Cours de niveau
Première
Scientifique
Dernière
mise à jour le 6/05/2003
Note aux "apprenants"
Vous trouverez ici les textes de votre cours. Le but de cette page est de vous permettre:
• de rattraper un cours après une absence
• de vérifier l'orthographe de certains mots
• de compléter votre cours par des notes et des renvois à des sites présentant photos, films et animations.
• de réviser certaines notions l'année prochaine, ou plus tard
En aucun cas il ne s'agit d'un cours à imprimer pour la classe:
vous ne sauriez pas utiliser un tel document
qui se révélerait alors dangereux pour vous.
Des animations (North harris college)
et encore d'autres ...
(Avez-vous compris qu'il est nécessaire de speaker l'english?)
GEOLOGIE
Structure et composition chimique de l'intérieur de la Terre
(durée indicative : 3 semaines)
1- Qu'y a t'il sous nos pieds? La structure interne de la Terre
11- L'étude de la propagation des ondes sismiques: comment faire passer une "échographie" à une planète
Exp: propagation d'une onde - résultats - déductions diverses
Aspects critiques.
Conclusions: ---> réaliser un schéma....
12 La Terre est constituée d'enveloppes concentriques
L'étude des ondes sismiques permet de mettre en évidence 3 principales couches concentriques séparées par des discontinuités de nature physique et/ou chimique. On distingue:
la croûte (continentale ou océanique), formée des roches les moins denses. (1% du Vt, 0,5% Mt)
le manteau: Croute & manteau supérieur constituent la lithosphère, qui se distingue de l'asthénosphère sous-jacente par un comportement rigide. Tous ses niveaux sont connus et ont été amenés en surface au cours des temps géologiques, apr des plissements et par l'érosion.
le manteau inférieur, aussi appelé mésosphère, a un comportement ductile (déformation lente sous forte pression 1cm/an)
le noyau se compose de deux parties: Une enveloppe liquide essentiellement métallique, que ne traverse pas les ondes S, et une "graine" solide métallique.
SL structure Terre
Ces différentes couches sont de tailles, masses et masses volumiques différentes. Plus la profondeur augmente et plus la température et la pression augmentent. On trouve ainsi successivement des roches et de matériaux de plus en plus denses. Au centre de la terre, la température avoisine 6000 ° C.
--> Comment une telle structure a t'elle pu se former? (Travail de résumé / exposition)
2 - Une brève histoire de notre planète
Une histoire en deux temps, au début de la formation du système solaire. Il y a 4,6 Milliards d'années, un nuage de gaz et de poussières s'est contracté sous l'éffet de la gravitation pour former le soleil et le système solaire
21 - une accumulation de corps célestes de petite taille: l'accrétion
Le soleil en formation est entouré d'un disque (cf b pictoris, Orion ) représentant quelques % de sa masse. La nébuleuse primitive est constituée d'H; He et 2 % CNO (loin du soleil). Ensuite Mg,Si,S,Fe.. réagissant avec O (proche du soleil) . Petit à petit, des grains se forment, puis grossissent en se réunissant dans un plan. Ces corps de 5 à 120 km de diamètre sont les planétésimaux. Leurs collisions les font grossir...
Que reste t'il de cette époque?
Les roches terrestres ont été trop transformées (4 Ma), la Lune aussi (4,4 Ma) mais il existe des météorites, les chondrites (contenant olivine et pyroxène, cad Fe et Mg, datées de 4,6 Ma) qui n'ont pas été modifiées depuis cette époque. Elles contiennent des chondres (gouttelettes minérales) + des inclusions réfractaires (Ca, Al - sans inclusion + tard, après formation planètes vers 4,555 Ma). Chimiquement, elles comprennent des silicates et du fer natif. Ce sont des témoins de cette époque, tout comme les noyaux cométaires, très nombreux, formés aux confins du système solaire et constituant la ceinture de Kuyper.
Rmq: En 1930, en Alabama, une femme a été blessée par une météorite de 25 Kg ayant traversé son plafond.
22 - Une masse suffisante pour fondre les matériaux rocheux: la différenciation.
Les éléments radioactifs présents ainsi que les chocs des météorites ont fortement élevé la température de notre future planète, qui a fondu, partiellement ou totalement. Les éléments les plus lourds (Fe sous forme alliage FES, FeSi ou FeO..., matériaux RA) se sont rassemblés au centre, les plus légers se sont dégagés, la structure prenant l'aspect de couches concentriques (de densité décroissante). Ily a 4,5 Ma, une gigantesque collision avec un objet de la taille de Mars a projeté en orbite des matériaux externes, donnant la Lune. Les gaz produits ont contribué à former l'atmosphère primitive. Les roches les plus légères, flottant à la surface, on pu se refroidir et se solidifier. - schémas
3 Etablir la composition chimique de la Terre : des échantillons naturels, des matériaux pour l'instant inaccessibles, des raisonnements ingénieux
3-1 Les roches accessibles
Comment parvenir aux roches profondes ?
311 - divers moyens d'étude et de récolte:
Les forages donnent accès à des profondeurs de l'ordre du km. Heureusement, les mouvements de l'écorce terrestre permettent de retrouver des matériaux "remontés" des profondeurs et entrainés vers la surface par divers moyens (les préciser - P.E ramonage volcanique entrainant péridotites à Pézenas, Hérault)). On ne peut cependant avoir accès, en de rares points, qu'aux matériaux de la croûte et du manteau supérieur . Quels sont les résultats de cette étude ?
312 - résultats de l'étude des roches: (TP examen divers échantillons ?)
L'étude de roches représentatives permet de découvrir que les enveloppes superficielles de la Terre ont des compositions chimiques différentes . Ces roches sont formées de minéraux et/ou de verre. (obs lux polarisée)
La composition chimique des enveloppes de la Terre est dominée par un nombre limité d'éléments dits "majeurs" (Si, O, Mg, Fe, Ca, Na, K, Al).
Les principaux minéraux qui hébergent ces éléments sont : olivines, pyroxènes, feldspaths, quartz, amphiboles et micas.
La composition des enveloppes ne dépend pas que des matériaux présents, mais aussi de la température et surtout de la pression qui peut modifier la structure de la roche:
Tableau composition roches
La composition chimique des roches est présentée en % massique d'éléments chimiques.
On distingue alors les silicates, les métaux, puis les sulfures, les aluminosilicates et oxydes
3-2 les matériaux profonds
Les matériaux du manteau profond et du noyau sont pour l'instant inaccessibles.
Comment savoir malgré tout ?
En reprenant l'histoire de la formation de la terre, il est possible d'analyser les matériaux extra-terrestres à partir desquels notre planète s'est formée. On peut ainsi préciser, au moyen de modèles, d'observations et d'expériences, la composition du manteau inférieur et du noyau terrestre .
Résultats: Un noyau riche en fer (champ magnétique, à l'état liquide, et le manteau profond péridotites (silicates et oxydes). Existence de la graine solide, formée par refroidissement du noyau , a commença à se former il y a 2 Ma) ? Importance des matériaux RA.
Refroid Terre ETS p381 vol 4
TP 1 : La structure interne de la Terre
1 - Les ondes: propagation
Matériel: pendule de newton, chronomètre, cristallisoir, maillet, mètre à ruban
But: mesurer la vitesse de propagation d'une onde. Analyser sa propagation
2 - Les ondes sismiques
Analyse d'un sismogramme. Essai de détermination de foyers
But: découvrir la "zone d'ombre". Essayer de trouver une explication à son existence. Bâtir une première "coupe" de la Terre.
3 - Les roches terrestres et leur densité
Mesurer la densité du basalte, du granit, de la péridotite.
Matériel: échantillons de roche, balance, éprouvette graduée
Que peut-on déduire de ces mesures?
4 - Quelle est la masse de la planète ?
Voici deux façons de la déterminer:
- Le physicien Cavendish, vers 1800, raisonne sur l'accélération subie par un corps à la surface de la Terre, autrement dit son...poids! Il trouve qu'au niveau de la mer cette accélération g vaut 9,81 ms-2. Ors, Fp (poids) = mg et Fp= m Mt G/Rt2
avec m masse de l'objet, Rt rayon de le Terre en m, Mt masse de la Terre, G constante de gravité = 6,67x10-11 Nm2/kg2
En égalisant ces deux expressions, montrer que g= GMt/Rt2
En tirer Mt et la calculer :
Vous pouvez aussi calculer la densité moyenne de la terre, vu que vous avez sa masse et son volume.
- en utilisant les résultats du groupe "roches terrestres": vous avez la densité de quelques roches terrestres: en déduire une masse volumique. Calculer le volume de la Terre. Ensuite, calculer la masse de la Terre. Les deux valeurs concordent elles?
Que peut-on en déduire ?
5 - Un modèle de structure interne
Transmission d'un rayon laser dans un milieu homogène ou hétérogène.
But: visualiser la réfraction d'une onde à l'interface de différents milieux.
TP 2 : Histoire de la Terre
1 - comparaison avec les autres planètes telluriques
Matériel: Logiciel Orbit, calculatrice
But: établir un tableau comparatif de la composition des planètes telluriques. Relier leurs différences à leur rapport surface/volume
Modus operandi: relevez les différences qui vous semblent les plus pertinentes entre la composition des 4 premières planètes telluriques (taille du ou des noyaux, épaisseur du manteau...). Les relier à leur rapport surface sur volume. Réfléchir ensuite à une représentation graphique des résultats obtenus, et la réaliser.
2 - Un âge pour la Terre
Dans les années 1780, le naturaliste Buffon avait imaginé une expérience pour calculer l'âge de la Terre:
Hypothèse : au début de son histoire, la Terre était en fusion, elle a lentement refroidi.
Expérience : mesurer le temps de refroidissement de volumes sphériques de matière représentative de la Terre. En déduire le temps qu'il a fallu pour que la Terre se refroidisse.
Modus operandi : vous allez trouver des sphères de différents diamètres qui sont à la même température. Mesurez leur temps de refroidissement. Tracer une courbe temps de refroidissement en fonction du diamètre (quelle est sa forme? Pourquoi ?). En, déduire, comme Buffon, un âge pour la Terre. Critiquer ce résultat.
3 - Accrétion. Dans cette expérience, la force électromagnétique remplace la gravité.
Saupoudrez uniformément la grande feuille avec le toner. Attention: opérer loin des courants d'air!
Accrochez un des aimants (l'envelopper dans du film plastique!) à un compas et faites lui décrire quelques orbites. Que se passe t'il? Recommencer avec des aimants de différentes tailles. Mesurer leur masse avant et après 1, 2...10 orbites. Quelle est l'allure de la courbe masse en fonction du temps? (la tracer).
4 - Différenciation: chauffer le mélange de cire et d'eau. Que se passe t'il ? Schématiser le résultat.
5 - Convection. Au moyen du montage fourni (le schématiser), étudier un mouvement de convection. Essayez de mesurer la vitesse de déplacement du fluide. Sa viscosité (comment pourriez-vous la caractériser ?) a t'elle une importance?
Lithosphère et tectonique des plaques
1) La lithosphère est constituée de plaques mobiles d'épaisseur variable,
11) De nombreux indices attestent l'existence des plaques tectoniques
¥ Le relief de la Terre (continuité des chaînes montagneuses récentes -140 Ma)
¥ La distribution géographique des volcans et des séismes
¥ Les contours des bordures continentales qui semblent s'imbriquer
sont des signatures de la tectonique des plaques. La lithosphère est donc fragmentée en plaques rigides (à l'exception de leurs limites), mobiles. Ces plaques tectoniques se forment et s'écartent au niveau des dorsales, se chevauchent dans les zones de subduction et peuvent s'affronter dans des zones de collision.
12) Une théorie tardivement reconnue, grâce à de nouveaux outils.
121) de violentes polémiques
En 1912, l'astronome et météorologue A Wegener présente son hypothèse de la dérive des continents: jadis réunis en un seul bloc, la Pangée, les continents dériveraient sur les fonds océaniques. Il substitue ainsi à la géologie de l'époque, basée sur des mouvements verticaux, l'idée de mouvements essentiellement horizontaux. Malgré des soutiens, cette théorie est violemment rejetée dès 1925: il manque à Wegener un "moteur" pour les mouvements continentaux. Celui ci, la convection et ses conséquences, sera découvert par Holmes en 1945, complété par Hess en 1962 puis validé par Vine et Matthews de 1963 à1966
122) l'apport de nouvelles techniques
Après la 2nde guerre mondiale, de nouvelles techniques viendront confirmer l'existence de la TDP: la morphologie des fonds océaniques (par sonar), les forages en milieu océanique, les relevés gravimétriques et magnétiques permettront de confirmer l'existence des plaques tectoniques mobiles. C'est donc l'étude des fonds océaniques par le biais de techniques nouvelles qui a permis de confirmer l'existence de la TDP.
Cependant, ces apports sont encore parfois ignorés (en 1967) ou présentés avec dédain (en 1995!). La polémique sur l'existence de la TDP n'est donc pas encore tout à fait éteinte, un siècle après Wegener!
Alfred Wegener - astronome - météorologue -
2 Les mouvements relatifs des plaques: divergence, convergence, coulissage.
21) Plusieurs informations d'origines différentes permettent de reconstituer les déplacements des plaques.
L'utilisation de techniques militaires et industrielles a permis l'exploration des fonds océaniques.
¥ Les cartes topographiques ont mis en évidence l'existence d'un réseau de dorsales (p.302-303)
¥ Les techniques de forage off shore permettent de prélever des échantillons (carottes) de plusieurs km d'épaisseur (p.296/297). On a alors constaté que plus on s'éloigne de la dorsale et plus les couches sédimentaires sont épaisses, les roches au contact du basalte étant de plus en plus anciennes. La sédimentation a donc recouvert progressivement les plaques au fur et à mesure de leur formation.
¥ Il existe des chaînes volcaniques à l'intérieur des plaques (p.298): ces volcans sont alignés, d'âge croissant, seul le plus jeune étant actif. Il s'agit de volcans de points chauds, explicités par le déplacement d'une plaque au dessus d'un panache fixe de matériaux chauds, d'origine mantellique, perçant la croûte tout au long de son avancement.
22) La mesure du champ magnétique fossilisé dans les roches est un argument décisif en faveur de la TDP.
¥ Les mesures magnétométriques permettent de mettre en évidence la fixation du champ magnétique terrestre dans les roches, au moment de leur refroidissement. Ce champ paléomagnétique permet:
- de déterminer la direction du paléopôle magnétique. Celui-ci restant stable au cours du temps, les changements de direction du pôle sur des échantillons d'âge variés d'un même continent montrent un déplacement de ce continent.
- de suivre les inversions périodiques du champ magnétique terrestre, ce qui permet de constater des évolutions symétriques de part et d'autre d'une dorsale. Vine & Matthews en on déduit un modèle de formation de la croûte océanique par montée permanente de basalte dans l'axe des dorsales. Il y a correspondance entre les bandes d'anomalies magnétiques des fonds océaniques et les inversions magnétiques, ce qui signe un défilement des plaques suite à leur formation continue. (TD p 293/294)
¥ Plus récemment, les satellites du réseau GPS (Global Positioning System) permettent de mesurer au cm près la position d'un point à la surface de la Terre. Il est donc possible de mesurer les vitesses "instantanées" (en 1 an) des plaques, qui se révèlent en accord avec les calculs effectués à partir de leur vitesse de formation.
C) Dynamique des plaques: des mouvements complexes provoquant des affrontements nombreux
Les plaques tectoniques (le terme calotte est plus approprié) sont donc animées de mouvements de l'ordre du cm/an, qui donnent lieu à des:
- divergences au niveau des dorsales océaniques où elles se forment,
- convergences dans les zones de subduction et de collision où elles disparaissent
- coulissages le long des failles transformantes
Les zones de divergence: les dorsales et leur fonctionnement
1) Origine des dorsales
11) Morphologie des dorsales actuelles
La cartographie des reliefs sous-marins a révélé l'existence, dans tous les océans du globe, d'une « chaîne de montagnes » sous-marine de plus de 60000 km de long et d'une largeur de 1000 à 3000 km: les dorsales océaniques. De part et d'autre de ces reliefs, le plancher océanique, relativement plat, forme les plaines abyssales.
les dorsales s'élèvent à 1500 m au-dessus de ces plaines et peuvent émerger localement (Islande). L'axe des dorsales est fréquemment marqué par un fossé ou rift de quelques dizaines de km de large. De nombreuses fractures transversales (failles transformantes) tronçonnent la dorsale (et le rift) en segments décalés par coulissage de part et d'autre de ces failles. Une dorsale est une région où la lithosphère océanique est bombée, amincie et soumise à une extension.
12) Formation des dorsales.
Le scénario de leur formation provient de l'étude:
¥ des rifts continentaux actuels
Dans l'est africain, on se trouve en présence d'un rift continental, prélude à l'ouverture d'un futur océan. A ce niveau, des failles normales (Éthiopie) encadrent un fossé central effondré dans lequel s'accumulent des sédiments fluviatiles et lacustres. Dans ce fossé, il y a dépôts d'évaporites (roches salines) et émissions volcaniques aériennes (Erta-'Ale).
Le fossé d'effondrement est constitué de blocs basculés de croûte continentale décalés par des failles légèrement concaves vers le haut, les failles listriques.
Ces formations résultent d'un amincissement de la lithosphère continentale qui est étirée et déchirée.
¥ des marges continentales passives (sans activité sismique notable)
Elles sont constituées d'une plate-forme continentale (plateau continental) d'une largeur moyenne de 70 km, peu profonde (0 à 200 mètres). Vers le large, le plateau se termine par un talus continental qui descend de 200 jusqu'à 3 000 ou 4000 mètres (pente de 7%). Le talus se raccorde ensuite aux plaines abyssales par un glacis continental, à cheval sur la croûte continentale et sur la croûte océanique qui lui fait suite. La croûte est fracturée par un ensemble de failles listriques, ces dernières caractérisant un étirement de la zone.
Ces structures géologiques sont liées à l'origine des marges continentales: elles ont enregistré les tout premiers stades de la naissance d'un océan par déchirure de la lithosphère continentale:
1 - Un panache de matériel chaud remonte des profondeurs du manteau et déforme la lithosphère.
2 - La croûte continentale est étirée et amincie, prélude à l'écartement de deux futures plaques (zone de lithosphère froide)
3 - Un rift continental se met en place. Plusieurs zones effondrées sont remplies par l'eau, formant des lacs.
4 - De la croûte océanique s'intercale entre les marges continentales.
5 - Une invasion marine submerge ensuite le rift. Ultérieurement, la mer étroite (mer Rouge) s'élargit en un véritable océan (atlantique).
6 - Une sédimentation importante recouvre les structures des marges continentales
Les marges continentales passives actuelles correspondent donc aux deux "lèvres" autrefois jointives de l'ancien rift continental et maintenant largement séparé par plusieurs milliers de kilomètres d'océan.
¥ d'expériences de laboratoire - cf TP
2) Fonctionnement des dorsales
Il est étudié sur le terrain (plongées, Islande) et par des expériences en laboratoire
21) production de lithosphère
Dans l'axe d'une dorsale, des magmas basaltiques sont injectés, comblant au fur et à mesure les fissures résultant d'un écartement progressif des marges du rift.
La baisse de pression qui résulte de l'ascension de matériaux chauds déclenche une fusion partielle des matériaux du manteau. Les magmas produits, de composition basaltique, migrent vers la surface et donnent naissance à une nouvelle croûte océanique dont la structure verticale est très caractéristique.
On observe successivement :
- des basaltes, roches microlitiques figées brutalement au contact de l'eau de mer et formant des laves en coussins (pillow-lavas)
-des gabbros, roches grenues de composition basaltique, traversée par de nombreux filons basaltiques.
- des péridotites, roches du manteau supérieur représentant les matériaux réfractaires restés sur place après l'expulsion des "jus" magmatiques.
22) Cristallisation des Magmas
20 Km3 de magma sont produits annuellement au niveau des dorsales océaniques. La croûte est donc suffisamment épaisse pour être toujours continue. Ces magmas proviennent de la fusion partielle des péridotites induite par décompression. La fusion partielle (débutant vers - 60 km) leur donne une composition chimique différente (cf TP) de celle de la roche source. La vitesse de refroidissement des magmas conduit à des roches de textures différentes (basaltes/gabbros).
3) Evolution de la lithosphère océanique au cours de son déplacement
La lithosphère océanique dérive de part et d'autre de la dorsale et s'éloigne progressivement du rift. Pendant ce temps, de nouveaux matériaux issus du manteau viennent créer une nouvelle croûte: il y a accrétion du plancher océanique à la dorsale. Pendant son éloignement, la lithosphère océanique subit des modifications.
31) une composition chimique modifiée par l'eau de mer
Dans la jeune croûte océanique, très fracturée, l'eau de mer circule et provoque d'importantes modifications chimiques des roches. Les minéraux des basaltes, des gabbros et des péridotites sont altérés. Cette circulation hydrothermale dans la croûte océanique a plusieurs conséquences :
¥ hydratation des minéraux du plancher
¥ transfert des éléments chimiques de la croûte océanique vers l'océan : les eaux qui circulent dans le plancher s'échauffent beaucoup et se chargent en Fe, Mn, Zn, Cu, S... En remontant vers la surface, elles donnent naissance à des sources hydrothermales qui expulsent, dans l'eau froide des fonds océaniques des eaux très chaudes (jusqu'à 350°C). Ces sources déposent des sulfures de fer, de cuivre, de zinc... formant ainsi des cheminées ("fumeurs noirs") qui peuvent atteindre plusieurs dizaines de mètres de haut.
¥ refroidissement du plancher océanique (évacuation de la chaleur interne)
32) un épaississement provoquant un enfoncement progressif dans l'asthénosphère
Au niveau des dorsales, la lithosphère océanique, bombée, mince et chaude, "flotte" sur l'asthénosphère. En s'éloignant de l'axe de la dorsale, la lithosphère se refroidit lentement: son épaisseur et sa densité augmentent. La lithosphère océanique s'enfonce donc progressivement dans l'asthénosphère.
Certaines marges continentales sont marquées par une fosse profonde (bordure Pacifique du continent américain). Ces fosses témoignent d'une rupture de la « flottaison » de la lithosphère sur l'asthénosphère: la lithosphère océanique plonge alors dans l'asthénosphère et est enfouie. Ce mécanisme de subduction est caractéristique des marges continentales actives (marquées par une activité sismique et volcanique).
L'EVACUATION DE LA CHALEUR INTERNE DE LA TERRE
Volcanisme, séismes et mouvements des plaques traduisent une importante libération d'énergie à la surface du globe terrestre.
1 L'énergie interne, d'origine nucléaire, se dissipe à travers la surface terrestre
11) La dissipation de la chaleur interne est le flux géothermique
La température au sein de la Terre augmente en fonction de la profondeur. La courbe représentative de cette température (géothermie) permet d'estimer la température à une profondeur choisie (1000 °C à 70 km, 1400 °C à 400 km,1600 °C à 670 km p.e).
La totalité de la surface de la Terre contribue au refroidissement de celle-ci. Cette dissipation d'énergie d'origine interne correspond au flux géothermique. Il est établi entre l'intérieur chaud (> 3500 °C) et l'extérieur froid (15 °C). Le flux de chaleur mesuré sur la surface terrestre (océans + continents 5x1014 m2), permet d'évaluer à 4,2.1013 W la quantité de chaleur dissipée par la planète.
12) la chaleur est majoritairement produite par la désintégration d'éléments radio-actifs
Plusieurs sources de chaleur sont à l'origine des 4.1013 W dissipés à la surface du globe :
2) Le manteau est animé de mouvements de convection
21 Le manteau n'a pas une température homogène
L'étude détaillée de la vitesse des ondes sismiques dans le manteau (tomographie sismique) montre l'existence d'hétérogénéités thermiques (p.339):
- Sous les dorsales (-100 km), de faibles vitesses sismiques sont interprétées comme un indice de matériel chaud.
- Sous les vieux boucliers et dans les zones de subduction, des vitesses supérieures correspondent à la lithosphère froide.
-Au-delà de 300 km de profondeur, les structures observées n'ont pas de lien évident avec les objets géologiques de surface.
22 - La chaleur interne est transférée par convection et conduction
Sans mouvements de matière, la chaleur se transfère des zones chaudes vers les zones froides: cette conduction est à l'origine du flux de chaleur mesuré en surface (évalué à 1,7.1013W ). La conduction ne peut expliquer seule le mouvement des plaques lithosphériques et le flux géothermique de surface.
La chaleur étant produite en permanence sous la lithosphère, un autre mode de transport de chaleur (plus efficace que la conduction) doit prendre le relais.
La convection implique un mouvement de matière, une circulation en cellules fermées. Le manteau, bien que solide, contient des cellules de convection animées de très faibles vitesses. La dynamique de ces cellules dans la profondeur du manteau est plus complexe et discutée (on ne sait exactement comment se "ferment" les cellules - 2 modèles ont été établis).
3 La chaleur interne peut être évacuée au niveau de points chauds
Les points chauds sont la manifestation, en surface, de l'ascension d'une colonne convective de matériau chaud, moins dense que les roches environnantes. En montant "rapidement" (10 cm/ an), ce matériau transporte une énorme quantité de chaleur. A 100 km de la surface, la chute de la pression provoque une fusion partielle à l'origine de magmas qui perforent périodiquement la lithosphère.
L'analyse précise de la chronologie et de l'intensité des éruptions suggère que les premières émissions sont beaucoup plus massives que les suivantes: la colonne ascendante aurait une forme de panache surmontant un pied plus étroit (p.341). Le panache atteint en premier la zone de fusion, la production de magma étant alors colossale (plateaux océaniques, trapps). Elle diminue ensuite lorsque c'est le pied qui atteint la zone de fusion (alignements insulaires).
Les points chauds émettent en moyenne 4 km3 de magmas/ an (20 km3 sont produits par les dorsales).
Les diabètes et le contrôle de la glycémie
Une présentation simple et rapide: le diabète pour les nuls
Une présentation complétée et technique (avec schémas, photos...)
1 La glycémie est finement contrôlée par un système d'hormones antagonistes
11 - Malgré des apports irréguliers, la glycémie varie très peu
Bien que les apports de glucose par l''alimentation soient très variables dans le temps, la glycémie (concentration sanguine du glucose) reste toujours comprise entre 4,5 et 6,5 mmol/l (±1g/l). Cette valeur est maintenue par l'organisme malgré l'utilisation permanente et variable qu'en font les différents organes. Il doit donc exister dans l'organisme:
- un stock de glucose constitué après les repas et qui alimente l'organisme entre les repas.
- un mécanisme de régulation de la quantité de glucose présente, qui dirigera les entrées et les sorties du stock.
12 - Le foie stocke le glucose sous forme de glycogène
L'excès de glucose, apporté par la nourriture, est mis en réserve dans certains tissus de l'organisme:
- le foie et les muscles squelettiques stockent le glucose sous forme de glycogène (polymère de glucose, le foie en contient 70 à 80 g). Ce stock est cependant quantitativement minime.
- les hépatocytes (cellules du foie) mais surtout les adipocytes (graisses) constituent d'autres réserves sous la forme de triglycérides. Le tissu adipeux est le principal réservoir de substances énergétiques de l'organisme (15 kg de tissus chez l'homme).
Lorsque la glycémie va commencer à diminuer, entre les repas, la libération progressive de glucose par les cellules contenant des réserves permettra le maintient d'une quantité de glucose constante à disposition des différentes cellules.
13) Deux hormones pancréatiques, l'insuline et le glucagon, régulent la glycémie
131 Le pancréas, une glande, deux fonctions
Le pancréas est une glande située dans l'abdomen, sous l'estomac. Il est constitué de deux types de cellules aux rôles très différents.
¥ la majeure partie de la glande (tissu exocrine) est responsable de la sécrétion d'enzymes digestives dans la lumière de l'intestin.
¥ 1 % du volume du pancréas (1 à 2 g...) est constitué de cellules endocrines (productrices d'hormones) regroupées en 'îlots de Langerhans. Dans ces ilots, les celIules A produisent l'hormone glucagon et les cellules B produisent l'hormone insuline.
• 1921: Banting et Best découvrent l'insuline: tout sur ces chercheurs et leur découverte
132 Insuline et glucagon sont des hormones antagonistes
Glucagon et l'insuline sont sécrétés dans le sang. Ces hormones sont ainsi transportées dans l'ensemble de l'organisme. Cependant, ces molécules ne se fixent que sur des cellules porteuses de récepteurs spécifiques à chacune d'elles. Ces cellules sont dites cellules-cibles.
L'effet de ces hormones est aisément démontrable expérimentalement (cf TP):
• - L'insuline voit sa concentration sanguine augmenter lorsque la glycémie est croissante. Injectée dans le sang, elle provoque une hypoglycémie.
• - Le glucagon voit sa concentration sanguine diminuer lorsque la glycémie est croissante. Injecté dans le sang, il provoque une hyperglycémie.
Les cellules-cibles, sensibles au glucagon et à l'insuline, modifient leur métabolisme lorsque l'une de ces hormones se fixe sur leurs récepteurs spécifiques.
Sous l'action de l'insuline:
- le glucose sanguin pénètre dans les cellules hépatiques, musculaires squelettiques et dans les adipocytes. Ces cellules stockent le glucose sous forme de glycogène (glycogénèse - hépatocytes et C musculaires) ou de triglycérides (hépatocytes et adipocytes). Du glucose ayant quitté le plasma, la glycémie diminue.
Sous l'action du glucagon:
-la glycogénolyse est stimulée dans les hépatocytes. Il s'ensuit une libération de glucose dans le sang provoquant une augmentation de la glycémie.
2 - Les diabètes sont des perturbations de la régulation de la glycémie
21) Les diabètes, des maladies à l'action lente et destructrice
Les diabètes sont un ensemble de maladies ayant en commun une perturbation des mécanismes de régulation de la glycémie. Elles sont définies par leurs symptômes et leurs complications. On considère comme diabétique toute personne présentant à jeun une glycémie > 1,26 g/l.
"En l'absence de traitement, le diabète sucré se reconnaît par l'élévation chronique de la glycémie. Celle-ci s'accompagne parfois des symptômes suivant : soif intense, diurèse importante, perte de poids et troubles de la conscience aboutissant à un coma mortel."
Le plus souvent, les symptômes sont beaucoup moins sévères et il n'y a pas de troubles de la conscience. Occasionnellement, la maladie est asymptomatique.
En fonction de sa durée, la maladie diabétique peut:
• - provoquer des lésions progressives de la rétine, des reins et des nerfs.
• - aggraver les lésions d'athérosclérose au niveau du coeur, des jambes et du cerveau
• - induire la formation de dépôts amyloïdes pancréatiques, probablement toxiques pour les cellules B
22) Les deux types de diabètes et leurs causes
Différents mécanismes peuvent induire l'état diabétique. L'hyperglycémie (et d'autres anomalies) peuvent résulter:
• d'un déficit de production d'insuline
• d'une diminution de son efficacité
• des 2 à la fois
La sévérité des symptômes dépend du degré d'insuffisance d'activité de l'insuline.
221 Le diabète de type I ou diabète insulinodépendant (DID).
Il s'agit d'une maladie auto-immune: l'organisme fabrique des anticorps dirigés contre ses propres cellules. Ici, ces anticorps détruisent des cellules B du pancréas. La sécrétion d'insuline est donc très réduite ou nulle, ce qui provoque une augmentation inévitable de la glycémie.
Le malade doit être traité par un apport d'insuline, que l'on dose précisément en fonction des repas, pour recréer une régulation artificielle. Ce traitement donne de bons résultats.
222 Le diabète de type II ou diabète non insulinodépendant (DNID)
Le DNID est une maladie indolore, d'installation tardive, et représente 90 % des diabètes. Il est souvent révélé par une de ses complications, plus que par l'affection originelle.
On constate dans cette maladie:
• une insulinorésistance des cellules cibles, particulièrement au niveau musculaire. Les malades sécrètent de l'insuline, mais les cellules-cibles de cette hormone résistent à son action et n'assurent pas leur fonction de stockage du glucose, qui s'accumule dans le plasma. Le dysfonctionnement des cellules-cibles peut être dû à un déficit en transporteurs de glucose ou à celui d'une des enzymes du métabolisme du glucose.
• des perturbations de l'insulino-sécrétion (l'insuline s'accumule aussi dans le sang, ce qui perturbe les cellules B)
• une synthèse hépatique de glucose exagérée
Le fonctionnement du système nerveux:
la rencontre d'un génotype et d'une expérience individuelle
Un réflexe permet de mettre en évidence des circuits neuroniques simples
1) La posture, un équilibre assuré de façon automatique
Tout début de perte d'équilibre est aussitôt rétabli par une contraction réflexe de muscles s'opposant à ce mouvement (cf TP).
Au repos, Un muscle n'est jamais entièrement relâché: il est en léger état de contraction appelé tonus musculaire. À l'augmentation de l'état de contraction d'un muscle (augmentation du tonus musculaire) correspond le relâchement du muscle antagoniste (diminution de son tonus musculaire).
2) L'étude d'un réflexe permet de préciser le mode d'action d'une partie du système nerveux
21 Le réflexe myotatique (cf TP)
211 Les muscles réagissent à leur étirement
Les chocs portés sur un tendon étirent le muscle qui aussitôt se contracte, provoquant un mouvement d'extension. Cette réponse est rapide, automatique, involontaire et stéréotypée: c'est un réflexe.
Réflexe myotatique = contraction réflexe d'un muscle en réponse à son propre étirement.
Ainsi, lors d'une perte d'équilibre, l'intervention de ce réflexe permet un ajustement du tonus des muscles extenseurs et fléchisseurs de l'organisme, ce qui permet un rééquilibrage automatique de la position.
212 Origine des réflexes: des circuits neuroniques "figés" ?
Les réflexes, bien que parfois modifiés par l'apprentissage, sont des comportements innés. Ils résultent de la mise en place de circuits neuroniques lors du développement embryonnaire, sous le contrôle de nombreux gènes.
Ex: Chez l'humain, les circuits réflexes de la marche ne se mettent en place que progressivement, après la naissance. C'est seulement 12 à 18 mois après que l'enfant peut marcher. 6 mois de plus sont nécessaires pour courir, avec l'aide des bras pour s'équilibrer...
Tonus musculaire, rapidité et amplitude des réponses sont variables selon l'individu. Ils constituent un aspect de notre phénotype, traduisant des différences individuelles du génotype.
22 Les circuits neuroniques du réflexe myotatique
221 Les messages nerveux décrivent un arc réflexe
La contraction réflexe du muscle est l'expression du fonctionnement coordonné de différentes structures :
• Des récepteurs sensoriels, les fuseaux neuromusculaires. Ils sont. Localisés dans les muscles et sont sensibles à l'étirement provoqué par un stimulus mécanique: pesanteur, choc sur le tendon...
• Issus des fuseaux neuromusculaires, les neurones sensitifs conduisent des messages nerveux afférents jusqu'au centre nerveux du réflexe: la moelle épinière
• les neurones moteurs conduisent les messages nerveux efférents, élaborés dans la moelle, jusqu'à l'organe effecteur(muscle)
La réponse obtenue est la contraction du muscle initialement étiré, provoquant l'extension du pied. Le trajet "aller/retour" suivi par le message nerveux du récepteur sensoriel jusqu'à l'organe effecteur constitue un arc réflexe.
222 Plusieurs types de neurones coopèrent dans un réflexe.
• Un neurone sensitif est une cellule de grande longueur (= dm), en forme de T. Une longue dendrite relie le récepteur sensoriel au corps cellulaire, situé dans les ganglions rachidiens, via le nerf rachidien. L'axone se prolonge jusqu'a la moelle épinière en passant par la racine dorsale.
• Les neurones moteurs (motoneurones) sont aussi des cellules géantes. Leur corps cellulaire est situé dans la substance grise de la moelle épinière et leur axone relie la racine ventrale à l'organe effecteur par l'intermédiaire du nerf rachidien.
Un nerf rachidien est donc constitué des axones de ces deux types de neurones. La transmission du message nerveux, du neurone sensitif au motoneurone, s'effectue au niveau d'une synapse située dans la moelle épinière. La conduction du message nerveux s'effectue en sens unique dans l'arc réflexe.
223 L'innervation réciproque permet la coordination des muscles (donc des mouvements)
Pendant le réflexe myotatique, la contraction du muscle extenseur s'accompagne d'un relâchement du muscle fléchisseur. Un même message afférent entraîne deux réponses opposées de ces muscles. Ceci implique qu'il existe des liaisons entre neurones sensitifs et motoneurones des deux muscles antagonistes. On parle d'innervation réciproque. Le message nerveux afférent entraîne donc :
- une stimulation du motoneurone du muscle extenseur (muscle + contracté)
-une inhibition du motoneurone du muscle fléchisseur, par l'intermédiaire d'un interneurone, provoquant une chute du tonus de ce muscle (muscle - contracté).
Animation: un arc réflexe et ses conséquences (flash, chargement rapide)
Au niveau neuronique, des mouvements ioniques créent des courants électrique constituant les messages nerveux
1) Globalement neutre, une cellule peut être localement polarisée au niveau membranaire
Toute cellule contient autant de charges positives que de charges négatives: elle est électriquement neutre. Cependant, on peut enregistrer une différence de potentiel entre l'intérieur et l'extérieur d'une cellule. Cette ddp, variable selon les cellules, est appelée potentiel de repos ou potentiel de membrane (-70 mV dans le cas d'une cellule nerveuse). La face interne de la membrane plasmique est électronégative par rapport à la face externe qui est électropositive.
Cette ddp est causée par une répartition ionique différente entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule, entretenue en permanence par des protéines enchâssées dans la membrane.
---> un exemple de cours en français sur les neurones (présentation pauvre)
2) Une stimulation électrique d'un axone provoque la formation et la propagation d'un potentiel d'action.
Lorsque l'on stimule une cellule nerveuse, celle-ci répond par une inversion brève et rapide de sa polarisation membranaire. La face interne de la membrane devient localement électropositive par rapport à la face externe (dépolarisation) puis la membrane se repolarise rapidement (repolarisation). Le retour au potentiel de repos peut être précédé d'une hyperpolarisation de la membrane. Cette inversion transitoire de polarité de la membrane est appelée potentiel d'action et constitue le signal nerveux élémentaire de toute cellule excitable.
Animations:
• le B.A ba du potentiel d'action, simple et illustré
• une onde de dépolarisation
Ce signal peut être enregistré sur un axone géant (Calmar) ou sur une fibre nerveuse (dans ce cas, il représente la somme des potentiels d'action élémentaires des fibres nerveuses, c'est un potentiel global).
3) Les potentiels d'action se propagent le long des axones et leur fréquence constitue une information
31 - Les potentiels d'action sont conduits le long des axones et des dendrites
Les potentiels d'action se propagent le long des fibres nerveuses sous forme de salves ou de trains constituant le message nerveux. Leur forme et leur amplitude sont conservées sur toute la longueur de la fibre nerveuse, car ils sont régénérés de place en place à la surface du neurone.
La vitesse de conduction du message nerveux varie de 1 à 100 m/s selon le type de fibres. Ceci explique la rapidité d'exécution des réflexes et des mouvements volontaires.
32) Le message nerveux est doublement codé
La fréquence des potentiels d'action constituant le message nerveux est variable. Elle reflète l'intensité de la stimulation d'un récepteur sensoriel ou d'un motoneurone. Les messages nerveux sont donc codés par la fréquence des potentiels d'action conduits par une fibre nerveuse.
Des stimulations d'intensité croissante portées sur un nerf entier, entraînent une augmentation de l'amplitude du potentiel global (contrairement à l'amplitude de la réponse d'une fibre qui est constante). Cette réponse graduelle montre un recrutement progressif des fibres nerveuses ayant un seuil de sensibilité différent. Le nombre de fibres nerveuses mis en jeu constitue également une forme de codage du message nerveux.
codage d'intensité = fréquence / fibre + nombre de fibres recrutées
4) Des neurotransmetteurs permettent le passage de l'influx nerveux d'un neurone à un autre
Les neurones communiquent entre eux, ou avec des cellules effectrices (comme la cellule musculaire) par des synapses. L'espace intersynaptique interrompt la propagation des potentiels d'action, qui sont relayés par des molécules, les neurotransmetteurs, qui assurent la transmission du message de la cellule présynaptique à la cellule postsynaptique.
De magnifiques illustrations dans un cours riche (merci à la Pennsylvania state university)
Le message nerveux présynaptique déclenche la migration de vésicules synaptiques contenant les neurotransmetteurs (5000 molécules / vésicule). Celles-ci fusionnent avec la membrane présynaptique (exocytose) et libèrent les neurotransmetteurs dans la fente synaptique. La quantité de neurotransmetteurs libérés dépend de l'amplitude du message nerveux. Ainsi, le codage en fréquence de potentiel d'action est traduit en codage chimique (concentration en neurotransmetteur au niveau de la synapse).
Les molécules de neurotransmetteurs se fixent alors sur des récepteurs de la membrane postsynaptique. Cette fixation induit une augmentation ou une diminution du potentiel de membrane du neurone postsynaptique, générant ainsi un nouveau message. L'action des neurotransmetteurs est de courte durée, car ils sont rapidement inactivés (diffusion, hydrolyse enzymatique, recaptage).
Animations:
• la transmission synaptique (la même vue en cours, non commentée - attention 20 Mo)
• les divers types de synapses et neurotransmetteurs
• fonctionnement d'une synapse (anim en flash, légère)
• Les synapses en long, en large, en travers, en 2D, 3D... (Merci à la Boston University)
Une synapse peut être excitatrice, si l'activité de la cellule postsynaptique augmente, ou inhibitrice si elle diminue.
5) Les centres nerveux sont des lieux d'intégration des signaux neuroniques
La présence de synapses excitatrices et inhibitrices permet de préciser le fonctionnement du réflexe myotatique. Les motoneurones impliqués dans le maintien de la posture présentent une activité de base responsable du tonus musculaire.
Les messages nerveux afférents, provoqués par l'étirement des fuseaux neuromusculaires, entraînent:
- une augmentation de la fréquence des potentiels d'action des motoneurones du muscle étiré
- une diminution (voire annulation) de la fréquence des potentiels d'action des motoneurones du muscle antagoniste.
Le traitement des messages dans le centre nerveux permet ainsi la réalisation du réflexe.
Le traitement réel est plus complexe: les motoneurones et les interneurones du réflexe myotatique sont également en connexion avec d'autres neurones provenant d'autres récepteurs sensoriels ou de l'encéphale (commande volontaire). Ils sont donc en permanence soumis à des influences stimulatrices ou inhibitrices de la part de ces neurones, et le traitement qu'ils effectuent entraîne une amplification ou une inhibition du tonus musculaire et donc des modifications du réflexe myotatique.
Avez-vous compris?
Un magnifique cours en anglais simple, avec des blancs à compléter et des illustrations... (merci à l'Université du Connecticut)
Le cortex sensoriel montre une certaine plasticité du système nerveux
Une mine de schémas sur le système nerveux
1) Le cortex reçoit des informations sensorielles
11 Le cortex cérébral se subdivise fonctionnellement en aires spécialisées
Le cortex sensoriel reçoit les informations en provenance des différents organes des sens. Il construit une représentation du corps, variable selon les espèces; ce qui montre que la mise en place des projections nerveuses vers le cortex sensoriel est déterminée génétiquement. Le cortex se divise en aires corticales spécialisées dans le traitement d'un type d'informations. Sa structure est en étroite relation avec le type d'information reçue.
12) L'exploration du cortex sensoriel conduit à une représentation mentale sensitive de l'organisme
La surface cérébrale dévolue à un organe sensoriel est fonction de sa densité en récepteurs: elle privilégie énormément certaines zones, différentes selon les espèces (vibrisses des rats, doigts des humains...).
2) Les neurones du cortex s'organisent en réseau et en colonnes
Dans l'épaisseur des couches corticales, les neurones sont interconnectés, formant un réseau permettant l'échange et le traitement des informations reçues.
Le cortex sensoriel peut être subdivisé en un certain nombre de modules élémentaires formant des colonnes de neurones. Toutes les cellules rencontrées dans une colonne répondent à des stimulations de même type, appliquées au même endroit de la surface du corps, mais elles ne répond pas à des stimulations appliquées dans des régions voisines.
Les fibres aboutissent toutes dans la couche IV qui constitue la porte d'entrée du cortex.
3) Le développement des réseaux de neurones est sous contrôle génétique partiel
L'étude de souris présentant des troubles moteurs (souris weaver, reelerÉ) a montré que ces troubles s'expliquent par des mutations de gènes gouvernant la mise en place, au cours du développement embryonnaire, de réseaux de neurones dans le cortex du cervelet: en effet, toutes les souris atteintes d'un même trouble moteur présentent la même disposition aberrante de certaines cellules du cervelet. Des études récentes ont montré que la mutation " weaver " était une mutation d'un gène codant pour une protéine de la membrane de la cellule nerveuse.
Chez l'homme, l'étude de maladies rares comme certaines formes d'insensibilité congénitale à la douleur, a montré là aussi que les troubles sont d'origine génétique. Il s'agit d'une mutation qui empêche la croissance des fibres sensorielles assurant normalement la transmission des messages douloureux. Ainsi, la mise en place au cours du développement embryonnaire des chaînes de neurones, aussi bien dans le système nerveux central que dans le câblage nerveux périphérique, est, au moins en partie, sous contrôle génétique.
4) Les réseaux de neurones sont évolutifs, ce qui rend le cortex plastique
Le cortex cérébral est le siège d'adaptations sensorielles et donc de modifications permanentes. L'utilisation préférentielle d'un organe sensitif va développer les réseaux de neurones de l'aire corticale correspondante (souvent aux dépens des aires qui l'entourent).
Ces modifications sont la base de l'apprentissage, qui joue un rôle essentiel dans l'évolution permanente du cortex de l'individu. La modification de la topographie des aires corticales est en relation avec la modification de la morphologie des neurones: en modifiant leurs réseaux dendritiques, les neurones favorisent l'apparition ou la disparition de liaisons synaptiques:
¥ A la suite de certaines lésions, des zones corticales nécrosées ne pouvant plus assurer leurs fonctions sont relayées par d'autres aires reprenant tout ou partie des traitements manquants.
¥ Le développement de capacités sensitives extrêmes (violonistes, "nez", langage des sourds, aveugles lisant en braille...) entraine le développement des aires corticales correspondantes aux organes utilisés.
Le cerveau se construit donc chaque jour à partir des expériences de l'individu. Plus il travaille, plus il devient performant mais aussi spécialisé, un capital que tout humain peut développer au long de sa vie. Ses capacités toujours en marche en font un organe complexe aux possibilités encore largement inexplorées.
Fin de ce chantier