RESTITUTION ORGANISEE DES CONNAISSANCES
N° 1 : Présentez les critères d’appartenance à la lignée humaine et justifiez l’appartenance des deux genres Australopithèque et
Homo à cette lignée.
Votre exposé sera structuré et comportera une introduction et une conclusion.
N° 2 : Afin de reconstituer l’histoire géologique d’une région, les géologues sont amenés à dater les roches, les fossiles qu’elles
contiennent et les événements géologiques. Présenter les méthodes utilisées pour mesurer le temps et montrer leur intérêt respectif .
N° 3 : A l’échelle des temps géologiques, des crises biologiques ont affecté le monde vivant. La limite Crétacé-Tertiaire, datée de –65 millions
d’années, correspond à l’une de ces crises. On cherche à définir les caractéristiques de cette crise et à expliquer son origine.
Après avoir rappelé les caractéristiques biologiques de cette période, vous montrerez que les changements de la biosphère peuvent être mis en relation
avec des événements géologiques. Vous réaliserez un exposé soigné qui comprendre une introduction, un développement structuré et une conclusion.
N° 4 : Couplage entre métamorphisme et magmatisme.
Au niveau des dorsales, une circulation hydrothermale importante aboutit à une hydratation des roches de la croûte océanique. Expliquez le
devenir de cette eau lors du métamorphisme de la croûte océanique dans une zone de subduction ainsi que son rôle dans l'origine du
magmatisme. Des schémas explicatifs accompagneront vos explications.
PRATIQUE DU RAISONNEMENT SCIENTIFIQUE
N° 1 : IIA . Extraire des informations d’un document
Extraire du document proposé les informations qui argumentent en faveur d’une crise brutale à la fin du Crétacé associée à un
phénomène géologique brutal.
Document :
Ce sont les microfossiles (coccolithes et surtout foraminifères) qui sont responsables de la teneur en calcaire des formations concernées.
La teneur en iridium de la couche d’argile à la limite Crétacé-Paléocène varie entre 10 et 50 nanogrammes par gramme (ng.g-1) selon les endroits.
Celle des roches de la croûte terrestre est très généralement inférieure à 0,05 ng.g-1 . Elle est de l’ordre de 500 ng.g-1 dans certaines météorites.
Les magnétites trouvées à El Kef sont de type nickélifère. Elles ne peuvent être synthétisées qu’à partir de la fusion d’une météorite dans une
atmosphère riche en dioxygène.
N° 2 : extraire des informations utiles à la résolution d’un problème scientifique. ( 4 points )
A partir des seules informations recueillies par l’exploitation du document :
- placez sur l’arbre phylogénétique (a.), que vous aurez recopié, les innovations évolutives à l’origine des caractères dérivés du tableau (b.) ;
- citez les caractéristiques du plus récent ancêtre commun à l’homme, au chimpanzé et au gorille.
- placez l’orang-outan sur l’arbre phylogénétique et précisez le degré de parenté entre l’orang-outan et chacune des autres espèces de l’arbre.
Exercice II2 : Exploiter des documents afin de résoudre un problème scientifique.
Jusqu’à la découverte d’Orrorin et Toumaï, on considérait Lucy et les australopithèques comme les représentants les plus anciens de la
lignée humaine (3.8 millions d’années).
Après avoir dégagé, à l’aide du document 1, les critères d’appartenance à la lignée humaine, montrez que la découverte
récente d’Orrorin (document 2) et de Toumaï (document 3) conduit à rechercher l’existence hypothétique d’un ancêtre
commun à l’homme et au chimpanzé au delà de 7 millions d’années.
CORRECTIONS
RESTITUTION ORGANISEE DES CONNAISSANCES
N° 1 : les critères d’appartenance à la lignée humaine , justifiez l’appartenance des deux genres Australopithèque et Homo à cette lignée.
Introduction
Mots clés : lignée humaine. Elle correspond à une bifurcation évolutive dans le groupe des Homininés.
Elle comprend toutes les formes et rameaux évolutifs issus du plus récent ancêtre commun partagé avec le Chimpanzé ( cet ancêtre vivait il y a
environ –10 Ma à –7 Ma), jusqu’à l’Homme ( Homo sapiens) seul représentant actuel.
Elle est caractérisée par de nombreuses espèces fossiles, parfois contemporaines, et regroupées en deux genres : le genre Homo et le genre
Australopithèque.
Problématique : comment justifier l’appartenance de ces deux genres à la lignée humaine ?
Annonce du plan : Ce problème sera résolu en présentant d’abord les caractères dérivés propres à la lignée humaine puis en justifiant l’incorporation
des ces deux genres dans cette lignée.
Développement. ( Plan en cohérence avec le sujet et apparent avec paragraphes titrés)
I/ Les critères d’appartenance à la lignée humaine.
Caractères dérivés en relation avec l’acquisition de la bipédie : trous occipital avancé, bassin court et évasé, fémur oblique, pied adapté à la marche.
Caractères dérivés au niveau de la tête :
o développement de la région crânienne ( augmentation de la capacité crânienne, front haut).
o réduction du squelette de la face ( absence de prognathisme, mâchoire inférieure réduite, arcade dentaire parabolique, dents
réduites notamment les canines).
Caractères dérivés révélateur d’un psychisme humain : outillage élaboré, manifestations artistiques, sépultures, cultes ).
II/ Les Australopithèques et l’Homme : des représentants de la lignée humaine.
On admet qu’un fossile appartient à la lignée humaine s’il présente au moins l’un des caractères dérivés précités.
1) Les Australopithèques (exemple Lucy)
La capacité crânienne est réduite, le prognathisme de la face est important , il n’y a pas trace d’activité culturelle : par ces caractères ils n’appartiennent
pas à la lignée humaine.
Mais le trou occipital avancé , le bassin évasé, le fémur oblique sont des indicateurs de la bipédie même si elle devait être imparfaite (arboricolisme).
L’acquisition de la bipédie place les australopithèques dans la lignée humaine.
2) Les représentants du genre Homo , depuis Homo habilis (-2,5 Ma)
Ils montrent un bipédie permanente, une capacité crânienne en accroissement ( de 700 à 1500 cm3), une réduction du prognathisme, une industrie de
plus en plus sophistiquée, l’utilisation du feu, l’apparition de l’art pariétal et de manifestations culturelles.
Tous les caractères dérivés de la lignée humaine sont présents dans le genre Homo.
Conclusion. Résolution du problème.
La lignée humaine résulte d’une évolution marquée par l’acquisition de la bipédie puis par l’augmentation du volume encéphalique à l’origine d’un
développement culturel important.
Les Australopithèques sont engagés dans ce processus d’hominisation parce qu’ils ont acquis la bipédie. Ils appartiennent en cela à la lignée humaine.
Les espèces du genre Homo, en plus de la bipédie, montrent l’expansion cérébrale et le développement culturel qui en découle.
Ouverture.
L’Homme actuel (Homo sapiens), fruit de plusieurs millions d’années d’évolution depuis l’ancêtre à l’origine de la lignée ne doit cependant pas être
considéré comme un aboutissement mais comme la seule espèce survivante à l’extrémité d’un des nombreux rameaux d’une lignée à évolution
buissonnante.
N° 2 : datation
Introduction : Il existe deux grands types de roches : les roches sédimentaires et les roches magmatiques. Les roches sédimentaires résultent de
dépôts de particules plus ou moins grosses en couches successives appelées strates. Les roches magmatiques résultent du refroidissement du magma,
soit en profondeur (on obtient alors des roches plutoniques), soit en surface (on obtient alors des roches volcaniques). Toutes ces roches peuvent subir
des phénomènes tectoniques (plissements, failles…).
Quelles sont les méthodes utilisées pour mesurer le temps et dater les évènements géologiques ?
Selon les types de roches, certaines méthodes sont plus intéressantes que d’autres pour résoudre le problème.
Nous présenterons d’abord les méthodes de datation relative puis les méthode de datation absolue.
I) datation Relative :
C’est un ensemble de principe permettant d’ordonner les couches et les évènements géologiques les uns par rapport aux autres.
1) principe de superposition : toute couche est plus récente que celle qu’elle recouvre.
2) principe de continuité : Toute couche à le même âge en tout ses points.
Principe de superposition : la couche 1 est plus récente
que la couche 2.
Principe de continuité : l’age de la couche a est le même
que celui de la couche b.
3) principe de recoupement :
Lorsqu’une formation géologique en recoupe d’ autre elle est plus récente que ces dernières. Une variante à l’échelle des échantillon est le principe
d’inclusion qui dit que tout minéral inclus dans un autre est plus ancien que ce dernier.
Minéral A
Ces trois principes s’appliquent aux roches sédimentaires et aux roche magmatiques (pour certains).
A gauche : La faille F qui affecte les
couches 1,2 et 3 est plus récentes que ces
dernières. Elle est plus ancienne que la
couche 4 qu’elle n’affecte pas.
A droite : le minéral A inclus dans le Minéral B
minéral B est plus ancien que lui.
4) principe d’identité paléontologique :
Deux couches qui contiennent la même association de fossile ont le même âge.
les fossiles sont des restes d’organismes disparus. On distingue les fossiles stratigraphiques (durée de vie courte et grande extension géographique) qui
permettent de dater des couches très éloigné et ainsi faire des corrélations stratigraphiques à distance (exemple les ammonites). D’autres fossiles, les
fossiles de faciès, fournissent des information précise sur le milieu de sédimentation.
Fossiles Localité 1 Localité 2 Localité 3
Espèce 1
Espèce 2
Espèce 3
Espèce 4
Espèce 5
Espèce 6
Espèce 7
Illustration du principe d’identité paléontologique : les localités 1 et 2 ont le même âge.
Ce principe ne s’applique qu’aux roches sédimentaires.
II) La datation absolue.
C’est l’ensemble des méthodes permettant de dater précisément l’âge d’une roche.
1) principe de décroissance radioactive :
Ces méthodes sont basées sur le phénomène de la désintégration
d’isotopes instables de certains éléments chimiques qui suit une
loi mathématique de décroissance exponentielle.
La mesure des isotopes père et fils dans une roche permet de
déduire l’âge de cette dernière.
Les différentes méthodes vont s’appliquer à différentes roches en fonction
de leur composition et de leur âge relatif.
2) C14/N14 (méthode de datation au carbone 14)
- Roches récentes ( moins de 50 000 ans)
- Roches contenant des restes organiques
3) K40/Ar40 (potassium/Argon)
- Roche plus anciennes.
- Ne contenant pas forcément de restes organiques.
4) Rb87/St (Rubidium/strontium)
- roches encore plus anciennes.
Conclusion
Il existe deux grandes familles de méthodes permettant de reconstituer l’histoire de la terre. Les méthodes de chronologie relatives permettent
d’ordonner les couches et les évènements les uns par rapport aux autres tandis que les méthodes de chronologie absolue permettent de dater
précisément les roches.
Ces méthodes ont permit aux géologues de reconstituer l’histoire de la terre. Elles ont permit aussi de construire un outil très utile à cette
reconstitution, qui est l’échelle stratigraphique, valable à l’échelle mondiale. D’autres évènements, les crises biologiques sont utilisées par les
géologues pour marquer des repères dans l’histoire de la terre.
N° 3 : On cherche à définir les caractéristiques de cette crise et à expliquer son origine.
Mots clés à définir : crise biologique, limite Crétacé-Tertiaire.
Problématique : on cherche à montrer que les changements qui se produisent à cette époque dans les caractéristiques biologiques de la biosphère
peuvent être mis en relation avec des événements géologiques.
I/ Les modifications de la biosphère à la limite Crétacé-Tertaire.
En milieu marin
Coupure dans la faune de foraminifères planctoniques : les grandes formes crétacées s’éteignent brutalement un peu sous la limite KT, les petites
formes ( inférieures à 80 ) disparaissent ensuite. Elles sont remplacées par le développement d’autres formes petites (globigérines).
Disparition des coccolithophoridés : algues microscopiques photosynthétiques dont les tests calcaires, par leur accumulation, sont à l’origine de la
craie ( d’où couche d’argile à la limite CT)
Disparition des ammonites, inocérames, Rudistes Disparition parmi les vertébrés : reptiles marins
En milieu continental
Faune : Disparition des dinosaures
Disparition de certains groupes de mammifères remplacés par d’autres (Primates) qui vont se diversifier.
Flore : La flore change : Disparition transitoire des pollens ( plantes à fleurs ) et abondance des fougères à la limite K-T
Après les plantes à fleurs deviennent dominantes alors que les conifères étaient dominants au crétacé.
II/ Mise en relation des modifications de la biosphère avec des événements géologiques
A) Des indices en faveur d’un impact météoritique
Dans toute les séries sédimentaires ou l’on repère la limite même anomalie (Abondance d’iridium).
Or ce métal, rare sur terre, abonde dans les météorites.
Quartz choqués (caractéristiques des sites d’impact et explosions),
Magnétites nickélifères (fusion et oxydation des météorites dans leur traversée de l’atmosphère).
Sphérules minérales (roches fondues),
En milieu continental : présence de suie autour de la limite CT hypothèse d’énormes incendies
Développement des fougères ( vivent dans les zones sombres des sous bois + colonisent les forêts après incendies)
hypothèse de l’impact d’une météorite géante (10 km de diamètre) cratère repéré (Yucatan)
Comment cet impact a-t-il pu provoquer une crise biologique ?
-obscurcissement du ciel refroidissement de courte durée (hiver nucléaire)
-tsunami + incendies (orages dus au nuages)
Les roches volatilisés CO2 et SO2
- empoisonnement des eaux par les pluies acides (SO2 H2SO4).
- CO2 effet de serre réchauffement
L’ obscurcissement puis pluies acides mort du plancton végétal et par réaction celle de nombreux constituants de la chaîne alimentaire.
B) Des indices en faveur d’un phénomène géologique interne à la terre.
Les extinctions débutent bien avant et se poursuivent encore après la limite.
Importantes éruptions volcaniques autour de- 65 Ma.: trapps du Deccan.
Le volcanisme responsable (point chaud) émet aussi de l’iridium/ quartz choqués/sphérules
-Durée des éruptions (5000000ans qui couvre toutes les extinctions et en accord avec les extinctions successives).
Les conséquences : projection de poussières et d’aérosols (SO2 H2SO4), pluies acides, gaz toxiques
obscurcissement et refroidissement perturbation des écosystèmes continentaux
+ fort dégagement de CO2 acidification des océans et effet de serre (augmentation de t° dans un deuxième temps qui entraîne une diminution des
espèces survivantes) disparition du plancton. perturbation des écosystèmes marins
Conclusion : La limite K-T est caractérisée par l’extinction rapide et massive de groupes et d’espèces en milieux continentaux et marins : disparition
de 80% des espèces planctoniques (foraminifères en particulier) et de la totalité des ammonites et des Dinosaures.
Certains groupes, notamment les mammifères, ont survécu à la crise et se sont diversifiés occupant les niches écologiques laissées vacantes par les
espèces disparues.
Cette crise biologique majeure pourrait être le résultat de la conjonction de au moins deux phénomènes géologiques.
Le premier est lié à la dynamique de la planète et correspond notamment aux conséquences de la mise en place des trapps du Deccan ; le second est
associé à la chute d'un astéroïde dont le cratère de Chixulub pourrait être la trace. (De plus des indices d’une régression et d’un refroidissement 3
ème événement responsable).
N° 4 : couplage magmatisme / métamorphisme
Définitions : dorsales : fabrication de croûte océanique ;hydratation des roches : minéraux ; faciès schistes verts ;
Problème : Comment l'eau incorporée pendant l'expansion océanique va-t-elle être à l'origine d'un magmatisme dans les zones de subduction ?
Plan / Un développement structuré (1 point)
I. Le devenir de la croûte océanique hydratée dans une zone de subduction
A. L'hydratation de la croûte océanique (1 point)
les roches de la croûte océanique se chargent en eau provenant de la circulation hydrothermale
métamorphisme de basse pression et de basse température, on parle de faciès Schistes verts :
les minéraux caractéristiques : la Hornblende, ou la chlorite (amphiboles vertes) : ce sont des minéraux hydratés, contenant de l'eau.
B. L'entrée en subduction (1 point)
Lorsque la densité de la croûte océanique est plus élevée que celle de l'asthénosphère, elle entre en subduction .
En s'enfonçant, la croûte océanique subit des changements de pression et de température plus importants.
Les minéraux de ces roches deviennent instables et on aboutit à la formation de nouveaux minéraux témoins des conditions de P/ t
C. La déshydratation de la croûte en subduction ( 2 points)
Les pyroxènes et les plagioclases se transforment en amphiboles bleues (glaucophane):
Métamorphisme BT HP métagabbros. du faciès schistes bleus
vers 100 km de profondeur les amphiboles et les plagioclases sont transformés en grenats et pyroxènes, minéraux anhydres : c'est le faciès éclogite
Ce métamorphismes de Haute pression libération d'eau puisque des minéraux hydratés (hornblende) sont remplacés par des minéraux anhydres
(grenat).
II. Le rôle de l'eau dans la genèse de magma
A). Origine des magmas
Les roches des magmatiques des zones de subduction n'ont pas la même composition chimique que le basalte
Le magma qui leur a donné naissance ne provient donc pas de la fusion de la plaque océanique plongeante
Le magma provient de la fusion partielle des péridotites au-dessus du plan de Bénioff
B. Les conditions de la fusion ( 1,5 point)
Faire le graphique des géothermes et des courbes de fusion des péridotites. ( il n'y a aucune fusion de péridotite).
On remarque que le géotherme en zone de subduction peut permettre la fusion des péridotites à une condition : il faut de l'eau.
C. L'eau et la formation de magma ( 1 point)
L'eau issue du métamorphisme permet donc la fusion partielle du manteau supérieur.
Cette fusion produit des magmas, moins denses que la manteau environnant.
Il s `élève dans la lithosphère pour donner en surface , les andésites et les rhyolites riches en micas et/ou en amphiboles (minéraux hydratés)
Arrêt en profondeur plutons qui n’arriveront en surface qu'en faveur de l'érosion.
Conclusion : Lors de la subduction les roches océaniques se transforment et se déshydratent
L’eau issue de cette déshydratation permet la fusion des péridotites dont la naissance du magma
Donc couplage métamorphisme magmatisme
Partie II : pratique du raisonnement scientifique
N° 1 : Il faut trouver les informations qui argumentent en faveur d’une crise biologique à la fin du Crétacé associée à un phénomène
géologique brutal.
Données :
1) Des changements dans la sédimentation.
Au dessus des calcaires du Crétacé terminal, la limite Crétacé-Tertiaire est marquée par une couche d’argile succédant aux calcaires
crétacés.
Au dessus s’observent des marnes (argiles + calcaire) puis à nouveau du calcaire au Danien ( base du Tertiaire)
2) Des variations dans la teneur en CaCO3 des sédiments.
Entre parenthèses et italiques = mise en relation des données avec le graphique précédent.
La teneur en calcaire (CaCO3) des sédiments s’annule au niveau de la limite KT
(le sédiment est à ce niveau constitué uniquement d’argile).
Jusqu’à 1 m au dessus la teneur en calcaire reste faible, de l’ordre de 15 %, la roche est une marne (Marnes de la base du Tertiaire).
Au dessus enfin, la teneur en calcaire redevient progressivement normale et atteint 40% .
(La roche est à nouveau calcaire : calcaire du Danien).
3) Abondance en iridium et magnétites.
- L’Iridium : du Maastrichtien au Danien sa teneur augmente autour de la limite et passe de 0,1 ng/g à 0,3 ng/g environ entre – 25
cm et + 150 cm, avec un pic très marqué (50 ng/g) au moment de la limite KT.
- Un pic de magnétites nickélifères est strictement limité à la limite KT.
Déductions :
De 1 et 2:On a vu que le dépôt de calcaire s’annule au moment de la crise KT.Or on sait que les microfossiles (Coccolithes et
foraminifères) sont responsables du dépôt de CaCO3. On déduit que les microfossiles avaient alors disparu. C’est un argument en
faveur d’une crise biologique.
De 3 :L’augmentation de l’Iridium entre – 25 cm et + 150 cm autour de la limite KT peut être rapporté au volcanisme.
Le pic d’iridium de la limite KT correspond à des quantités bien supérieures à ce que produit le volcanisme. Il coïncide avec le pic de
magnétites nickélifères. Ces deux pics peuvent être attribué à un même événement brutal , d’origine extraterrestre (chute d’une
météorite).
Conclusion :
Il se produit bien au même moment une crise biologique ( disparition des foraminifères et des Coccolithophoridés) et un phénomène
géologique brutal ( chute d’une météorite sur fond de volcanisme).
On peut penser que la crise biologique est liée aux événements géologiques.
Placement des innovations évolutives ( avant d’avoir placé l’Orang-outan):
- la fusion des os du poignets est le seul caractère partagé par l’Homme, le Gorille et le Chimpanzé : c’est un caractère dérivé que
possédait l’ancêtre commun de ces trois espèces.
- L’absence de queue est un caractère ancestral commun aux 5 primates étudiés.
- la présence du sinus frontal n’existe pas chez le Gibbon mais existe chez les quatre autres primates.
Cette dernière innovation est donc antérieure à l’ancêtre commun à l’homme, au Gorille et au chimpanzé.
Le plus récent ancêtre commun de l’homme et du chimpanzé avait pour caractéristiques :
l’absence de queue, la présence du sinus frontal, la fusion des os du poignets.
Degré de parenté entre l’Orang-outan et les autres espèces de l’arbre :
L’Orang-Outan partage deux caractères dérivés (innovations présence du sinus et absence de queue) avec le groupe Homme,
Gorille, Chimpanzé. Il ne partage qu’une seule innovation (absence de queue) avec le Gibbon.
Donc degré de parenté plus étroit avec Homme, Gorille, Chimpanzé qu’avec le Gibbon.
Exercice II2 : On cherche à montrer que la découverte d’Orrorin et Toumaï conduit à rechercher l’existence d’un ancêtre commun à l’homme et au
chimpanzé au delà de –7Ma.
Document 1 : critères d’appartenance à la lignée humaine.
a)- tête en équilibre sur la colonne vertébrale en relation avec la position avancée du trou occipital.
- face plate ( alors qu’elle est prognathe chez le chimpanzé), absence de bourrelet sus-orbitaire
- Capacité cérébrale ( 1300 cm3 ) élevée ( alors qu’elle est réduite chez le chimpanzé (400 cm3))
b)-arc dentaire parabolique,
- canines réduites ( même hauteur que les autres dents), fortes incisives et absence de diastème
c) -col du fémur sans crête avec une paroi osseuse mince,
-col du fémur long, avec tête arrondie.
Connaissances : On admet que tout fossile qui possède l’un de ces caractères dérivés appartient à la lignée humaine.
Document 2 : Orrorin a) Le col du fémur est long et sa tête globuleuse comme comparable à celle de l’homme (doc.1),
b) la paroi, osseuse de col du fémur est amincie comme chez l’homme (doc.1),
Ces caractères indiquent que Orrorin devait être bipède. (ce caractère appartient à la lignée humaine ). Mais :
c) il possède des adaptations arboricoles, sa denture montre de fortes incisives et canines qui sont des caractères simiesques (de singes)
Document 3 : Toumaï : -face plate et petites canines = caractères humains
- les marques musculaires indiquent la bipédie ( par ces caractères appartient à la lignée humaine ).
- mais capacité cérébrale faible, crâne allongé, fort bourrelet sus-orbitaire =caractères simiesques (de singes).
Conclusions : Orrorin et Toumaï présentent des caractères dérivés propre à l’homme qui permettent de les placer dans la lignée humaine. Ces deux
fossiles étant datés de 6 et 7 Ma, l’ancêtre commun à l’homme et au chimpanzé est plus ancien et doit être recherché au delà de 7 Ma.