La colonisation de nouveaux milieux par les végétaux
La colonisation de nouveaux milieux par les végétaux
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Présentez les mécanismes liés à la reproduction sexuée qui permettent aux végétaux terrestres de coloniser de nouveaux milieux. |
Introduction :
Dans la nature, lorsque nous pensons aux interactions entre organismes, c’est la lutte, la compétition ou encore la prédation qui viennent à l’esprit en premier. Cependant, certains organismes sont capables de collaborer, chacun tirant un avantage d’une mutuelle entraide. Cette stratégie a ainsi été sélectionnée chez de nombreux végétaux. En effet, la reproduction, qui passe par le rapprochement de deux individus de sexes opposés, pourrait dans leur cas être entravée de par leur mode de vie fixé. Dans ce devoir nous nous demanderons donc comment des végétaux au mode de vie fixée peuvent coloniser de nouveaux milieux.
Différentes stratégies évolutives ont été sélectionnées pour contourner cette difficulté apparente, et plusieurs d’entre elles font intervenir une collaboration avec d’autres organismes dont de nombreux insectes ou oiseaux. Nous verrons dans un premier temps que ces stratégies concernent le rapprochement des cellules sexuelles, nécessaires à l’obtention d’un nouvel individu ; mais aussi, dans un second temps, la dispersion de celui-ci, élément essentiel pour à la fois minimiser la concurrence entre individus de la même espèce, mais aussi pour coloniser de nouveaux milieux.
Astuce
S’il te semble qu’il te manque certaines notions, tu peux aussi les réviser en consultant le cours intitulé « La reproduction de la plante, entre vie fixée et mobilité ».
Les mécanismes permettant aux végétaux terrestres de faciliter le rapprochement des gamètes
Les mécanismes permettant aux végétaux terrestres de faciliter le rapprochement des gamètes
Dans ce devoir nous nous limiterons à l’étude des mécanismes existant chez le groupe des angiospermes. Au sein de ce groupe, la reproduction sexuée est assurée par la fleur. Ainsi, avant de chercher à faciliter la rencontre des gamètes, encore faut-il proposer une structure mature proposant les gamètes mâles et permettant le début du développement du nouvel individu, fonctions que réalise la fleur.
Astuce
Il se peut que tu utilises un autre vocabulaire pour décrire les différentes parties de la fleur, nous avons fait quelques précisions entre parenthèses, tu peux t’y rapporter si cela t’est plus familier.
La fleur est l’organe reproducteur des angiospermes et, malgré une très grande variabilité de forme, structure, couleur, construction, des éléments communs à toutes peuvent être décrits. La fleur est en effet constituée d’une succession d’éléments appelés « pièces florales » ; elles-mêmes réparties en cercles concentriques appelés « verticilles ». Ainsi, de l’extérieur vers l’intérieur, on peut citer les sépales (leur verticille forme le calice) et les pétales (leur verticille forme la corolle) dont les fonctions sont le plus souvent la protection de la fleur et l’aide à la pollinisation (par l’attraction d’organismes par exemple). Viennent ensuite les étamines (leur verticille forme l’androcée) qui hébergent les gamètes mâles ; et le carpelle et le pistil (leur verticille forme le gynécée) qui hébergent les gamètes femelles. Ainsi, la majorité des angiospermes ont des fleurs hermaphrodites (portant organe mâle et femelle) ce qui n’implique pas pour autant une autofécondation qui serait potentiellement dangereuse génétiquement. Cette structure élémentaire peut être représentée sous la forme d’un diagramme floral, comme ci-dessous.
Organisation schématique de la fleur
Organisation schématique de la fleur vue en coupe
Astuce
Il n’est bien entendu pas nécessaire de représenter les deux visions de la fleur, un schéma au choix suffira.
Une fois mise en place, la fleur est prête à disperser les gamètes mâles, c’est-à-dire les grains de pollens. Deux grandes stratégies se dégagent alors :
- La pollinisation par l’intermédiaire de vecteurs non vivants, dits mécanismes abiotiques
Il peut s’agir du vent par exemple. Ce mode de pollinisation implique des spécialisations des grains de pollen. Ceux-ci seront légers et pourront posséder des structures favorisant la portée comme de petites « ailes », des pores permettant l’entrée du vent etc. Il s’agit d’une pollinisation anémophile. Les gamètes seront aussi produits en grande quantité puisque la réussite de la fécondation ne repose, dans ce cas, que sur le hasard.
- La pollinisation par l’intermédiaire de vecteurs vivants, dits mécanismes biotiques
Un très grand nombre d’angiospermes va impliquer les insectes dans leur mécanisme de pollinisation, on parle de pollinisation entomophile. Des mécanismes sont alors sélectionnés afin d’attirer les insectes sur la fleur : ceux-ci se couvrent de pollens qu’ils déposeront sur le pistil d’une autre fleur en la visitant. L’attraction des pollinisateurs peut être visuelle, avec des pétales très colorés y compris dans des longueurs d’ondes non visibles pour nous (rayons ultra-violet pour les abeilles), ou chimique via l’émission de molécules odorantes. L’attraction ne doit cependant pas être « gratuite », pour ne pas décourager les insectes de leurs visites. Beaucoup d’angiospermes proposeront ainsi du nectar, liquide sucré dont le fort investissement énergétique implique un bénéfice important pour l’insecte. Il existe bien d’autres stratégies, citons pour terminer une espèce d’angiosperme émettant une odeur nauséabonde. Elle attire ainsi certains insectes qui pondent dans des matières fécales, des corps en décomposition, ou s’en nourrissent. Ces pollinisateurs involontaires se posent sur la fleur et emportent avec eux son pollen.
Les interactions entre organismes et plantes pour la pollinisation peuvent devenir plus étroites et aboutir au mécanisme de coévolution. Celle-ci décrit les modifications symétriques se produisant chez deux espèces ayant des liens étroits. Ces modifications tendent à assurer une relation privilégiée entre ces deux espèces, assurant ainsi une exclusivité de leurs services. C’est le cas d’une mouche dont la trompe est particulièrement longue. Elle est alors la seule à pouvoir récupérer le nectar au fond d’une fleur dont un des pétales est modifié en un éperon très profond. La mouche s’assure donc un apport nutritif qu’elle est la seule à pouvoir récolter, tandis que la fleur s’assure en la visite d’un pollinisateur.
La pollinisation, enjeu majeur de la reproduction pour la colonisation de nouveaux milieux, est donc la première étape indispensable permettant le rapprochement des deux gamètes pour leur fécondation. Le nouvel individu devra ensuite être dispersé, potentiellement vers de nouveaux milieux, afin de s’y développer. C’est ce que nous allons expliquer dans la deuxième partie.
Les mécanismes permettant aux végétaux terrestres de faciliter la dispersion des nouveaux individus
Les mécanismes permettant aux végétaux terrestres de faciliter la dispersion des nouveaux individus
À l’issue de la fécondation, la fleur qui porte des ovules se transforme en un fruit qui renferme des graines fécondées. La graine contient l’embryon d’une future plante, qu’elle protège d’une enveloppe résistante et nourrira (à la germination) en utilisant des molécules de réserve préalablement accumulées.
Structure schématique de la graine
Pour pouvoir germer, la graine doit bien sûr quitter la fleur transformée et rencontrer un environnement propice. La dispersion des graines est donc une étape de mobilité dans la reproduction de la plante. À l’instar de la pollinisation, cette dispersion (aussi appelée dissémination) peut reposer sur un mutualisme animal disperseur/plante, sur des agents physiques (vent, eau), ou encore sur des dispositifs spécifiques à la plante.
- Dans le cas d’une dispersion par un agent physique comme le vent, le même type d’adaptations que pour la pollinisation sera observé : des graines en grande quantité, avec des dispositifs facilitant la portée par le vent. On pensera par exemples aux ailes du fameux hélicoptère utilisé par les enfants qui est en réalité une graine d’érable ; aux parachutes de la graine de pissenlit, etc.
- Certaines plantes sont capables de disperser par elles-mêmes leurs graines grâce à des mécanismes « explosifs » qui, grâce à des variations de pression, peuvent provoquer à maturité l’éclatement d’une structure qui provoquera la dispersion jusqu’à plusieurs mètres des graines.
- Le mécanisme que nous allons surtout développer concerne la dispersion faisant intervenir des animaux comme les oiseaux ou encore les primates.
Une fois encore, les stratégies sélectionnées impliquent un investissement nutritif important permettant d’attirer ces animaux et de les inciter à consommer les graines. Cet investissement prend souvent la forme ce que nous appelons communément « un fruit » : une chair plus ou moins développée, plus ou moins sucrée, que beaucoup d’animaux vont consommer. La dispersion peut alors se faire soit parce que l’animal recrache les graines pour ne manger que la chair, soit via les excréments si l’ensemble du fruit a été mangé. Cette association peut une nouvelle fois devenir de plus en plus étroite et certaines graines ne peuvent germer que si leur enveloppe a été fragilisée par leur passage dans le tube digestif d’un animal. La photo qui nous est proposée illustre ce mécanisme de dispersion par un volatile, la fauvette, rappelant que les oiseaux sont un groupe très important dans la dispersion des graines.
Les liens animal disséminateur/plante peut également mener, comme pour la pollinisation, a des cas de coévolution. Nous pouvons citer l’exemple de la coévolution entre les primates et certaines plantes à fruits particulièrement sucrés. Les forêts qui les abritent possèdent des espèces dont les fruits sont très riches en sucre, élément nutritif mais également gustatif très recherché par les primates. Ce fort investissement énergétique est compensé par une alimentation devenue parfois exclusivement frugivore chez certains primates : ils assurent ainsi une dispersion efficace.
Une fois dispersée, des mécanismes de germination vont alors s’activer afin d’assurer un ancrage de la nouvelle plante ainsi que la croissance de structures qui vont lui permettre d’assurer, une fois les réserves épuisées, son approvisionnement en matière organique. Auparavant, la détection d’humidité va par exemple déclencher la croissance et la germination de l’embryon. Des enzymes vont s’activer afin d’utiliser les réserves stockées dans la graine. Des mesures de quantité de protéines ou de glucides présentes dans les graines montrent une diminution importante de ces molécules associées à l’augmentation de l’activité de certaines enzymes.
Conclusion :
Comme nous avons pu le voir, la colonisation de nouveaux milieux par les végétaux implique de nombreuses adaptations le plus souvent associées à leur mode de vie fixée. Une fois l’organe de reproduction mature (la fleur), la première étape consiste à assurer la rencontre des cellules sexuelles appelée pollinisation. Cette pollinisation peut s’effectuer par des agents physiques ou des organismes vivants mais implique à chaque fois des adaptations qui représentent un coût énergétique important. L’implication parfois étroite de certains animaux appelés pollinisateurs peut se traduire par des modifications importantes de ceux-ci, mais aussi de la plante via le mécanisme de coévolution.
Une fois la fécondation réalisée et la graine formée, protégée ou non par un fruit, la dispersion doit être réalisée. Une fois encore, celle-ci peut se faire par l’intervention d’agent physique ou d’animaux. La coévolution interviendra à nouveau par la sélection de mécanismes facilitateurs d’interactions entre certaines espèces. Après avoir été dispersées, les graines pourront alors germer, si les conditions le permettent, en mobilisant les réserves stockées dans la graine.
Nous pouvons terminer en remarquant que l’ensemble de ces mécanismes (construction de la fleur, formation de liquides nutritifs attractifs comme le nectar, développement de fruits sucrés et stockage de réserves autour de la graine) implique la mobilisation de ressources qui font intervenir des produits issus de la photosynthèse, preuve en est encore donnée de l’importance de ce mécanisme biologique pour la plupart de nos écosystèmes.
Les témoins d’une histoire géologique
Les témoins d’une histoire géologique
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Exposez les principes qui permettent de reconstituer une chronologie d’événements enregistrés et/ou de structures observées dans un objet géologique. |
Introduction :
L’un des objectifs de la géologie est de comprendre la formation et la dynamique de notre planète et de ses différentes structures, comme le déplacement des plaques ou la formation d’une chaîne de montagnes. L’inconvénient majeur de cette discipline est évidemment un problème d’échelle, à la fois spatiale, mais surtout temporelle, puisqu’il s’agit d’étudier des processus qui mettent des milliers voire des millions d’années à se produire. De plus, l’histoire de notre planète remonte à plus de $4\,\text{milliards d’années}$. Ainsi, l’objectif principal d’un géologue va être d’interpréter des marqueurs provoqués par un phénomène, ou des marqueurs permettant de dater ce phénomène, de manière relative ou non.
Comment est-il possible, par exemple, de retracer l’histoire via l’étude géologique de la région de Falaise. Nous verrons dans un premier temps qu’il est possible d’effectuer une datation relative d’événements les uns par rapport aux autres ; puis nous verrons que, lorsque les conditions sont réunies, il est aussi possible d’avancer une date chiffrée grâce à la datation absolue.
L’utilisation des principes de datation relative
L’utilisation des principes de datation relative
Dater relativement c’est proposer une succession d’événements, les uns par rapport aux autres, sans pour autant conférer une date précise à ces évènements.
Attention
Argumenter des relations relatives entre différents événements ne revient pas à citer le principe utilisé puis à donner abruptement l’ordre des événements. Il faut toujours penser à justifier comment ce principe peut permettre d’affirmer telle ou telle relation.
La carte géologique de Falaise, en Normandie, est un bon exemple de ce qui peut être fait grâce à la datation relative.
Deux principes permettent de décrire comment a commencé l’histoire de la région. En premier lieu, nous pouvons affirmer que les terrains briovériens (b2 sur la coupe) sont les premiers à s’être mis en place. En effet, le principe de superposition explique que, sur une verticale, les couches (strates ou unités) géologiques sont de plus en plus âgées en allant vers le bas d’une formation. C’est ce que nous montre le schéma ci-dessous. La couche 1 s’est déposée en premier, puis la 2e l’a recouverte, et enfin la 3e.
Superposition de couches de terrain
Le principe de recoupement permet aussi de certifier l’antériorité de la couche b2 par rapport aux autres. Ce principe dit qu’une structure ou un objet qui en recoupe un autre lui est forcément plus jeune.
Faille
Ce schéma permet de montrer que la faille F est forcément postérieure aux couches qu’elle recoupe.
Astuce
C’est de la logique finalement !
Si tu as besoin de revoir ces notions, tu peux te référer au cours sur la chronologie relative.
Ainsi, sur la coupe de Falaise, les unités immédiatement au contact de b2 la recoupent : donc b2 est la couche la plus antérieure.
Rappel
« Antérieure » signifie qu’elle est plus vieille, « postérieure » qu’elle est plus jeune.
Cette coupe b2 correspond à des terrains liés à l’orogénèse (formation de chaîne de montagnes) cadomienne. Les couches ont été plissées par les mouvements de convergence.
Les mêmes principes permettent de préciser, que les unités k1, k2, k3, o2, o3 et o4 se sont formées après les terrains b2. Chacun de ces terrains recouvrent les précédents. Ainsi, suite au plissement des terrains briovériens, des produits de l’érosion de cette même chaîne cadomienne se sont accumulés, formant les conglomérats. À la suite de cette formation, le dépôt de calcaire correspondant à des formations littorales qui montrent qu’une transgression (montée du niveau marin) s’est produite. Ces informations peuvent être justifiées par le principe d’actualisme qui postule que les lois régissant les phénomènes géologiques actuels étaient également valables dans le passé. Ainsi, la reconnaissance de certaines espèces ou formations, qui actuellement caractérisent un milieu littoral, caractérisaient très probablement aussi un milieu littoral dans le passé.
Le dépôt k3 correspond à des formations marines traduisant un recul de l’océan après la montée des eaux de la période précédente.
Les formations o2, puis o3 et o4 continuent de montrer des alternances de montées et de baisses du niveau marin. La nouveauté qui suit la couche o4 est la formation d’une faille inverse. Cette faille, selon le principe de recoupement, est postérieure à toutes les couches précédemment citées puis cette faille les recoupe toutes. Le dernier événement visible sur cette coupe est le dépôt de la formation J, en milieu marin, puisque cette strate recouvre les précédentes.
La légende de la coupe géologique de Falaise donne un renseignement supplémentaire, plus précis celui-là, avec une date chiffrée : entre $750$ et $540\,\text{millions d’années}$ pour les terrains briovériens. Cette fois ce n’est pas la datation relative qui permet d’obtenir cette précision, c’est la datation absolue.
La datation absolue, une méthode utilisant la radioactivité
La datation absolue, une méthode utilisant la radioactivité
Certains éléments composants les minéraux des roches sont dits radioactifs. C’est-à-dire qu’ils se désintègrent en un autre élément, stable celui-là. L’important pour la datation, c’est que cette désintégration se fait à vitesse constante, connue pour chaque élément. Ainsi, il est possible, en mesurant la quantité d’éléments stables (appelés « fils ») de connaître le temps qu’il a fallu pour avoir cette quantité, temps qui correspondra à l’âge de la roche à dater.
Quantité d’éléments père et fils dans le temps
Comme on le voit ici, la quantité d’élément père, ici le $^{87}\text{Rb}$, diminue régulièrement alors que la quantité d’élément fils, ici le $^{87}\text{Sr}$, augmente d’autant.
Pour pouvoir utiliser cette méthode de radiochronologie, plusieurs précautions doivent être prises.
- Tout d’abord, le couple père/fils choisi doit avoir une période de désintégration suffisamment longue pour dater la formation en question. Cette approche utilise donc la datation relative puisqu’il s’agit d’une estimation de l’âge de l’évènement que l’on veut dater.
Rappel
La période de désintégration est le laps de temps nécessaire pour que la moitié des éléments pères se soient désintégrés.
Le couple $\text{Rb}$/$\text{Sr}$ a par exemple une période tout à fait compatible à la datation d’événements de plusieurs millions à milliards d’années.
- Deuxième précaution à prendre : le minéral à dater doit contenir l’élément en question ! C’est le cas par exemple du granite dont certains des minéraux (biotite, quartz…) peuvent contenir du Rubidium.
- Dernière précaution, le système à dater doit être fermé, c’est-à-dire qu’il ne doit plus y avoir d’échanges avec l’extérieur. Pour une roche, cela correspond à sa cristallisation ; pour un organisme vivant, à sa mort…
Cette méthode de radiochronologie a donc pu permettre d’avancer une date entre $750$ et $540\,\text{millions d’années}$.
Conclusion :
La datation d’événements géologiques est un phénomène complexe qui mêle plusieurs méthodes. La datation relative permet de préciser la relation de formations les unes par rapport aux autres. Différents principes permettent de justifier ces relations : le principe de superposition ou encore le principe de recoupement. Dans le cas de la région de Falaise, nous avons pu dire que les terrains se sont formés dans l’ordre suivant : b2, k1, k2, k3, o2, o3 et o4. Ces formations ont ensuite été coupées par les failles visibles ici. Le dernier dépôt à s’être mis en place a été la formation J.
La datation relative est en revanche insuffisante pour avancer une date chiffrée. C’est là que la datation absolue grâce à la radiochronologie peut être utilisée. Basée sur la désintégration d’éléments radioactifs, cette méthode est cependant plus contraignante car dépend de plusieurs contraintes (système fermé, formation contenant l’élément radioactif, période de désintégration adaptée).
La datation prend tout son sens lorsqu’elle s’insère dans un scénario plus global, régional voire continental ou mondial. Ainsi, il serait intéressant de vérifier si la chronologie des événements datés est cohérente avec d’autres chronologies réalisées ailleurs.