule de départ. Remarque Les cellules formées à l’issue de la méiose sont quantitativement et qualitativement différente de la cellule souche : elles sont haploïdes et ne renferment qu’un allèle de chaque gène.

Exercice 2

Comparer la méiose et la mitose MITOSE

MEIOSE

Réplication de l’ADN

Pendant l’interphase avant le début de la mitose

Pendant l’interphase avant la méiose 1

Nombre de divisions

une

deux

Nombres de phases principales

4 (prophase, métaphase, anaphase, télophase.)

7 ou 8

Ensemble de l’organisme

Glandes reproductrices (tubes séminifères des testicules et ovaires)

Lieu de divisions et cellules concernées

Cellules somatiques

Cellules germinales

176



Nombre de lot de chromosomes à l’issue de la division

Nombre de cellules filles formées et composition génétique

2

4

4 cellules haploïdes qui ne contiennent que la moitié du 2 cellules diploïdes identiques nombre des chromosomes de la cellule mère à la cellule mère Ces cellules sont génétiquement différentes de la cellule mère

Exercice 3

Comportement des chromosomes au cours de la méiose Ordre chronologique : C / D / B / A

Exercice 4

Comportement des chromosomes et formation des cellules reproductrices Ces 3 schémas présentent un mouvement des chromosomes vers les pôles de la cellule caractéristique d’une anaphase. En B, la cellule est constituée de 4 chromosomes et on peut observer une séparation des chromatides à ne pas confondre avec la séparation des chromosomes homologues. Ce schéma est caractéristique d’une mitose. Le schéma A montre des chromosomes constitués deux chromatides. Cette étape correspond à la séparation des chromosomes homologues caractéristique de la première division de méiose. En C, la cellule est constituée de 2 chromosomes et on peut observer la séparation des chromatides. Ce mouvement des chromosomes peut être observé au cours de la deuxième division de méiose.

Quantité d’ADN et formation des cellules reproductrices

m éio se

réplication de l’ADN

m ito se

Quantité d'ADN contenue dans le matériel nucléaire (unités arbitraires)

m ito se

Exercice 5

2Q 2Q

Q Q/2 0 Temps

Avant chaque division cellulaire il y a une réplication de l’ADN. Les chro-


177


mosomes passent de une à deux chromatides. Ce phénomène est matérialisée sur le graphique par le doublement de la quantité d’ADN (passage de Q à 2Q ADN). Lors de la mitose, les deux chromatides de chaque chromosome se séparent ce qui se matérialise par une division par 2 de la quantité d’ADN (passage de 2Q à Q ADN) contenue dans chaque cellule. L’information génétique contenue dans chaque cellule fille est la même que celle contenue dans la cellule mère initiale. La reproduction est qualifiée de conforme. La méiose est formée de deux divisions successives. Lors de la première division de méiose les chromosomes homologues se séparent ce qui se traduit sur le graphique par une division de la quantité d’ADN(passage de 2Q à Q ADN) . lors de la seconde division de la méiose, les chromatides de chaque chromosome se séparent (passage de Q à Q/2 ADN). A l’issue d’une méiose, chaque cellule fille ne contient que la moitié de l’information génétique contenue dans la cellule initiale.

178



C


Exercice 1

Tester ses connaissances A) Définir les mots suivants : Chromosomes homologues : Chromosomes identiques en taille forme et position du centromère qui portent les mêmes gènes aux mêmes locus mais pas forcément les mêmes allèles. Gènes liés : Gènes portés par la même paire de chromosomes homologues. Crossing-over : échanges de chromatides et donc des allèles portés par ces chromatides entre chromosomes homologues lors de la prophase de la première division de méiose B) Souligner la ou les affirmations exactes : Le brassage interchromosomique : Intervient avant le brassage intrachromosomique Correspond à une séparation aléatoire des chromosomes homologues Correspond à une séparation aléatoire des chromatides des chromosomes homologues. se déroule en anaphase de méiose Le brassage intrachromosomique : Peut intervenir au cours des deux phases de la méiose Succède au brassage interchromosomique. Correspond à des échanges entres les chromatides des chromosomes lors de la prophase 1 de méiose Correspond à des échanges entre chromatides de chromosomes homologues en prophase 1 de méiose Des gènes indépendants : Sont des gènes dont les locus occupent une place différente sur une même paire de chromosome. Sont remaniés par le brassage intrachromosomique Sont des gènes dont les locus sont situés sur des paires de chromosomes différentes.


179


C) Indiquer à quelles étapes de la gamétogénèse on peut observer chacun des événements suivants Avant la méiose durant l’interphase qui précède la première divi-

sion de méiose Prophase 1 Prophase 1 Anaphase 2 Anaphase 1 : la séparation des chromosomes homologues se fait au hasard (=brassage interchromosomique)

Exercice 2 Q.1.

Brassage intrachromosomique et brassage interchromosomique Le schéma B illustre la notion de brassage intrachromosomique et

interchromosomique. On constate que les deux chromatides d’un même chromosome ne portent pas les mêmes allèles ce qui indique un crossing-over et donc un brassage intrachromosomique. La ségrégation aléatoire des chromosomes au cours de l’anaphase I sera à l’origine d’un brassage interchromosomique. Le schéma A illustre la notion de brassage intrachromosomique.

C’est faux car les deux gènes sont indépendants donc pas de brassage intrachromosomique. Ce schéma illustre cependant le brassage interchromosomique. À l’issue de la méiose, les cellules de type A produisent deux types

de gamètes. Faux. 4 types de gamètes sont possibles. Les génotypes des différents gamètes sont les suivants : Ab, aB, AB et ab À l’issue de la méiose les cellules de type A produisent 4 types de

gamètes équiprobables. La ségrégation des chromosomes étant aléatoire, la proportion de chaque type gamète est équiprobable donc égale à 25% À l’issue de la méiose les cellules de type B produisent 4 types de

gamètes équiprobables. C’est faux. Le schéma montre qu’il y’ a eu un crossing-over à l’origine d’un l’échange d’allèles (a, A, B et b) entre chromatides de chromosomes homologues. On sait que pour deux gènes liés, le crossingover ne se déroule pas dans toutes les cellules engagées dans la méiose. On obtiendra deux types de gamètes parentaux et deux types de gamètes recombinés dans une proportion inférieure.

180



Q.2.

4 types de gamètes sont possibles :

c

c b A

B a

C

C B a

b a

Exercice 3

Étude d’un brassage génétique au cours de la reproduction sexuée Prophase I de la méiose

Prophase I de la méiose

Crossing-over

A l’issue de la méiose A l’issue de la méiose

2 types de gamètes

4 types de gamètes


181


Exercice 4

Étude d’un brassage génétique au cours de la reproduction sexuée A) Vrai : on observe des chromosomes formés de deux chromatides qui sont appariés par paire de chromosomes homologues avec possibilité d’echanges de fragments de chromatides au niveau des chiasmas. B) Vrai : il est homozygote. C) Vrai : ce sont les deux allèles de type sauvage et tous les individus F1 ont ce phenotype à l’issue du premier croisement. D) Faux : Si les deux gènes se trouvaient sur deux chromosomes différents, la génération F2 serait constituée par 4 types de phénotypes en quantités égales, ce qui n’est pas le cas : les gènes sont liés. E) Vrai : Ce phénotype est différent des phénotypes parentaux [corps gris et œil prune]et [corps noir et œil clair] F) Faux : car les gènes sont sur le même chromosome : l’ecriture correcte du génotype des femelles F1 est : (g+,p+//g,p) .

Exercice 5

A) Faux : elles sont hétérozygotes : ce sont leurs parents qui sont homozygotes pour les deux gènes (ils sont de souches pures). B) Faux : Toutes les drosophiles F1 ont les ailes normales et possèdent l’allèle aile tordue qui est donc récessif. C) Faux : les 4 phénotypes issus du croisement 2 sont en quantité égale (25%) ce qui indique que les deux gènes sont situés sur des chromosomes différents : il y a autant de phénotypes parentaux que de phénotypes recombinés. (Résultats du brassage interchromosomique) D) Vrai.

182



C


Exercice 1

Tester ses connaissances Les gènes résultant d’une duplication :

A) Conservent toujours une séquence identique à la séquence d’origine B) Peuvent avoir des séquences différentes s’ils mutent C) Sont toujours obligatoirement situés sur le même chromosome que le gène ancestral D) Ne se dupliqueront qu’une seule fois E) Codent pour des molécules homologues F) Forment une famille multigénique. Les gènes résultant d’une duplication peuvent avoir des séquences différentes s’ils mutent, codent pour des molécules homologues et forment une famille multigénique Sont des innovations génétiques :

A) Les remaniements chromosomiques B) Les mutations C) Les duplications de gènes D) La méiose E) La sélection naturelle. Les remaniements chromosomiques, les mutations, les duplications de gènes sont des innovations génétiques Les familles multigéniques :

A) Sont formées de gènes ayant des séquences d’ADN communes B) Dérivent d’un gène ancestral par accumulation de mutations géniques C) Sont le témoin d’innovations génétiques survenues dans le passé de l’espèce D) Dérivent d’un gène ancestral par duplication, transposition et mutation génique. L’accumulation de mutations produit un ou des allèle(s) d’un gène. Pour la création d’une famille multigénique, il est nécessaire d’avoir au préalable une ou des duplication(s) du gène ancestral. La réponse B n’est donc pas exacte.


183


Exercice 2

Des anomalies chromosomiques lors de la méiose Évolution normale

Évolution anormale

Parents Mère

Père

Mère

Père

Gamètes possibles

Enfants possibles 44 + XX 44 + XX 44 + XY Phénotype Phénotype Phénotype féminin féminin masculin normal normal normal

Exercice 3

44 + XY Phénotype masculin normal

44 + XXX Phénotype féminin Syndrome du triple X

44 + X Phénotype féminin Syndrome de Turner

44 + XXY 44 + Y Phénotype non viable masculin Syndrome de Klinefelter

Des remaniements chromosomiques lors de la méiose Le caryotype de Monsieur A Chromosomes sexuels Y Un chromosome 14 normal

Un chromosome 14 transloqué par un 21

X

Un chromosome 21 normal 14, 14, 21, 21, X, Y Translocation équilibrée

La méiose aboutit à la séparation des chromosomes homologues. Chaque gamète porte un lot haploïde de chromosomes. Si l’on considère les chromosomes 14,21 et XY alors 8 combinaisons sont possibles.

184


14, 21, Y

14, 21, X

14, 21, 21, Y

14, 21, 21, X

14, Y

14, X

14, 21, Y

14, 21, X


L’individu B qui est une femme présente un caryotype normal. Chaque ovule présente donc la garniture chromosomique suivante :

Recherche des caryotypes possibles des enfants de ce couple :

+ Fécondation

+ Fécondation

Translocation équilibrée : cette fille a un phénotype normal

Caryotype normal : cette fille a un phénotype normal

+

+

Fécondation

Monosomie 21 : fausse couche

Fécondation

Trisomie 21 : cette fille a un phénotype mongolien


185


Exercice 4

Diversification du vivant par hybridation puis polyploïdisation Q Première étape

2n = 20

n = 10

La formation de l’hybride Senecio squalidus a eu lieu à l’issue d’une fusion entre un gamète de Senecio aethnensis et Senecio chrysanthemifolius.

gamète

Senecio aethnensis

+= 2n = 20 Senecio squalidus

2n = 20 Senecio chrysanthemfolius

n = 10

gamète

Les deux espèces parentales possèdent le même nombre de chromosomes et les chromosomes sont suffisamment proches pour qu’ils puisent s’apparenter lors de la méiose. Senacio squalidus est fertile.

Q Seconde étape

n = 20 2n = 40 Senecio vulgaris

gamète

+= 2n = 30 Senecio cambresis

2n = 20 Senecio squalidus

Senecio squalidus s’hybride avec Senacio vulgaris. L’hybride possède donc 30 chromosomes mais il est stérile. En effet, les deux espèces parentales ne possèdent pas le même nombre de chromosomes. Ceux-ci ne pourront pas être associés par paires lors de a méiose produisant les gamètes.

n = 10 gamète (une des 4 combinaisons possibles)

Pourtant Senacio cambrensis est fertile. Que s’est-il passé ? On constate égalment que senacio cambrensis possède 60 chromosomes donc deux lots de chromosomes issus de senacio squalidus et deux lots de chromosomes issus de senacio vulgaris.

186



Hypothèse 1 : une non ségrégation des chromosomes lors d’une mitose a entraîné un doublement de nombre de chromosomes rétablissant la fertilité de Senecio cambrensis. En effet lors de la méiose les chromosomes pourront s’apparier par paire.

Hypothèse 1

Absence de division du cytoplame en deux cellules filles lors de la mitose 2n = 60

2n = 30 Senecio cambresis Hybride stérile car la méiose est impossible

Hybride fertile car la méiose est possible

Hypothèse 2 : un problème lors de la méiose produisant les gamètes de Senecio vulgaris et squalidus a doublé le nombre de chromosomes

Problème lors de la méiose : non séparation des chromosomes homologues

n = 40

2n = 40

gamète

Senecio vulgaris

+=

Hypothèse 2

2n = 60

Senecio cambresis

Problème lors de la méiose : non séparation des chromosomes n = 20 homologues 2n = 20

gamète

Senecio squalidus


187


C

orrection du devoir autocorrectif n° 2

Partie 1

Question de synthèse Introduction L’unicité de chaque individu d’une population est due à l’existence d’allèles différents pour un grand nombre de gènes et au fait de posséder une combinaison allèllique originale sur ses chromosomes Nous rechercherons l’origine de ces combinaisons originales d’allèles chez chaque individu. Tout individu diploïde est issu du développement d’une cellule-œuf résultant de la fécondation, c’est-à-dire de la rencontre au hasard de 2 gamètes produits par ses parents : les allèles apportés par ces gamètes sont à l’origine des combinaisons alléliques propres à l’individu. La méiose étant le mécanisme permettant la production de gamètes chez les diploïdes, il s’agit d’expliquer comment elle aboutit à la production de divers types de gamètes.

N.B.

Ce sujet porte essentiellement sur la méiose. Il ne s’agit pas de traiter des différentes étapes de la méiose mais de s’appuyer dessus pour expliquer le brassage génétique.

1. La méiose et le brassage interchromosomique Considérons 2 gènes indépendants donc portés par 2 paires différentes de chromosomes homologues, les 2 gènes étant présents sous forme de 2 allèles chacun : par exemple, 1 caractère gouverné par le couple d’allèles (A//a) et 1 caractère gouverné par le couple d’allèles (B//b). Cellule mère des gamètes

Cette cellule-mère des gamètes subit une réplication de son ADN avant d’entrer en méiose : ne pas oublier qu’alors, ses chromosomes possèdent 2 chromatides (allèles identiques sur les 2 chromatides d’un même chromosome du fait de la réplication semi-conservative).

188


Corrigé du devoir autocorrectif – Séquence 4 – SN02

a. Les mécanismes La méiose comporte 2 divisions successives. Lors de la première division de méiose, en métaphase I puis anaphase I, les paires de chromosomes homologues se comportent de façon indépendante ; la répartition et la séparation des chromosomes de chaque paire se fait au hasard et de manière indépendante : il en résulte 2 types de répartitions possibles aboutissant à 4 types de cellules-filles à l’issue de la 1re division de méiose. Les deux allèles de chaque gène sont ainsi séparés et dans les cellules filles sont créées des associations nouvelles des allèles des deux gènes. La seconde division de la méiose ou division équationnelle sépare les deux chromatides de chaque chromosome, ce qui ne modifie pas les types de combinaisons d’allèles. Il y a formation de 4 types de gamètes, cellules haploïdes de génotypes (A, B), (a, b), (A, b), (a, B).


189


b. Bilan des résultats Au cours de la méiose, les chromosomes homologues, en se répartissant de manière aléatoire, donnent naissance à des gamètes génétiquement différents. En considérant 2 paires de chromosomes, on obtient 4 combinaisons différentes ; pour n paires, la méiose donnera naissance à 2n combinaisons chromosomiques dans les gamètes.

2. La méiose et le brassage intrachromosomique Considérons 2 gènes liés donc portés par la même paire de chromosomes homologues, chaque gène présent sous forme de 2 allèles : exemple, 1 couple (B//b) et 1 couple (C//c). Cellule mère des gamètes (2n)

a. Les mécanismes On constate un remaniement des chromosomes en prophase de 1re division appelé crossing-over. Des fragments de chromatides homologues génétiquement différentes peuvent alors être échangés.

190



b. Bilan des résultats Le crossing-over aboutit à la production de 4 types de gamètes, ayant des combinaisons alléliques différentes ; 2 types possèdent un chromosome à chromatide recombinée. Il s’agit d’un brassage intrachromosomique.

En considérant 1 paire de chromosomes portant 2 gènes, le brassage intrachromosomique conduit théoriquement à 22 combinaisons d’allèles dans les gamètes. Si on considère x gènes portés par une paire de chromosomes, le brassage intrachromosomique conduit théoriquement à 2x combinaisons d’allèles possibles.

Conclusion La méiose est à l’origine d’une très grande diversité des gamètes produits par un individu, en combinant à la fois le brassage intrachromosomique et interchromosomique (exemple : 2nx types de gamètes possibles, théoriquement, en admettant que les n paires de chromosomes portent toutes x gènes ; chez l’Homme cela donnerait 22300 avec 23 paires et 100 gènes/chromosome). La fécondation, rencontre au hasard de 2 gamètes porteurs de combinaisons alléliques différentes (pour chaque gamète : 1 parmi les 2nx possibles), aboutit à un nouvel individu possédant une combinaison unique et originale d’allèles.


191


Partie 2 Exercice 1

Pratique d’un raisonnement scientifique Recherche d’informations utiles à la résolution d’un problème scientifique Le phénomène présenté par les photographies du document 1 est la

méiose. En effet, la photographie d montre des figures de chromosomes homologues appariés, processus spécifique de la première division de la méiose.

d = prophase I f = métaphase I a = anaphase I c = prophase II e = métaphase II b = anaphase II

Classement des figures dans l’ordre chronologique : figures de chromosomes homologues appariés (chevauchements visibles) ; chromosomes homologues de chaque paire rangés de part et d’autre du plan équatorial de la cellule ; 2 lots de chromosomes en migration vers les 2 pôles de la cellule ; 2 lots de chromosomes non appariés (1 lot dans chacune des 2 cellules filles issues de la première division de méiose) ; 2 figures de plaque équatoriale (chromosomes rangés sur le plan équatorial de chaque cellule-fille). 2 lots de chromosomes à (1 chromatide) en migration vers les 2 pôles dans chacune des deux cellules filles. Schémas de la prophase I, métaphase I et anaphase II

Schéma d’une prophase 1

Schéma d’une métaphase 1

Schéma d’une anaphase 2

192



Activité 2

Choisir et exposer sa démarche personelle, élaborer une argumentation et proposer une conclusion ? Dans les deux exemples proposés, il s’agit d’espèces diploïdes : dans les cellules des individus, chaque gène est présent en deux exemplaires ou allèles. Dans ces deux exemples, on étudie la transmission de deux caractères (dihybridisme), chaque caractère étant gouverné par un gène (un couple d’allèles). Dans ces deux exemples, les individus de la génération parentale sont de lignée pure, c’est à dire homozygotes pour les deux gènes considérés. Document 1 : La F1 est homogène (1 seul phénotype). Les 2 parents

étant homozygotes, la souris à pelage gris et uniforme a transmis, par l’intermédiaire de ses gamètes, les deux allèles responsable de ces caractères. Il en est de même pour la souris à pelage noir et tacheté. Les souris de F1 possèdent donc 4 allèles : l’allèle responsable de la couleur grise de la souris et l’allèle responsable de la couleur noire, pour le premier couple d’allèles, et l’allèle codant pour un pelage uniforme et celui codant pour un pelage tacheté, pour le second couple d’allèles. Or, dans les phénotypes des souris F1, un seul allèle de chaque couple s’exprime : il s’agit des allèles dominants notés n+ (« gris ») et t+ (« uniforme ») ; les deux autres allèles, non exprimés dans le phénotype, sont récessifs, notés n (« noir ») et t (« tacheté »). Hypothèse : Considérons que ces deux couples d’allèles sont indépendants, c’est-à-dire portés par 2 paires différentes de chromosomes homologues. Les génotypes des deux parents seront : (n+// n+ ; t+//t+) et (n//n ; t//t) Les gamètes qu’ils produisent sont de génotype (n+, t+) pour l’un et (n, t) pour l’autre. Les individus de F1, issus de la rencontre de ces gamètes, ont donc pour génotype : (n+//n ; t+//t)

Représentation de la garniture chromosomique des parents


193


Représentation de la garniture chromosomique des obtenus en F1

Lorsque ces individus forment à leur tour des gamètes, la méiose assurant une répartition aléatoire des chromosomes homologues de chaque paire dans les cellules-filles (1re division de méiose), il en résulte 4 répartitions équiprobables des chromosomes des 2 paires considérées soit 4 types de gamètes en proportions égales : 1/4 (n+, t+) ; 1/4 (n, t) ; 1/4 (n+, t) ; 1/4 (n, t+). 2nd croisement : La souris à pelage noir et tacheté est un individu double récessif : le croisement effectué est un croisement-test. Cette souris ne produit qu’un seul type de gamètes : (n, t). Dans ce cas, les résultats des rencontres des gamètes entre une souris de F1 et une souris double récessive sont les suivants : Tableau des fécondations

On obtient 4 phénotypes en proportions égales : souris à pelage gris et uniforme, souris à pelage noir et tacheté, souris à pelage gris et tacheté, souris à pelage noir et uniforme : les 2 premiers sont des phénotypes parentaux et les 2 derniers des phénotypes recombinés. Les résultats théoriques issus de l’hypothèse sont en accord avec les résultats expérimentaux proposés : l’hypothèse de deux couples d’allèles indépendants est donc validée.

194



L’apparition de phénotypes recombinés est la conséquence d’un brassage interchromosomique réalisé en première division de méiose lors de la formation des gamètes. Document 2 : Les deux gènes R et P sont liés car ils sont situés sur le

même chromosome. Les rats aux yeux noirs possèdent au moins un allèle R et un allèle P.  RP t3BUTEFMJHO±FQVSFBVYZFVYOPJSTH±OPUZQF   que l’on peut égale RP ment écrire ( RP//RP ): un seul type de gamète (RP)  rp t3BUTEPVCMFTS±DFTTJGTH±OPUZQF   que l’on peut également écrire  rp (rp//rp) : un seul type de gamète (rp). Les rats F1 ont donc comme géno RP type   que l’on peut également  rp  écrire RP // rp

(rencontre des

gamètes précédents). Les individus F1 produisent 4 types de gamètes grâce aux recombinaisons d’allèles assurés par le brassage intrachromosomique lors de la méiose (gènes liés) : (RP), (rp), (Rp), (rP). (existence de crossingover)

Schéma


195


Génotypes

Gamètes

possibles en F2 (F1 x double récessif) :  RP  rp      rp   rp

(RP) (Rp) (rp) (rP)

(rp)

Tableau des fécondations

N.B.

(non demandé) : S’il n’y avait aucun crossing-over, les individus F1 produiraient 50 % de gamètes (RP) et 50 % de gamètes (rp) et en F2 il y aurait donc 50 % de rats aux yeux noirs et 50 % de rats aux yeux clairs. Dans l’exemple étudié, il y a plus de rats aux yeux clairs que de rats aux yeux noirs : l’excès correspond aux recombinaisons c’est à dire aux gamètes (Rp) et (rP), soit : (1777–1255)/(1777+1255) = 0,172, c’est-à-dire 17,2 % du total des gamètes produits par l’individu F1. Q

196



Séquence 5 Sommaire Correction des exercices du chapitre 1 Correction des activités du chapitre 2 Correction des activités du chapitre 3 Correction des exercices


197


C Exercice 1

orrection des exercices du chapitre 1 Mots croisés 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

C A R B A C H R O M O S O M P R O T

E

I

N E

E P O R G A N I N M I T O S

C O D E G E N E T I Q U E

E L L U L E N E N E

N E

Z X R S U C

Y O A S E L

M E N N S G E N E S E A G E E O T

I

D E

CODE GÉNÉTIQUE : Système d’équivalence présenté généralement sous la forme d’un tableau de 64 cases donnant la relation entre les codons (triplets de nucléotides) des ARN M. et les acides aminés qu’ils spécifient.

Exercice 2

La notion de mutation Brusques peut être remplacé par spontanées.

Discontinues peut être remplacé par aléatoires : les mutations se produisent au hasard le long de la molécule d’ADN. Toutes les mutations ne sont pas héréditaires : seules les mutations

touchant les cellules germinales (cellules à l’origine des gamètes) peuvent se transmettre à la génération suivante. Les mutations touchant les cellules somatiques ne concernent que l’individu porteur. Elles ne se transmettent qu’aux cellules issues par mitose de la cellule mutée. Modification aléatoire de la séquence des nucléotides de l’ADN.

Exercice 3

Les mutations, source de diversité Allèle : Différentes versions d’un gène obtenues par mutation.

Les allèles d’un même gène occupent le même emplacement (locus) sur un chromosome. Corrigés des exercices – Séquence 5 – SN02

199


Sur le document on voit que la fréquence des allèles du gène HLA-A est

très variable d’un pays à l’autre. Chaque individu porte pour chaque gène du « système HLA » une combinaison d’allèles qui lui est propre. Cela contribue à la diversité génétique des individus. Les mutations à l’origine de la formation des allèles sont donc une source de diversité génétique pour les espèces. Retenez qu’un gène est polymorphe lorsqu’il existe au moins deux allèles de ce gène avec une fréquence supérieure à 1 %. 1/3 au moins des gènes de l’espèce humaine sont polymorphes. Chaque personne est hétérozygote (porteur de deux allèles différents) pour 7 % des gènes soit environ 2 000 gènes. La diversité des allèles est l’un des aspects de la biodiversité.

Exercice 4

Les mécanismes à l’origine des mutations Caractéristiques Différence(s) observée(s) Nombre total par rapport à la séquence de nucléotides : Allèle référent (HbA : 444)

Exercice 5

Type de mutation

Tha1

A (52)T

444

Substitution

Tha4

Perte A (20)

443

Délétion

Tha7

Ajout C (28)

445

Addition

Rôle de l’environnement sur les mutations a. Le pourcentage de drosophiles mutantes augmente car le temps d’exposition de chaque population est plus important. Inexacte : le temps d’exposition n’entre pas en jeu ici. b. Les mutations sont des phénomènes spontanés. Exacte. Elles sont plus fréquentes en présence d’agents mutagènes. c. L’exposition aux rayons X augmente la fréquence des mutations. Exacte. d. Les mutations ont pour seule origine l’exposition aux rayons X. Inexacte : Elles sont dues en grande partie aux rayons X mais il existe un taux faible de mutations spontanées. Les agents mutagènes augmentent la fréquence des mutations spontanées ponctuelles.

Remarque

Les rayons UV, le benzène, l’amiante, le radon, le virus de l’hépatite B… sont quelques uns des agents mutagènes qui peuvent entrainer la cancérisation des tissus touchés.

Exercice 6

Relever dans les affirmations suivantes, celles qui sont inexactes et les corriger.

왘

a. Les mutations ne se produisent que dans la partie codante de l’ADN. Inexacte : les mutations se produisent tout le long de la molécule d’ADN.

200



b. Les mutations survenant dans les cellules somatiques d’un individu sont transmises à ses descendants. Inexacte : seules les mutations touchant les cellules germinales peuvent être transmises à la descendance. c. 2 allèles d’un même gène ont la même séquence nucléotidique. Inexacte : les allèles d’un gène peuvent être identique (l’individu est homozygote pour ce gène) ou différents (individu hétérozygote pour ce gène). d. Une mutation se traduit toujours par une modification de la séquence nucléotidique. Exacte.

Exercice 7

QRC La polyploïdisation est la multiplication du nombre des chromosomes

aboutissant à la polyploïdie, c’est-à-dire ayant plus de deux lots de chromosomes. Cette polyploïdisation peut aboutir à des cellules cancéreuses mais permet aussi l’apparition de nouvelles espèces (par exemple Senecio cambresis issu de Senecio aethnensis et Senecio chrysanthemfolius). Les mécanismes à l’origine de la diversification génétique du vivant,

autre que la polyploïdisation sont : les remaniements chromosomiques, la duplication de gènes, des transferts horizontaux de gènes. Des anomalies du nombre et de la structure des chromosomes peuvent

survenir lors de la formation des gamètes, lors de la mitose Des remaniements de structure du génome sont : une translocation,

inversion, délétion et duplication des chromosomes. Les mitochondries sont les seuls

organites de la cellule ayant une composition membranaire Noyau proche de la composition des membranes de bactérie. De plus, ce sont aussi les seules qui se multiplient à partir de mitochondries préexistences (comme le fond les bactéries : par fission binaire encore appelé scissiparité) au lieu d’être fabriquées lors de l’interphase comme le sont Mitochondrie tous les autres organites de la cellule (noyau, appareil de golgi, réticulum endoplasmique…). Enfin, on retrouve dans les bactéries et les mitochondries des gènes homologues et des ribosomes. Ces derniers étant plus proches que ceux trouvés dans le cytoplasme d’une cellule. On peut donc penser que les cellules animales ont pour origine une endosymbiose d’une bactérie capable d’utiliser le dioxygène par une cellule eucaryote primitive. Corrigés des exercices – Séquence 5 – SN02

201


Les mécanismes permettant la diversification du vivant sans modifica-

tion des génomes sont : la symbiose, la transmission de phénotypes comportementaux de génération en génération.

Exercice 8 Document 2

Les bactéries résistantes aux antibiotiques Les souches SHV-1sont sensibles à l’antibiotique cela veut dire que celui-ci tue la bactérie. La G-lactamase ne détruit pas l’antibiotique. À l’inverse, les souches SHV-2 sont résistantes à l’antibiotique. Celui-ci ne tue pas la bactérie donc la G-lactamase détruit l’antibiotique. À l’aide du logiciel anagène, on peut observer qu’il y a 3 différences entre les 2 enzymes. Ces différences correspondent à 3 mutations du gène, ce qui entraîne une modification de la protéine et donc du site actif de l’enzyme. Ainsi, avec l’allèle SHV-1, l’antibiotique ne peut pas se fixer sur le site actif de l’enzyme, il n’est pas détruit par la G-lactamase, Il tue alors la bactérie = la bactérie est sensible à l’antibiotique. Avec l’allèle SHV-2, l’antibiotique peut se fixer sur le site actif de l’enzyme, il est détruit par la G-lactamase, l’antibiotique est détruit et ne peut pas tuer la bactérie = la bactérie est résistante à l’antibiotique. L’apparition d’allèle codant pour des protéines capables de détruire les antibiotiques est due à des mutations. Ces mutations se font au hasard et confère aux bactéries une résistance plus ou moins forte pour un antibiotique. À chaque mutation aléatoire peut apparaître une résistance à un nouvel antibiotique.

Document 1

왘

Au sein des populations bactériennes, des souches résistantes à un antibiotique apparaissent au hasard et spontanément mais avec des fréquences faibles. Lorsque l’on est infectée par une bactérie, on retrouve dans notre organisme des bactéries sensibles et plus ou moins résistantes à un antibiotique. L’utilisation de cet antibiotique va détruire les bactéries sensibles et épargner les souches résistantes. Ces dernières vont donc avoir tendance à se développer et devenir ainsi de plus en plus fréquentes. On dit que les antibiotiques sélectionnent les souches résistantes. L’utilisation non raisonner des antibiotiques peut entraîner la sélection des bactéries résistantes de plus en plus.

C’est un principe de sélection naturelle qui explique l’apparition de bactéries résistantes aux antibiotiques. L’utilisation de ces molécules en médecine constitue une pression sélective qui sélectionne Pour aller plus loin les souches porteuses de mutaAfin d’éviter l’augmentation du nombre de bactéries tions leur permettent de résister. résistantes, il est important de réaliser un antibioLes populations évoluent donc et gramme permettant de trouver à quel antibiotique risquent de résister à toutes les la souche de bactérie est sensible pour traiter un molécules disponibles dans l’avemalade. nir.

202


Conclusion


C Pour débuter Critère

orrection des activités du chapitre 2 Expliquer ce qu’est une espèce sous forme de tableau. Évolution des Les espèces ont espèces (naisune origine divine sance, disparition) et ne changent pas

Critères morphologiques

Critère d’interfécondité

LINNE

oui

non

non

oui

BUFFON

oui

oui

non

oui

CUVIER

oui

non

oui

oui

LAMARCK

oui

oui

oui

non

DARWIN

oui

oui

oui

non

MAYR

oui

oui

oui

non

Naturaliste

, ,

La répartition des Trilobites (–) et Ammonites (–) au cours des temps géologiques

Extinction des Ammonites

Régression –50 –100

–150 Diversification –200

–250

Extinction des Trilobites

–300

–350 Régression Scutellum Calymène

–400 Apparition des Ammonites

–450 Trinucléus Triarthrus –500 Diversification

1c=50 genres 1c=10 millions d’années

Apparition des Trilobites

Olenellus

Agnostus Paradoxides Ptychoparia

–550


203


Activité 1

Observer les variations au sein d’une espèce Couleur et forme des yeux

Présence d’un nez

Forme et taille du nez

Face non prognathe Canine réduite

Couleur de la peau

Oreille sur le côté Peau glabre Vert : les caractères spécifiques de l’espèce.

Noir : les caractères propres à l’individu.

Tous les caractères communs à l’ensemble des enfants de cette fratrie sont des caractères spécifiques de l’espèce humaine mais chaque individu possède des caractères qui lui sont propres : ce sont les caractères individuels. Pour aller plus loin Ces caractères individuels peuvent se voir à l’échelle macroscopique comme la couleur de la peau mais se retrouvent aussi à l’échelle cellulaire et moléculaire. En effet, une peau sombre s’explique par la présence de cellules capables de fabriquer beaucoup de mélanine (pigment responsable de la couleur brune de la peau) due à une enzyme (la tyrosinase) très active. Les différences individuelles se retrouvent aussi dans les aptitudes d’une personne à faire certaines choses comme croiser naturellement les bras avec le bras gauche ou droit par-dessus ; rouler la langue en « U »….

Le génotype est l’ensemble des allèles d’un individu… Le phénotype

est l’ensemble des caractères observables à différentes échelles (macroscopique, cellulaire et moléculaire) d’un individu. Le phénotype moléculaire conditionne le phénotype cellulaire, qui conditionne le phénotype macroscopique. Les protéines sont donc le support moléculaire du phénotype d’un individu. Les gènes étant des portions d’ADN codant pour une séquence protéique ; on peut dire que le génotype permet la réalisation du phénotype via le code génétique. Les protéines sont issues de l’expression de l’information génétique contenue dans l’ADN. Il existe donc une relation de cause à conséquence entre le génotype et les différents niveaux de phénotype.

204



Activité 2

Étudier la composition génétique des populations Groupe

A

a

a a

o

B

b

b b

o

AB

a

b

O

o

o

Légendes protéines membranaires

Hématie

paire de chromosomes

Le gène responsable du caractère « groupe sanguin » existe en 3 versions différentes : les allèles (a, b, o). Toutes les cellules d’un individu peuvent posséder pour un même gène : – soit 2 fois le même allèle, l’individu est dit homozygote pour ce gène. Les génotypes peuvent être : a//a, b//b, o//o. – soit 2 allèles différents, l’individu est dit hétérozygote pour ce gène. Les génotypes peuvent être : a//o, b//o, a//b. Quand les 2 allèles sont différents : – les 2 allèles peuvent s’exprimer. Ainsi, l’expression du génotype a//b est le phénotype [AB]. – un seul des 2 allèles peut s’exprimer. Dans le cas de a//o, le phénotype est [A] et dans le cas b//o on a [B]. Les allèles A et B sont peu représentés à la surface du monde puisqu’ils

ne sont présents qu’entre 0 et 30 %. L’allèle B est présent entre 0 et 5 % sur tout le contient Américain et devient de plus en plus prédominant lorsque l’on se déplace d’Ouest en Est pour être en proportion maximale de 30 % en Inde par exemple. La gradation de la répartition de l’allèle A se fait du Sud vers le Nord. Avec des proportions faibles (0 à 5 %) en Amérique du Sud et des proportions plus élevées au Canada (30 %). L’allèle O est donc très majoritaire. L'absence des allèles A et B sur le continent américain avant l'arrivée de Colomb peut s'expliquer par le fait que le continent a été initialement colonisé par une petite population de groupe O. L’apport des gènes des immigrants européens fait que les allèles A et B sont maintenant présents en faible % (moins de 10 %) dans les populations Sud américaines.


205


Activité 3

Comprendre l’action de la sélection naturelle comme force évolutive On peut observer que les punaises se nourrissant des graines de la

liane ballon ont des rostres d’une taille variant de 7,2 à 11 mm avec une taille moyenne de 9,14 mm tandis que celles se nourrissant du savonnier élégant ont un rostre ayant une taille variant de 6 à 8 mm avec une taille moyenne de 6,8 mm. Taille moyenne = (taille du rostre X nombre d’individus ayant cette taille de rostre)/nombre d’individus au total. Les punaises se nourrissant sur le savonnier élégant ont un rostre plus court que les punaises se nourrissant sur la liane ballon. Toutefois, on peut noter la grande variabilité individuelle de la taille du rostre au sein d’une même population. Depuis l’introduction du savonnier élégant dans le centre et le Nord de

la Floride, on observe une forte augmentation de la taille de population de punaises du savonnier dans ces régions. En effet, avant 1930, date de la première introduction du savonnier élégant, on ne trouvait que ponctuellement la punaise du savonnier dans le centre et le Nord de la Floride. Vingt ans plus tard, les variations de populations se traduisent par une augmentation du nombre d’individus dans ces populations. De plus, toutes les punaises trouvées en 1930 avaient une taille moyenne de rostre de 9,13 mm. Les variations de populations s’observent donc aussi sur la diversification du phénotype avec une population de punaises à rostre long et une population de punaise à rostre court. Les variations observées au sein des populations de punaises ne

peuvent pas s’expliquer par un apport extérieur de punaises. L’origine de l’évolution est donc à rechercher au niveau local. La plante sur laquelle le développement est réalisé n’influe pas sur la taille du rostre des punaises (document 6d). La taille du rostre est donc déterminée génétiquement. La distance moyenne pour atteindre la graine d’un fruit de liane ballon ou de savonnier élégant varie. Ainsi, les punaises possédant un rostre court ne pourront pas atteindre la graine d’un fruit de liane ballon et ne pourront pas se reproduire, mais pourront se nourrir de la graine du savonnier. La taille du rostre est un caractère possédant une forte variabilité. Il en découle qu’en présence de savonnier élégant, le caractère rostre court s’est avéré favorable ; les punaises possédant ce caractère ont pu se nourrir et se reproduire transmettant ainsi l’allèle à l’origine de ce caractère aux descendants ce qui, au cours des générations successives, a modifié les populations.

206



Ce mécanisme est la sélection naturelle. On peut donc imaginer le scénario suivant : t Petites populations de punaises avec une grande variabilité de taille de rostre mais étant en moyenne long au centre et Nord de la Floride se nourrissant des quelques lianes ballon présentes dans la région. t 1930 : implantation du savonnier élégant : toutes les punaises peuvent se nourrir de ces graines : explosion démographique de la punaise du savonnier t Jusqu’en 1950 : Les punaises à rostre court se nourrissent cependant plus facilement que les punaises à rostre long. Les punaises à rostre court accédant plus facilement à cette nourriture assurent une descendance plus importante que les punaises à rostre long. Le caractère étant héréditaire, il est transmis de génération en génération Il y a eu sélection naturelle d’un caractère préexistant dans cette population de punaise à forte variabilité morphologique du rostre. Pour aller plus loin Dans le centre-Sud des États Unis, un scénario inverse s’est produit. Suite à l’introduction de plantes hôtes à fruits plus volumineux, la sélection naturelle a favorisée l’émergence de population de punaises du savonnier avec un rostre plus long. L’évolution ne suit aucune tendance prédéterminée, elle n’est pas à sens unique, ce sont les conditions du milieu local qui favorise ou défavorise un phénotype préexistant. De plus, l’évolution peut se faire rapidement, en quelques générations.

Activité 4

Utiliser des modèles mathématiques pour comprendre la dérive génétique Les conditions permettant le maintien génétique identique d’une

population au cours du temps sont : t Il faut que cette population ait un très grand effectif pour que la dérive génétique ne s’exerce pas ou peu. t Il ne doit pas y avoir de sélection naturelle qui favoriserait certains allèles par rapport à d’autres. t Il ne doit pas y avoir de mutations. t Cette population doit rester isolée d’autres populations de la même espèce. (pas d’apport d’allèles extérieur). En effet, une


207


population peut gagner ou perdre des allèles par suite de la migration d’individus féconds et/ou échange de gamètes avec une autre population. C’est une population théorique qui n’existe pas dans la nature car les

mutations même si elles sont rares sont des phénomènes aléatoires entrainant l’apparition de nouveaux allèles. De plus, l’effectif d’une population est toujours limité. La dérive génétique dépend de l’effectif de la population. Plus la

population est restreinte, plus la modification de la fréquence allélique est importante.

Activité 5

Un cas extrême de la dérive génétique : l’effet fondateur On peut penser que dans la population française migrante peu

nombreuse la prévalence de cette maladie était plus élevée que la moyenne, c’est l’effet fondateur. Comme les familles ont vécu isolées pendant plusieurs générations avec une forte descendance, l’allèle muté a pu continuer à se répandre dans la population de cette région. (doc. 8) Cette expansion de l’allèle est favorisée par sa dominance (doc. 9) : les personnes homozygotes et hétérozygotes sont malades (doc. 9), il suffit de porter l’allèle muté en un exemplaire pour avoir le phénotype malade. Pour information On peut définir la dérive génétique comme étant l’évolution au sein d’une population ou d’une espèce de la fréquence des allèles.

Une catastrophe naturelle (incendie, tempêtes, maladie…) ou l’inter-

vention humaine peut réduire la taille d’une population. Les individus survivants qui ont évité le désastre par hasard n’ont

pas forcément une composition génétique représentative de la population initiale. Certains allèles peuvent avoir disparu, d’autres être désormais surreprésentés. La dérive génétique continuera de s’exercer pendant plusieurs générations.

208



C


Activité 5

Trouver les limites des caractères utilisés pour définir une espèce Les arguments en faveur de la classification de la mouche du pommier

et de la mouche de l’aubépine en tant que deux sous-espèces sont : tDans la nature, ces deux mouches à l’état adulte (imago) ne se rencontrent pas : leur temps de développement étant différent. On pourrait donc penser que ce sont deux espèces différentes. tMais les croisements en laboratoire produisent des individus fertiles ce qui montre que l’isolement reproductif n’est pas complet. On peut penser que les populations des Mouches du Pommier et de l’Aubépine sont en cours de devenir deux espèces distinctes : ce ne sont donc pas encore totalement deux espèces différentes, on parle alors de sous-espèces. Espèces

Critères permettant de distinguer deux espèces

Limite du critère

Lymantria dispar

Drosophila persimilis et pseudo-obscura

Rhagoletis pomonella

Différences morphologiques

Différences morphologiques et physiologiques. Différences génétiques

Reproduction impossible dans la nature

Dimorphisme sexuel

Se ressemblent beaucoup. Peuvent être croisés en laboratoire

Descendance fertile en laboratoire

La notion d’espèce repose sur des critères variés qui permettent d’apprécier le caractère plus ou moins distinct de deux populations (critères phénotypiques, interfécondité, etc.). Cependant, ces critères ne permettent pas de classer tous les êtres vivants dans une espèce sans difficulté. Le dimorphisme sexuel pourrait aboutir à la classification en deux espèces du mâle et de la femelle alors qu’ils appartiennent en réalité à la même espèce. À l’inverse une observation trop rapide d’individus très semblables nous invite à les regrouper dans une même espèce mais en utilisant d’autres critères on découvre que ce sont deux espèces distinctes. Enfin, le critère d’interfécondité est difficile à utiliser quand en


209


laboratoire, ou en rapprochant deux espèces distinctes, on arrive à créer des hybrides fertiles. La définition de l’espèce est donc délicate. Les barrières prézygotiques c’est-à-dire les mécanismes empêchant la

formation du zygote sont : tl’appareil copulateur mâle présente des dissemblances au niveau du phallus donc empêchant la copulation ; tla maturité sexuelle est acquise plus tardivement chez D. persimilis que chez D. pseudo-obscura et les niches écologiques sont distinctes, les mouches ne peuvent pas se rencontrer ; tla période et l’intensité dans l’aigu du chant alaire des mâles déterminé par le chromosome X sont différentes entre les formes A et B et une émission d’odeur différente déterminante pour le choix du partenaire sexuel : il n’y a pas d’attirance sexuelle de l’espèce A pour l’espèce B et inversement. Les mécanismes postzygotiques c’est-à-dire empêchant le développement du zygote et l’apparition des imagos sont que malgré les barrières prézygotiques, s’il y a obtention d’un hybride F1, celui-ci est stérile lorsque c’est un mâle. Par ailleurs, les mouches de F2 sont souvent non viables, avec une forte mortalité larvaire, une longévité et une vigueur sexuelle des imagos très diminuées. On peut observer la présence de barrière pré et postzygotique empêchant la formation d’un adulte apte à se reproduire. Drosophila persimilis et drosophila pseudo-obscura sont deux espèces jumelles.

Activité 2

Comprendre comment se fait la spéciation par isolement géographique (allopatrique) L’origine de la vie dans cet archipel surgit de l’océan peut être l’arrivée

d’animaux capables de traverser une partie de l’océan en volant ou en nageant, de graines et fruits transportés par les courants marins ou le vent. L’apparition de ces 13 espèces de pinsons dans l’archipel des Galá-

pagos à partir d’un ancêtre commun peut s’imaginer de cette façon par exemple : 1. Arrivée d’une petite population de pinson sur l’île. 2. Mutation aléatoire de certains individus : variabilité de la population. 3. Éparpillement des oiseaux au hasard sur les différentes îles de l’archipel. 4. Sélection naturelle des individus les mieux « pré-adaptés » aux nouvelles conditions de vie. Les conditions pour que la sélection naturelle ait lieu sont que

le caractère apparu « accidentellement » soit favorisant dans les

210



nouvelles conditions du milieu et surtout que ce caractère soit génétiquement transmissible (héréditaire). Les types de sélection sont :

– sélection naturelle excercée par la taille et la dureté des graines disponibles. – sélection sexuelle exercée sur le critère « taille du bec ». Dans la question 2, on a vu dans le dernier point qu’une sélection

naturelle a été réalisée sur la population de pinsons. On peut peaufiner ce scénario maintenant : tArrivée d’une petite population de pinsons ayant comme variabilité de caractère « la taille du bec » : dans cette population, on trouve des oiseaux à bec plus ou moins gros et dur. Le document 5a permet de voir que le caractère « taille du bec » est un caractère héréditaire (on observe une concentration des points le log d’une droite ce qui confirme l’héritabilité du caractère). tLors d’une forte sècheresse (document 5b) en, 1977, on observe la diminution de la quantité de petites graines disponibles et l’augmentation de la quantité de grosses graines disponibles. De plus, les fruits fabriquant ces graines sont des fruits durs et gros (document 5c). t Ces fruits sont impossibles à ouvrir pour les pinsons à petits becs, difficiles à ouvrir pour les pinsons à becs moyens et faciles à ouvrir pour les pinsons à gros becs (document 5d). Ainsi, les pinsons à gros becs arrivent plus facilement et plus rapidement à se nourrir que les pinsons à becs moyens. Ces derniers, tout comme les pinsons à petits becs, finissent par mourir de faim (document 5b). Les individus possédant le phénotype « gros bec » ont plus de chance de survivre et par conséquent de transmettre les allèles à l’origine de ce phénotype, ce qui modifie la population. La sélection naturelle (quantité et qualité de nourriture disponible) et sélection sexuelle a trié les individus les plus gros et ayant un gros bec. On a vu que la population initiale pouvait présenter une forte variabi-

lité et que la sélection naturelle (ainsi que la dérive génétique) entraînait des modifications de la population d’origine. Le document 6 nous permet de voir que l’environnement des pinsons sur l’archipel des Galápagos a été très changeant au cours du temps. À chaque nouvelle condition du milieu de vie, une nouvelle forme de pinson a été sélectionnée par la pression du milieu. On peut aussi imaginer que sur chaque île, la végétation et le climat sont différents. Lorsque les pinsons ont colonisé les îles de l’archipel, la population s’est retrouvée divisée à des endroits différents : allopatrie. Chaque population, sous l’effet de la dérive génétique et de la sélection naturelle a évolué différemment… jusqu’à former une nouvelle espèce, c’est la spéciation. Corrigés des activités – Séquence 5 – SN02

211


Activité 3

Comprendre les mécanismes de la spéciation sans isolement géographique. H. annus, H. petiolaris et H. anomalis sont bien trois espèces diffé-

rentes car ils sont tous les trois très différents morphologiquement. De plus, ces trois espèces ont des besoins écologiques différents (nature du sol, besoin hydrique). Au niveau moléculaire, on peut voir que bien qu’ayant le même nombre de chromosomes, la structure des chromosomes varie d’une espèce à l’autre. Enfin, les hybrides sont semi-stériles. Barrières pré-zygotiques :

– arrangement chromosomiques différents – taux d’hybridation très faible Barrières post-zygotiques : – hybrides stériles et s’ils sont fertiles, ils ne sont pas capables de se croiser avec les espèces d’origine. Croisement par hasard d’H. annus H. petiolaris. Lors de la meiose, de

nouveaux arrangements chromosomiques spécifiques des hybrides obtenus à partir de cassures, fusions et duplication des chromosomes des tournesols annuels et à long pétiole se font. Ces nouveaux réarrangements empêchent un appariement des chromosomes correctement lors de la méiose des hybrides : barrière intrinsèque. Il y a apparition d’une nouvelle espèce sans séparation géographique (barrière extrinsèque) : c’est la spéciation sympatrique.

212



C orrection des exercices Exercice 1

Tester ses connaissances t Population : groupe d’organismes de la même espèce vivant dans

une aire géographique donnée à un moment déterminé. Ces individus occupent le même territoire et consomment les mêmes ressources et sont influencés par les mêmes facteurs écologiques. Ils peuvent se reproduire entre eux. Ces individus ont les mêmes gènes mais le patrimoine génétique de chaque individu est différent car il provient d’une combinaison allèlique propre à chaque individu. Une population équivaut à une collection des allèles des différents gènes d’une espèce. t Pool génique : patrimoine génétique d’une population. t Effet d’étranglement : réduction importante des individus d’une population consécutive à une catastrophe naturelle ou une intervention humaine. Le patrimoine génétique de la population survivante peut être modifié a. Dans un milieu donné la fréquence de certains allèles au sein d’une

population peut augmenter ou diminuer par le processus de sélection naturelle. b. La dérive génétique est la transmission aléatoire des allèles à la descendance. c. Lors de l’effet fondateur quelques individus d’une population se séparent de la population initiale emportant des allèles qui peuvent ne pas être représentatif de la population d’origine. a. Inexacte : la sélection naturelle dépend de l’environnement. La

sélection naturelle est un processus orienté qui favorisent la survie des individus dont les phénotypes sont les mieux adaptés à un moment donné aux conditions de l’environnement. b. Exacte. c. Exacte. d. Exacte. Les réponses exactes sont :

A : On considère que deux animaux appartiennent à des espèces différentes quand ils ne peuvent produire une descendance viable ou fertile. Corrigés des exercices – Séquence 5 – SN02

213


B : L’isolement géographique constitue la première étape de la spéciation allopatrique C : On appelle radiation adaptative l’évolution de nombreuses espèces à partir d’un ancêtre unique D : La spéciation sympatrique est l’apparition d’une nouvelle espèce dans l’aire de répartition de la population mère. E : Par hasard, les fréquences alléliques des pucerons isolés différaient dès le départ des fréquences alléliques de la population parentale, et une dérive génétique a eu lieu qui a accru les différences d’avec le patrimoine initial.

Exercice 2

Un mécanisme de la sélection naturelle On constate une répartition inverse des allèles D et d selon le type d’habitat fréquenté (sols clairs ou foncés). Lorsque les souris vivent sur les sols clairs l’allèle d est le plus représenté (92 %). Les souris homozygotes (possédant deux allèles d) sont de phénotype pelage clair et moins visibles dans ces conditions de milieu de vie. Echappant plus facilement à la prédation par le Hibou à cornes elles pourront se reproduire et transmettre l’allèle d à leurs descendants. Sur les sols sombres ce sont les souris foncés qui ont de plus grandes chances de survie et donc de transmettre à leur descendance l’allèle D. Dans un milieu donné, à un moment donné certains individus se trouvent favorisés et vont transmettre à leur descendance leurs allèles accentuant ainsi au cours des générations les fréquences allèliques de certains gènes. On donne le nom de sélection naturelle à cet avantage pris par certains génotypes sous l’influence des facteurs du milieu.

Exercice 3

Avantage reproducteur et sélection sexuelle Le plumage des euplectes mâles change au moment de la reproduction. Les 3 populations ayant la même longueur de plumes de la queue ont sensiblement le même nombre de nids actifs (1,4 1,6 et 1,7). Ils ont donc attiré à peu près le même nombre de femelles. Chaque mâle de la population a formé au moins un nid. Le nombre de nids actifs après variation de la longueur de la queue change pour les 3 populations. Les euplectes ayant la queue raccourcie ont formé peu de nids (0,4 par mâle) ce qui laisse penser que certains mâles n’ont pas trouvé de partenaire. Au contraire la population C (queue rallongée) a fondé davantage de nids (pratiquement 2 par mâle) soit plus que la population B qui sert de témoin dans cette deuxième expérience.

214



La possession d’une longue queue semble être un facteur de réussite dans la recherche d’un partenaire pour la reproduction sexuée. La longueur des plumes étant contrôlée génétiquement, les individus porteurs de ce phénotype avantageux transmettront à leur descendance les allèles permettant aux générations suivantes d’exprimer ce phénotype. Il s’agit bien d’un exemple de sélection naturelle liée au sexe.

Exercice 4

Les cyprinodontidés de Death Valley On observe aujourd’hui aucune interfécondité entre ces différents

poissons ce qui correspond à la définition de l’espèce : on est en présence de plusieurs nouvelles espèces de cyprinodontidés. Il y a 10 000 ans une population ancestrale de cyprinodontidés a été

isolée en plusieurs sous populations qui ont ensuite sous l’effet des mutations, de la sélection naturelle et de la dérive génétique évoluées indépendamment les unes des autres.

Ancêtre commun au C. milleri et au C. diabolis

Il y a 10 000 ans

Cyprinodon milleri Cyprinodon diabolis

Il y a 5 000 ans

Aujourd’hui

C’est une spéciation avec isolement géographique : allopatrique.

Exercice 5

La radiation évolutive adaptative : Le cas des archipels La vie a pu apparaître sur ces îles, vierges à l’origine, par colonisa-

tion : en nageant, en volant, au grès des courants marins et aériens des végétaux et des animaux se sont introduits sur ces îles. les îles étaient au départ peu peuplées par de nouveaux arrivants.

De nombreuses niches écologiques (îles différentes) différentes ont permis une sélection naturelle variée amenant à une diversification importante des populations et aboutissant sur plusieurs générations à une spéciation.


215


Exercice 6

Les souris sylvestre des États-Unis Borealis avec nebrascensis, artemisiae avec sonoriensis et sonorien-

sis avec nebrascensis se croisent entre elles et ne sont donc pas génétiquement isolées. Dans la mesure ou la descendance (hybrides) est viable et féconde

on ne peut pas parler d’espèces différentes mais de populations ou encore de sous espèces. Même si ces deux populations ne se croisent pas un flux génétique

s’établit entre elles par l’intermédiaire des autres populations. Il faudrait que les populations qui les relient disparaissent ou ne se

croisent plus entre elles.

Exercice 7

L’isolement reproductif BARRIÈRES PREZYGOTIQUES A : Isolement éthologique B : Isolement temporel E : Isolement écologique F : Isolement gamétique G : Isolement mécanique BARRIÈRE POSTZYGOTIQUES C : Non viabilité des hybrides D : Stérilité des hybrides Q

216



Corrigé Svt terminale S

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