Thème 1: Une longue histoire de la matière

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D’où venons-nous?

Introduction: 

Les êtres vivants sont formés de grosses molécules: des lipides, des glucides, des protéines et de l’ADN. Or, ces molécules ne sont formées que de 5 ou 6 atomes: le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, l’azote, du phosphore et dans une moindre mesure, du soufre. 

Or, le soleil est une boule d’hydrogène et d’hélium en fusion… il n’y a pas de carbone, ni d’oxygène…

Alors d’où viennent les atomes qui composent les molécules de nos cellules? Forcément de l’atome d’hydrogène.

D’où la question : Comment, à partir du seul élément hydrogène, la diversité des éléments chimiques est-elle apparue?

Aborder cette question nécessite de s’intéresser aux noyaux atomiques et à leurs transformations.

Plan:

a- Un 1er niveau d’organisation: les éléments chimiques (PC)

b- Un 2e niveau d’organisation: les cristaux (SVT)

c- Un 3e niveau d’organisation: la cellule vivante (SVT)

Contenus:

a- Un 1er niveau d’organisation: les éléments chimiques (PC)

• Les noyaux des atomes de la centaine d’éléments chimiques stables résultent de réactions nucléaires qui se produisent au sein des étoiles à partir de l’hydrogène initial.

Schéma de la synthèse initiale des noyaux lors du Big bang

Schéma de la synthèse nucléaire du Carbone, de l’azote et de l’oxygène.

À retenir:

• La matière connue de l’Univers est formée principalement d’hydrogène et d’hélium.
• La Terre est surtout constituée d’oxygène, d’hydrogène, de fer, de silicium, de magnésium 
• La vie est faite de carbone, d’hydrogène, d’oxygène, d’azote, de phosphore et de soufre: C,H,O,N,P,S.
• Certains noyaux sont instables et se désintègrent (radioactivité). 
• La demi–vie d’un noyau radioactif est la durée nécessaire pour que la moitié des noyaux initialement présents dans un échantillon macroscopique se soit désintégrée. 
• Cette demi-vie est caractéristique du noyau radioactif.

b- Un 2e niveau d’organisation: les cristaux (SVT)

À retenir:

• Le chlorure de sodium solide, présent dans les roches, ou issu de l’évaporation de l’eau de mer, est constitué d’un empilement régulier d’ions: c’est l’état cristallin qui est un état ordonné.
• Plus généralement, une structure cristalline est définie par une unité appelée maille élémentaire répétée périodiquement. 
• Un type cristallin est défini par la forme géométrique de la maille, la nature et la position dans cette maille des entités qui le constituent. 
• Les cristaux les plus simples peuvent être décrits par une maille cubique que la géométrie du cube permet de caractériser.

À retenir:

• La position des entités dans cette maille distingue les réseaux cubiques simples et cubiques à faces centrées.(PC)
• La structure microscopique du cristal conditionne certaines de ses propriétés macroscopiques, dont sa masse volumique. (PC)
• Un composé de formule chimique donnée peut cristalliser sous différents types de structures qui ont des propriétés macroscopiques différentes comme le graphite et le diamant.

Cristaux de graphite à gauche, de diamant à droite

Dans les deux cas, tous les atomes sont du carbone.

• Ainsi les minéraux se caractérisent par leur composition chimique et leur organisation cristalline.

À retenir:

• Une roche est formée de l’association de cristaux d’un même minéral ou de plusieurs minéraux, souvent des silicates. 
• Des structures cristallines existent aussi dans les organismes biologiques: coquille, squelette, os, et en général, ce sont des cristaux de carbonate de calcium ou calcaire ou de carbonate de magnésium pour l’os.

• Un minéral ayant grandi sans contrainte montrera son cristal de base qui est le reflet de sa maille élémentaire, c’est un cristal automorphe comme dans le cas du sel.
• Celui qui aura grandi dans un espace restreint n’aura pas la forme de sa maille élémentaire, c’est un cristal xénomorphe, comme dans le cas du quartz ou des feldspath dans un granite.

Photo d’un granite à gros cristaux de feldspath rose, de quartz gris, de micas noirs.

(photo: Michel Patalano)

• Certaines roches volcaniques contiennent du verre, issu d’un refroidissement très rapide de la lave: le cristal n’a pas eu le temps de se former, on dit que la matière est amorphe, sans forme cristalline.

Comment la première cellule est-elle apparue sur Terre ?  Ce processus a-t-il pu se dérouler ailleurs dans l’Univers? 

c- Une structure complexe: la cellule vivante (SVT)

Échelles du vivant:

Cell Size and Scale

Activités:

• Analyser et interpréter des documents historiques relatifs à la théorie cellulaire.
• Situer les ordres de grandeur: atome, molécule, organite, cellule, organisme.
• Relier l’échelle de la cellule et celle de la molécule (exemple de la membrane plasmique).
• Schématiser la membrane plasmique à partir de molécules dont les parties hydrophile/lipophile sont identifiées.

Structure de cellules végétales et d’algues vertes

Structure de cellules animales et de champignon

Un microscope électronique

À retenir:

• La découverte de l’unité cellulaire est liée à l’invention du microscope par Zacharias Janssen, un hollandais, en 1595 (sous le règne de Henry IV en France).
• 80 ans plus tard, Antoine van Leeuwenhoek et Robert Hooke y apportent quelques modifications pour observer des choses qui étaient invisibles à l’œil nu. Ils observèrent notamment une cellule humaine.
• L’observation de structures semblables dans de très nombreux organismes a conduit à énoncer le concept général de cellule et à construire la théorie cellulaire. 
• Plus récemment, l’invention du microscope électronique a permis l’exploration de l’intérieur de la cellule et la compréhension du lien entre échelle moléculaire et cellulaire. 

• La cellule est un espace séparé de l’extérieur par une membrane plasmique. 
• Cette membrane est constituée d’une bicouche lipidique et de protéines qui la rendent semi-perméable. 
• La structure membranaire est stabilisée par le caractère hydrophile ou lipophile de certaines parties des molécules constitutives que sont les lipides.

Le plus important à comprendre:

Comme toutes les cellules présentent ces mêmes caractères, on peut raisonnablement penser que la première cellule s’est formée par repliement de lipides autour d’une information génétique formée d’acides nucléiques (ARN/ADN). La membrane lipidique entoure un milieu aqueux où des réactions chimiques permettent à la cellule de vivre. Ces réactions chimiques sont favorisées par les enzymes qui sont des protéines. La majorité des réactions consistent à stocker ou à utiliser l’énergie échangée avec le milieu extérieur.

Conclusion du thème 1:

• Les atomes se sont fabriqués dans des réacteurs nucléaires que sont les étoiles;
• Puis dispersés dans l’espace, ils se sont agglomérés en planètes formant des structures cristallines mais aussi de la matière organique autour de l’atome de carbone. 
• Plus tard, cette matière organique s’est spontanément organisée en cellules, et l’évolution biologique a fait ce que nous sommes aujourd’hui. 

MinUSc – Visualisation de Minéraux

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QCM SVT – 1ère Enseignement Scientifique

QCM SVT – 1ère enseignement scientifique – Préparer le bac SVT