Leçons de Biology

24 leçons

Athlétisme : courir, sauter et lancer – L'athlétisme est un sport où la performance se mesure : les courses sont chronométrées, les sauts et les lancers se mesurent en mètres. Sur la piste, on trouve les sprints, le demi-fond, le fond, les haies et les relais. Les sauts (longueur, triple saut, hauteur, perche) ont quatre phases : élan, impulsion, vol et réception. Pour les lancers (poids, disque, javelot, marteau), la vitesse de lâcher compte le plus, puis l'angle et la hauteur de lâcher. Des règles claires sur les départs, les couloirs, les lignes et les secteurs rendent le sport équitable.
Bases moléculaires de l'hérédité – L'ADN est le matériel génétique de la plupart des êtres vivants (certains virus utilisent l'ARN). C'est une double hélice : deux brins antiparallèles de nucléotides, A s'associe à T par 2 liaisons hydrogène et G à C par 3. Un ADN très long s'enroule sur des histones pour former des nucléosomes, puis la chromatine. L'ADN se copie de façon semi-conservative (Meselson et Stahl). Le dogme central dit : ADN → ARN → protéine. La transcription fabrique de l'ARN à partir d'un seul brin ; chez les eucaryotes, l'ARNhn reçoit une coiffe et une queue, et il est épissé. Le code génétique est un triplet, compte 64 codons (61 pour des acides aminés, 3 d'arrêt), commence par AUG, est presque universel et dégénéré. Les ribosomes traduisent l'ARNm en protéine avec les ARNt comme adaptateurs. Les gènes s'allument et s'éteignent ; l'opéron lactose en est l'exemple classique. Les projets Génome humain et Génome du riz ont lu des génomes entiers, et l'empreinte génétique utilise de l'ADN répété (VNTR) pour identifier des personnes.
Biotechnologie : principes et procédés (technologie de l'ADN recombinant) – Le génie génétique consiste à modifier volontairement les gènes d'un être vivant. On découpe le gène voulu avec des enzymes de restriction (des ciseaux moléculaires), on le colle dans un ADN porteur appelé vecteur grâce à l'ADN ligase (la colle moléculaire), on l'introduit dans une cellule hôte, on repère les cellules qui l'ont adopté, puis on les cultive dans de grandes cuves (bioréacteurs) pour récupérer le produit. La PCR fabrique des millions de copies d'un gène, et l'électrophorèse sur gel trie les morceaux d'ADN selon leur taille.
Cycle cellulaire et division cellulaire – Une cellule grandit, copie son ADN, puis se divise, toujours dans le même ordre : c'est le cycle cellulaire, avec l'interphase (G1, S, G2) et la phase M. Pendant la phase S, l'ADN double (2C → 4C) mais le nombre de chromosomes ne change pas. La mitose (prophase, métaphase, anaphase, télophase) et la cytocinèse donnent deux cellules identiques à la cellule mère : c'est une division équationnelle, utile pour la croissance et la réparation. La méiose comporte deux divisions ; dans la méiose I, les chromosomes homologues s'apparient, échangent des morceaux (crossing-over) puis se séparent, ce qui divise le nombre de chromosomes par deux (2n → n). Elle fabrique quatre cellules haploïdes pour les gamètes et crée de la variation.
Diversité et classification des êtres vivants – La Terre abrite des millions d'espèces vivantes, et l'Inde est l'un des pays les plus riches en biodiversité. Pour les étudier, on les range en groupes en posant des questions simples sur leur corps : y a-t-il un noyau ? une seule cellule ou plusieurs ? peut-il fabriquer sa nourriture ? On obtient cinq règnes : Monères, Protistes, Champignons, Plantes et Animaux. Les animaux se divisent en invertébrés et vertébrés. Chaque espèce reçoit un nom scientifique en deux parties. Les virus ne sont pas des cellules, donc ils n'entrent dans aucun règne.
Écosystème : structure, productivité, flux d'énergie et pyramides – Un écosystème est une unité de la nature où les êtres vivants (biotiques) et les éléments non vivants (abiotiques) interagissent. Les plantes fabriquent de la nourriture à une certaine vitesse, appelée productivité : la productivité brute (PPB) moins la respiration donne la productivité nette (PPN = PPB − R). La matière morte est décomposée en cinq étapes : fragmentation, lessivage, catabolisme, humification et minéralisation. L'énergie entre sous forme de lumière du Soleil, circule dans un seul sens à travers les niveaux trophiques et seulement environ 10 % passe au niveau suivant. Les pyramides écologiques de nombre, de biomasse et d'énergie le montrent ; les pyramides de nombre et de biomasse peuvent être inversées, mais la pyramide d'énergie est toujours droite.
Écosystème, chaînes alimentaires et flux d'énergie – Un écosystème, c'est tous les êtres vivants d'un lieu plus le milieu non vivant qui les entoure, qui fonctionnent ensemble. L'énergie arrive sous forme de lumière du Soleil, monte dans un seul sens le long d'une chaîne alimentaire, et seulement environ 10 % passe à chaque niveau suivant.
Évolution : origine de la vie, mécanismes et évolution de l'homme – La vie est apparue sur la Terre primitive à partir de substances chimiques simples : Oparin et Haldane en ont eu l'idée, et Miller a fabriqué des acides aminés dans un ballon. Les preuves de l'évolution viennent des fossiles, des organes homologues et analogues, des embryons, des molécules et de changements que l'on peut observer (mélanisme industriel, résistance aux médicaments). Darwin l'explique par la sélection naturelle qui agit sur la variation au sein des populations ; la théorie synthétique moderne ajoute les gènes : mutation, recombinaison, flux de gènes, dérive génétique et sélection naturelle font changer les fréquences des allèles. Si aucun de ces facteurs n'agit, les fréquences restent constantes : c'est la loi de Hardy–Weinberg, p² + 2pq + q² = 1. La sélection peut être stabilisante, directionnelle ou disruptive. Un ancêtre qui se répand dans de nombreux milieux donne une radiation adaptative (pinsons de Darwin, marsupiaux d'Australie). L'être humain descend de singes proches de Dryopithecus, puis Australopithecus, Homo habilis, Homo erectus et Neandertal jusqu'à Homo sapiens.
Hérédité et variation – Les gènes vont par paires (les allèles). Chaque parent transmet à son enfant un seul allèle de chaque paire. Mendel a montré la dominance (3 : 1), la ségrégation et l'assortiment indépendant (9 : 3 : 3 : 1). Dans la vraie vie, il y a des cas particuliers : dominance incomplète (1 : 2 : 1), codominance (groupe sanguin AB), allèles multiples, pléiotropie (un gène, plusieurs effets) et caractères polygéniques (plusieurs gènes, un seul caractère). Les gènes sont portés par les chromosomes : des gènes situés sur le même chromosome sont liés et ne se séparent que par crossing-over. Les chromosomes sexuels déterminent le sexe (XX-XY chez l'humain, ZW chez les oiseaux, haplo-diploïdie chez l'abeille) et portent des gènes liés au sexe (hémophilie, daltonisme). Des erreurs dans un gène causent des maladies mendéliennes (thalassémie, drépanocytose) et des erreurs dans le nombre de chromosomes causent les syndromes de Down, de Turner et de Klinefelter.
L'évolution : comment apparaissent de nouvelles espèces vivantes – Des variations apparaissent à chaque reproduction. La nature garde celles qui aident à survivre, donc au fil des générations une population change : c'est l'évolution. Seuls les changements héréditaires (dans l'ADN) se transmettent, pas les caractères acquis. Des populations séparées peuvent devenir de nouvelles espèces. Les organes homologues, les organes analogues et les fossiles aident à retrouver les liens de parenté, et les organes complexes se sont formés étape par étape.
L'hérédité et les lois de Mendel – L'hérédité, c'est la transmission des caractères des parents aux enfants grâce aux gènes. Chaque parent donne une copie de chaque gène. Une copie dominante cache une copie récessive : c'est pourquoi Mendel a obtenu 3:1 dans un croisement monohybride et 9:3:3:1 dans un croisement dihybride. Les gènes sont des morceaux d'ADN qui fabriquent des protéines, et les protéines construisent le caractère.
La biodiversité et sa conservation – La biodiversité est la variété du vivant à trois niveaux : génétique, spécifique (les espèces) et écologique. Elle est la plus forte près de l'équateur et augmente avec la surface (log S = log C + Z log A). Chaque espèce compte, comme les rivets d'un avion. Nous perdons des espèces très vite à cause du « quatuor du mal » : destruction et fragmentation des habitats, surexploitation, invasions d'espèces exotiques et co-extinction. La Liste rouge de l'UICN (Red Data Book) classe les espèces de « Préoccupation mineure » à « Éteinte ». On protège le vivant in situ (hotspots, parcs nationaux, sanctuaires, réserves de biosphère, bosquets sacrés, zones humides Ramsar) et ex situ (zoos, jardins botaniques, banques de graines et de gènes).
La cellule : l'unité de base du vivant – Tout être vivant est fait de cellules. Robert Hooke a vu des cellules dans du liège pour la première fois en 1665. Les cellules sont procaryotes (pas de vrai noyau, comme les bactéries) ou eucaryotes (vrai noyau). Les cellules végétales ont une paroi, des chloroplastes et une grande vacuole ; les cellules animales n'en ont pas. Chaque organite a un rôle. L'eau entre dans les cellules et en sort par osmose. Les cellules font de nouvelles cellules par mitose (croissance) et par méiose (cellules sexuelles).
La condition physique – La condition physique est la capacité du corps à faire les tâches du quotidien, à jouer et à pratiquer un sport avec de l'énergie en réserve. Elle compte cinq composantes liées à la santé (endurance cardio-respiratoire, force musculaire, endurance musculaire, souplesse, composition corporelle) et six liées à l'habileté (vitesse, agilité, puissance, équilibre, coordination, temps de réaction). On la fait progresser avec un programme planifié grâce à FITT (fréquence, intensité, temps, type) et à des principes d'entraînement comme la surcharge, la progression, la spécificité, le repos et la réversibilité.
La nutrition – La nutrition, c'est la façon dont nous prenons et utilisons les substances contenues dans les aliments. Le corps a besoin de six groupes de nutriments : les glucides et les lipides (surtout pour l'énergie), les protéines (croissance et réparation), les vitamines et les minéraux (en petites quantités, pour que le corps fonctionne) et l'eau, plus les fibres pour une bonne digestion. Les glucides et les protéines donnent environ 17 kJ par gramme, les lipides environ 37 kJ par gramme. Une alimentation équilibrée apporte tous les nutriments en bonne quantité, et l'énergie absorbée doit être à peu près égale à l'énergie dépensée.
La reproduction humaine et la santé reproductive – À la puberté, des hormones venues du cerveau font démarrer les testicules et les ovaires. L'appareil masculin fabrique et transporte les spermatozoïdes ; l'appareil féminin produit des ovules et offre un endroit (l'utérus) où le bébé se développe. La fécondation a lieu dans l'oviducte, et l'embryon est nourri grâce au placenta. La santé reproductive, c'est aussi faire des choix sûrs, connaître la contraception, refuser l'avortement sélectif des filles et se protéger des infections sexuellement transmissibles comme le VIH/sida.
Le transport chez l'humain : cœur, vaisseaux, sang et lymphe – Le cœur est une pompe musculaire à quatre cavités. Pendant un tour complet, le sang y passe deux fois : une fois vers les poumons pour prendre de l'oxygène, une fois vers le reste du corps. C'est la double circulation. Les artères emportent le sang loin du cœur, les veines le ramènent et les capillaires assurent les échanges. Le sang (plasma, globules rouges, globules blancs, plaquettes) et la lymphe transportent ensemble aliments, gaz, hormones et déchets.
Les biomolécules – Une cellule est surtout faite d'eau, plus quatre grandes familles de composés du carbone : protéines, glucides, lipides et acides nucléiques. Si l'on broie un tissu dans un acide, on sépare les petites molécules (fraction soluble dans l'acide) des grosses : protéines, polysaccharides et acides nucléiques (fraction insoluble dans l'acide). Les protéines sont des chaînes d'acides aminés repliées selon quatre niveaux de structure. Les polysaccharides sont des chaînes de sucres ; les lipides sont des acides gras fixés sur du glycérol ; les acides nucléiques sont des chaînes de nucléotides. Les enzymes sont des catalyseurs protéiques : elles fixent un substrat sur leur site actif, abaissent l'énergie d'activation, et dépendent de la température, du pH, de la quantité de substrat et des inhibiteurs.
Les fonctions vitales et la photosynthèse – Les fonctions vitales sont les tâches que tout être vivant doit accomplir pour rester en vie : la nutrition, la respiration, le transport et l'excrétion. Les plantes vertes se nourrissent par photosynthèse : grâce à la lumière du soleil et à la chlorophylle, elles transforment le dioxyde de carbone et l'eau en glucose et rejettent du dioxygène.
Les systèmes du corps humain – Ton corps est organisé par niveaux : les cellules forment les tissus, les tissus forment les organes, les organes forment les systèmes (ou appareils), et tous les systèmes ensemble forment toi, l'organisme. Chaque système a un rôle principal : squelettique (charpente), musculaire (mouvement), circulatoire (transport), respiratoire (échanges de gaz), digestif (nourriture), excréteur (déchets), nerveux et endocrinien (contrôle), immunitaire (défense), tégumentaire (peau, cheveux, ongles) et reproducteur. Aucun système ne travaille seul : pendant un effort, les muscles, le cœur, les poumons et les nerfs changent tous ensemble pour garder l'intérieur du corps stable (homéostasie).
Mode de vie sain : les habitudes de chaque jour qui protègent ta santé – Un mode de vie sain, c'est un ensemble d'habitudes quotidiennes : une alimentation équilibrée avec cinq groupes d'aliments, assez d'eau, 9 à 11 heures de sommeil pour les enfants d'âge scolaire et environ 8 à 10 heures pour les adolescents, au moins 60 minutes d'activité par jour, une bonne posture, une manipulation sûre des aliments et aucun contact avec le tabac, l'alcool et les drogues. Ces habitudes réduisent le risque de maladies liées au mode de vie (maladies non transmissibles) comme le diabète de type 2, les maladies du cœur et certains cancers.
Organismes et populations : croissance et interactions – Une population est un groupe d'individus de la même espèce vivant au même endroit au même moment. Elle a des caractéristiques qu'un individu seul n'a pas : densité, taux de natalité, taux de mortalité, sex-ratio et structure par âge. L'effectif N augmente avec les naissances et l'immigration, et diminue avec les décès et l'émigration. Avec une nourriture illimitée, elle croît très vite (courbe en J, dN/dt = rN). Avec une nourriture limitée, la croissance ralentit et s'arrête à la capacité limite K (courbe en S, dN/dt = rN(1 − N/K)). Les espèces agissent aussi les unes sur les autres : mutualisme (+/+), compétition (−/−), prédation et parasitisme (+/−), commensalisme (+/0) et amensalisme (−/0).
Sports collectifs : comment une équipe attaque, défend et joue fair-play – Les jeux collectifs se rangent en trois familles : les jeux d'invasion, les jeux de filet et de mur, et les jeux de frappe et de terrain. Quand ton équipe a le ballon, elle attaque : elle s'écarte (largeur et profondeur), se déplace dans les espaces libres et passe vite. Quand l'adversaire a le ballon, elle défend : elle se resserre, reste entre l'attaquant et son but, marque un joueur ou garde une zone, et récupère le ballon sans faute. Chaque joueur a un rôle, l'équipe se parle sans arrêt, et les arbitres appliquent les règles pour que le jeu reste juste et sûr.
Système nerveux, acte réflexe et cerveau humain – Les cellules nerveuses (neurones) transportent des messages sous forme d'impulsions électriques et les passent à la cellule suivante grâce à des substances chimiques qui traversent un petit espace, la synapse. Les réponses rapides de sécurité (les réflexes) sont gérées par la moelle épinière ; la réflexion et le contrôle viennent du cerveau, protégé par le crâne et un coussin de liquide.