Biologie et Géologie : Concepts Clés et Processus Fondamentaux

1. Évolution de l'Atmosphère Terrestre

L'atmosphère est un mélange de gaz qui entoure la Terre jusqu'à environ 1 000 km d'altitude. Au-delà, nous nous éloignons de la surface. Lors de la formation du monde, les collisions ont formé les différents gaz et la glace d'eau. Plusieurs de ces composants se sont perdus dans l'espace.

Lors de la dernière phase, une grande quantité de volcans a expulsé de nombreux gaz. Les gaz les plus denses se sont placés en haut et les moins denses en bas, piégés par la gravité terrestre.

Durant la première phase, alors que la croûte terrestre refroidissait, les gaz expulsés par les volcans ont formé la première atmosphère, contenant beaucoup de CO2, de CO, de méthane, d'ammoniac et de vapeur d'eau.

À mesure que la Terre refroidissait, la vapeur d'eau s'est condensée et a créé les mers et les océans, qui contenaient beaucoup d'ammoniaque et de minéraux. D'autre part, il y avait beaucoup de CO2. Dans ces conditions, où la vie ne pouvait exister en dehors de la croûte terrestre à cause des rayons ultraviolets, des formes de vie sont apparues, capables de profiter de l'ammoniac et du CO2 dissous dans l'eau.

Cela a permis l'apparition des premiers êtres vivants qui pouvaient transformer le CO2 en oxygène par photosynthèse. Par conséquent, le réchauffement de la Terre a conduit à la formation de l'atmosphère d'ozone. Étant moins dense, elle a permis aux rayons ultraviolets de passer, empêchant ainsi les créatures vivantes d'atteindre le continent.

2. Méthodes d'Étude de la Terre

Bases de l'interprétation : Analyser les processus qui se produisent aujourd'hui est la clé pour interpréter ce qui s'est passé dans le passé. Il est nécessaire de reconstruire l'histoire par l'ordonnancement chronologique des événements et la datation absolue des événements.

Méthodes Directes

Ce sont les méthodes qui permettent l'observation des zones accessibles à la surface, qui contiennent des documents de l'intérieur de la Terre :

• Mines : Fouilles effectuées pour extraire des minéraux.
• Sondes : Trous forés dans la Terre, permettant d'étudier l'augmentation de la température souterraine (gradient géothermique).
• Volcans : Éruptions qui apportent du matériel de l'intérieur de la Terre. La plupart des matériaux sont en partie fondus (magma) ou des fragments de roche qui n'ont pas réussi à fondre.

Méthode Sismique

Elle est basée sur l'étude des tremblements de terre et la manière dont les ondes sismiques se propagent :

• Ondes P (Primaires) : Elles se déplacent plus rapidement. Ce sont des ondes longitudinales ; elles compriment et dilatent alternativement les roches.
• Ondes S (Secondaires) : Elles se propagent lentement. Ce sont des ondes transversales ; les roches vibrent dans une direction perpendiculaire à la propagation de l'onde.

La vitesse de propagation des ondes sismiques dépend des caractéristiques des matériaux traversés. Toute variation provoque un changement dans la direction de propagation des ondes.

Méthodes Indirectes

Nous en déduisons les propriétés de l'intérieur à partir de données de divers types.

3. Convergence entre Deux Plaques de la Lithosphère Continentale

Convergence Continentale-Continentale

Lorsqu'une plaque océanique en subduction a consommé toute la lithosphère océanique, il y a rencontre entre deux continents. Suite à cette collision continentale, une poussée d'un continent sur l'autre se produit. Ce type de convergence entraîne l'augmentation des chaînes de montagnes.

4. Le Concept de Minéral

Un minéral est une substance naturelle, homogène, d'origine minérale, de composition chimique définie (dans certaines limites), possédant des propriétés et des caractéristiques spécifiques, et ayant généralement une structure cristalline (forme cristalline). Un minéral est un arrangement ordonné d'atomes d'éléments, ce qui se traduit par le développement de surfaces planes appelées faces. Si le minéral a pu se développer sans interférence, il peut générer des formes géométriques, connues sous le nom de cristaux.

5. Processus de Diagenèse

La diagenèse est l'ensemble des processus par lesquels les sédiments se transforment en roches sédimentaires (consolidation).

6. Structure Secondaire des Protéines

La structure secondaire des protéines correspond au repliement de la chaîne polypeptidique, maintenu par la formation de liaisons hydrogène entre les atomes formant la liaison peptidique. Les liaisons hydrogène s'établissent entre les atomes du squelette.

Hélices Alpha

Dans cette structure, la chaîne polypeptidique s'enroule en spirale sur elle-même à cause des liaisons formées entre les carbones alpha de chaque acide aminé. Cette structure est maintenue par des liaisons hydrogène formées entre le groupe NH d'une liaison peptidique et le groupe C=O de l'acide aminé situé quatre positions plus loin.

Feuillet Bêta

Lorsque la chaîne principale est étirée au maximum permis par ses liaisons covalentes, elle adopte une configuration spatiale appelée structure bêta.

Tours Bêta

Des séquences polypeptidiques, souvent reliées par des tours bêta, relient les structures alpha ou bêta. Ces séquences sont courtes, avec une forme caractéristique qui impose un virage de 180° à la chaîne principale d'un polypeptide.

Hélice de Collagène

C'est une variété particulière de structure secondaire caractéristique du collagène, une protéine présente dans les tendons et les tissus conjonctifs. C'est une structure rigide qui s'enroule.

Feuillet Bêta Plissé ou Agrégat Bêta

Certaines régions des protéines adoptent une structure en zigzag et s'associent en établissant des connexions via des liaisons hydrogène entre les chaînes. Toutes les liaisons peptidiques sont impliquées dans ces liaisons croisées, assurant ainsi la stabilité de la structure. La version bêta est une forme simple composée de deux chaînes polypeptidiques parallèles (allant dans le même sens) ou antiparallèles (allant dans des directions opposées) et sont étroitement liées par des liaisons hydrogène et des arrangements différents entre les radicaux libres des acides aminés. Cette disposition a une structure en couches et pliée à la manière d'un accordéon.

7. Différences Structurales entre ADN et ARN

L'ADN et l'ARN diffèrent par :

• Les glucides (pentose) : désoxyribose dans l'ADN et ribose dans l'ARN.
• Les bases azotées : adénine, guanine, cytosine et thymine dans l'ADN ; adénine, guanine, cytosine et uracile dans l'ARN.
• Structure : Chez les eucaryotes, la structure de l'ADN est double brin, tandis que la structure de l'ARN est simple brin, mais peut se présenter sous une forme étendue (ARNm) ou sous forme repliée (ARNt et ARNr).
• Masse moléculaire : La masse moléculaire de l'ADN est généralement supérieure à celle de l'ARN.

Différences Chimiques entre ARN et ADN

Les acides nucléiques (ADN et ARN) sont composés d'un sucre à 5 carbones (un pentose), d'un phosphate et d'une base azotée. La différence est que l'ARN possède un sucre ribose, tandis que l'ADN possède un désoxyribose (sans oxygène sur le carbone 2). De plus, les bases azotées ne sont pas toutes identiques : l'adénine, la cytosine et la guanine sont communes, mais l'ADN contient la thymine et l'ARN contient l'uracile.

Différences Structurales

• ADN : Généralement double brin (une double hélice enroulée en hélice « à droite » selon le modèle de Watson et Crick, ADN-B), bien que chez certains virus, l'ADN soit simple brin. Le double brin peut adopter différentes conformations dans certaines régions du génome ou en fonction de conditions physiologiques différentes de la normale. La double hélice est structurée comme suit : les bases azotées forment des liaisons hydrogène entre elles, respectant une complémentarité stricte : A s'apparie uniquement avec T (et vice versa) par deux liaisons hydrogène, et G avec C (et vice versa) via 3 liaisons hydrogène. Les deux chaînes sont alignées en parallèle mais dans des directions opposées (une seule direction 5'→3' et l'autre complémentaire dans le sens inverse), car l'interaction entre les deux chaînes est déterminée par les liaisons hydrogène entre leurs bases azotées. On dit alors que les chaînes sont antiparallèles, laissant le squelette sucre-phosphate à l'extérieur et les bases azotées à l'intérieur de la double hélice.
• ARN : L'ARN n'existe qu'en une seule chaîne, ce qui lui permet d'adopter des structures secondaires et tertiaires nécessaires pour exercer certaines fonctions (chez l'ADN, la structure secondaire est la double hélice et la structure tertiaire est la forme qu'il prend pour être stocké dans le noyau, le chromosome). Les structures secondaires et tertiaires de l'ARN ribosomal et de l'ARN de transfert en sont des exemples.

8. Structure Cellulaire Procaryote

Cellules Procaryotes : Toutes les cellules procaryotes ont la même structure de base :

• Membrane plasmique : Elle sépare et délimite le nucléoïde de l'environnement.
• Nucléoïde : Contient le matériel héréditaire.
• Cytoplasme : Composé du reste de la matière à l'intérieur de la membrane plasmique. Il est composé de :
  • Cytosol : Formé d'eau, de sels dissous et de molécules biologiques.
  • Ribosomes : Granules composés d'ARN et de protéines.

9. Processus dans la Respiration Aérobie après la Glycolyse

Cycle de Krebs

L'acide pyruvique se divise en deux voies de respiration : celle qui entre dans la mitochondrie (aérobie) et celle qui n'y entre pas (anaérobie, fermentation).

Pour que l'acide pyruvique puisse entrer dans la voie aérobie, il doit se transformer en acide acétique. Cela nécessite une décarboxylation avec libération de CO₂ et une réduction du NAD en NADH₂. L'acide acétique activé (par la coenzyme A) peut ensuite entrer dans le cycle de Krebs. Il se condense avec l'oxaloacétate présent dans la matrice mitochondriale pour former de l'acide citrique (acide tricarboxylique). Par isomérisation, il devient acide isocitrique. Sa dégradation (perte de H) conduit à l'acide oxalosuccinique. Cet acide est le dernier des tricarboxyliques. Une décarboxylation produit de l'alpha-cétoglutaramide, qui subit une deuxième décarboxylation et une déshydrogénation, donnant naissance à l'acide succinique et libérant du GTP (guanosine triphosphate). L'acide succinique passe à l'acide fumarique avec formation de FADH₂, puis à l'acide malique, qui régénère l'acide oxaloacétique.

10. Processus Essentiels de la Phase Lumineuse de la Photosynthèse

Phase Lumineuse

Elle se déroule dans la membrane des thylakoïdes et ne peut avoir lieu qu'en présence de lumière. L'énergie solaire capturée par les molécules de chlorophylle est utilisée pour synthétiser de l'ATP, pour cliver des molécules d'eau (H₂O) dont l'hydrogène (H) est utilisé dans la phase suivante, et pour libérer de l'O₂ dans le milieu.

11. Ce qui se Passe lors de l'Anaphase de la Mitose

Mitose : Anaphase

Les microtubules du fuseau mitotique se raccourcissent et tirent dans des directions opposées les chromatides de chaque chromosome. Les chromatides séparées sont entraînées vers leur pôle respectif de la cellule. Elles se déplacent avec le centromère en position traînante, adoptant une forme caractéristique en V, la pointe dirigée vers les pôles.

12. Avantages et Inconvénients de la Reproduction Sexuée et Asexuée

Reproduction Sexuée

La reproduction sexuée présente des inconvénients par rapport à la reproduction asexuée, notamment : une dépense énergétique accrue dans la recherche et la compétition pour les partenaires, une vitesse de reproduction plus lente et un plus petit nombre de descendants, entre autres.

Par contraste, son avantage biologique majeur est de favoriser la variation génétique entre les membres d'une espèce, car les enfants sont le produit des gènes apportés par les deux parents, plutôt qu'une simple copie génétique. Plus la variabilité génétique d'une population est grande, plus son taux d'évolution est élevé. Une population avec une variation génétique significative peut se protéger contre les changements environnementaux futurs, car s'il y a un changement, il peut y avoir une minorité favorisée qui, par de nouvelles combinaisons alléliques, est exposée à la sélection naturelle.

Reproduction Asexuée

La reproduction asexuée chez les animaux et les plantes présente ses avantages et ses inconvénients. Parmi les avantages biologiques figurent sa vitesse de division et sa simplicité ; il n'est pas nécessaire de produire des gamètes ni de dépenser de l'énergie avant la fécondation. Ainsi, un seul individu peut engendrer un grand nombre de descendants, par la formation de spores asexuées, la fission binaire ou le bourgeonnement, ce qui facilite la colonisation rapide de nouveaux territoires. Certains organismes se reproduisent donc de manière asexuée lorsque les conditions environnementales sont favorables, et sexuellement lorsqu'elles sont négatives.

D'autre part, son grand inconvénient est de produire des descendants sans variabilité génétique (clonage), car tous sont génotypiquement équivalents à leurs parents. La sélection naturelle ne peut pas « choisir » les individus les mieux adaptés (puisqu'ils sont tous similaires), et ces clones individuels pourraient ne pas survivre à un environnement hostile changeant s'ils ne possèdent pas l'information génétique nécessaire pour s'adapter à ce changement. Par conséquent, les espèces peuvent disparaître à moins qu'un individu ne porte une combinaison génétique qui lui permette de s'adapter au nouvel environnement.

13. Processus de Fermentation Alcoolique

Fermentation Alcoolique

Il se produit une décarboxylation de l'acide pyruvique, qui est transformé en acétaldéhyde, puis une réduction qui donne de l'éthanol (OH éthylique). Ce type de fermentation se produit dans la levure.

14. Classification des Invertébrés

La classification des invertébrés est un vaste sujet qui nécessite une étude détaillée des différents embranchements (Porifères, Cnidaires, Plathelminthes, Nématodes, Annélides, Mollusques, Arthropodes, Échinodermes, etc.).