partie 4 : l`œil ch8 de l`œil au cerveau : quelques

PARTIE 4 : L’ŒIL CH8 DE L’ŒIL AU CERVEAU : QUELQUES ASPECTS DE LA VISION I. LE CRISTALLIN : UNE LENTILLE VIVANTE: Classe : 1ère S durée : ......................... la situation-problème Comment expliquer l’apparition d’anomalies de vision liées au cristallin. (cataracte et presbytie)? le(s) support(s) de travail Site de référence : Les SVT et moi, TP dissection œil , le(s) consigne(s) donnée(s) à l’élève Dissection de l’œil selon un protocole, observation des différents éléments de l’œil dont le cristallin. Déterminer le rôle du cristallin dans la grille de référence les domaines scientifiques de connaissances • Le vivant. Pratiquer une démarche scientifique ou technologique • Observer, rechercher et organiser les informations. • Réaliser, manipuler, mesurer, calculer, appliquer des consignes. • Raisonner, argumenter, démontrer. • Communiquer à l’aide de langages ou d’outils scientifiques ou technologiques.

les capacités à évaluer en situation 

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Savoir faire le lien entre la structure, la composition du cristallin et ses fonctions. Comparer l’évolution des caractéristiques du cristallin avec le temps (âge et environnement)

les indicateurs de réussite

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Le cristallin est une lentille vivante, constitué de cellules qui se multiplient. La transparence et la souplesse s’expliquent par la structure du cristallin et le renouvellement du contenu protéique de ses cellules. Avec l’âge, la transparence du cristallin peut être altérée (cataracte) Avec l’âge la souplesse du cristallin peut être altérée (presbytie)

dans le programme de la classe visée les connaissances Le cristallin est l’un des systèmes transparents de l’oeil humain. Il est formé de cellules vivantes qui renouvellent en permanence leur contenu. Les modalités de ce renouvellement sont indispensables à sa transparence. Des anomalies de forme du cristallin expliquent certains défauts de vision. Avec l’âge sa transparence et sa souplesse peuvent être altérées.

les capacités Recenser, extraire et organiser des informations et/ou manipuler (dissection, maquette et/ou recherche documentaire) pour : - localiser et comprendre l’organisation et le fonctionnement du cristallin ; - comprendre certains défauts de vision.

les aides ou "coup de pouce"  apport de savoir-faire :  mots clés Cristallin, Lentille vivante, Transparence, souplesse les réponses attendues voir bilan fin d’activité :

Activité 1 : TP Réaliser une coupe de l’œil de porc Observation micro d’une coupe de l’œil Selon le plan équatorial (Contact : fournisseur cuisine en boucherie (Duval 0233) Matériel : cuvettes de dissection gros ciseaux, scalpel maquette de l'œil (biologie en flash ou logiciel œil). Conjonctive

Compléter la légende du schéma Diaporama anatomie de l’œil + logiciel œil Donner la structure, l’aspect et la fonction de chaque élément. L'œil est constitué de 3 enveloppes. De l’extérieur vers l’intérieur, on distingue:  la sclérotique blanche et résistante. A l’avant, elle devient transparente: c’est la cornée.  La choroïde noire. A l’avant, elle donne naissance à l’iris coloré qui délimite une ouverture: la pupille.  La rétine est un tissu nerveux dont le prolongement forme le nerf optique. L'œil est composé de 4 milieux transparents: de l’extérieur vers l’intérieur, on distingue:  La cornée protégée par la conjonctive  L’humeur aqueuse, gélatineuse  Le cristallin, de forme biconvexe, peut se déformer sous l’action de muscles  L’humeur vitrée Ces milieux transparents rendent possible la formation d’une image sur la rétine.

Travail élève (en salle info ou à la maison): 1. légender une coupe de l’œil 2. tracer le trajet des rayons lumineux pour une image de la lettre A 3. donner le rôle du cristallin 4. se documenter sur une anomalie, la cataracte (symptômes, causes au niveau de l’organe, de la cellule, des molécules) 5. traitement Bilan : Les milieux transparents de l’œil (la cornée, l’humeur aqueuse, le cristallin et l’humeur vitrée) se laissent normalement traverser par la lumière. Ils assurent une convergence des rayons lumineux telle qu’une image inversée et nette se forme sur la rétine. Le cristallin est responsable du phénomène d’accommodation, c’est à dire qu’en se déformant, il permet la netteté de l’image rétinienne. Le cristallin est formé de cellules vivantes spécialisées qui naissent en périphérie et sont ensuite repoussées vers le centre. Au cours de leur évolution, elles perdent leur noyau et tous les autres organites. Le cytoplasme est rempli de protéines (les cristallines) à l’origine de la transparence et du pouvoir de réfraction du cristallin. Les cellules du cristallin ne sont ni innervées ni vascularisées : les métabolites (molécules nécessaires au métabolisme) sont apportées aux cellules par simple diffusion grâce aux aquaporines (transport de l’eau) et connexons (transport des molécules). Avec l’âge, le nombre de connexons diminue (donc l’eau s’accumule entre les cellules) et les cristallines normalement solubles se réunissent en agrégats : le cristallin devient opaque et la lumière ne passe plus : c’est la cataracte.

PARTIE 4 : L’ŒIL CH8 DE L’ŒIL AU CERVEAU : QUELQUES ASPECTS DE LA VISION II. LA RETINE, UNE MOSAÏQUE DE PHOTORECEPTEURS: Classe : 1ère S durée : ......................... la situation-problème Comment expliquer l’origine de la vision des couleurs? le(s) support(s) de travail Site de référence : Les SVT et moi, TP dissection œil , le(s) consigne(s) donnée(s) à l’élève Dissection de l’œil selon un protocole, observation des différents éléments de l’œil dont le cristallin. Déterminer le rôle du cristallin dans la grille de référence les domaines scientifiques de connaissances • Le vivant. Pratiquer une démarche scientifique ou technologique

les capacités à évaluer en situation

• Observer, rechercher et organiser les informations. • Réaliser, manipuler, mesurer, calculer, appliquer des consignes. • Raisonner, argumenter, démontrer. • Communiquer à l’aide de langages ou d’outils scientifiques ou technologiques.

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Identifier les rôles des photorécept eurs dans la vision. Faire le lien entre la composition pigmentaire de la rétine et le type de vision de l’individu

les indicateurs de réussite

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La rétine contient 2 types de cellules photoréceptrices (cônes et bâtonnets) Les photorécepteurs contiennent des pigments photosensibles (molécules protéiques) Les photorécepteurs, stimulés par la lumière, génèrent un message nerveux sensitif. Ce message nerveux est acheminé de la rétine au cerveau par le nerf optique. Les bâtonnets fonctionnent dès une faible intensité lumineuse. Chez l’Homme, il existe 3 types de cônes sensibles respectivement au bleu, au vert et au rouge qui fonctionnent uniquement à forte intensité lumineuse. Il existe 4 types de pigments photosensibles : o La rhodopsine présente dans les bâtonnets o 3 opsines différentes, une par type de cônes. Selon les espèces, la vision peut être mono, bi ou trichromatique en fonction du nombre d’opsines différentes présentes dans la rétine. Chez l’Homme, des anomalies des pigments rétiniens se traduisent par des perturbations de la vision des couleurs. (Ex : daltonisme)

dans le programme de la classe visée les connaissances La rétine est une structure complexe qui comprend les récepteurs sensoriels de la vision appelés photorécepteurs. Celle de l’Homme contient les cônes permettant la vision des couleurs (3 types de cônes respectivement sensibles au bleu, au vert et au rouge) et les bâtonnets sensibles à l’intensité lumineuse. Des anomalies des pigments rétiniens se traduisent par des perturbations de la vision des couleurs. Le message nerveux issu de l’oeil est acheminé au cerveau par le nerf optique.

les capacités Extraire et exploiter des informations (maquette, logiciel et/ou recherche documentaire et/ou observations microscopiques) pour : - comprendre l’organisation de la rétine ; - déterminer le rôle des photorécepteurs ; - comprendre l’organisation des voies visuelles ;

les aides ou "coup de pouce"  apport de savoir-faire :  mots clés Photorécepteurs (cônes, bâtonnets), Pigments rétiniens, Messages nerveux, Rétine, Nerf optique, Duplication, mutation les réponses attendues voir bilan fin d’activité :

Activité 1 : Structure de la rétine Possible travail maison sur la structure de la rétine. + docs p.351 1. Tracer sur les 2 documents le trajet de la lumière en noir et le trajet du message nerveux en rouge 2. Combien y-a-t-il des cellules différentes dans la rétine ? 3. Qu’est-ce qu’une cellule photo-réceptrice ? 4. Quelles sont les cellules photo-réceptrices de la rétine ? 5. Déterminer le rôle précis des cônes et des bâtonnets. 6. Explication du point aveugle.

Bilan : La rétine est la membrane interne de l’œil. Elle comporte les cellules sensorielles de la vision appelées photorécepteurs. Il en existe deux types : les bâtonnets et les cônes. Les bâtonnets, les plus nombreux en périphérie de la rétine, permettent une vision dans des conditions d’éclairement très faible mais avec une acuité médiocre et sans perception des couleurs. Les cônes sont plus abondants dans la partie centrale de la rétine, notamment la fovéa. Le fonctionnement des cônes exige une luminosité importante et permet la vision des couleurs avec une grande acuité. Il n’y a ni cônes ni bâtonnets au niveau de la zone d’émergence du nerf optique : c’est le point aveugle.

Activité 1 : Structure de la rétine Possible travail maison sur la structure de la rétine. + docs p.351 1. Tracer sur les 2 documents le trajet de la lumière en noir et le trajet du message nerveux en rouge 2. Combien y-a-t-il des cellules différentes dans la rétine ? 3. Qu’est-ce qu’une cellule photo-réceptrice ? 4. Quelles sont les cellules photo-réceptrices de la rétine ? 5. Déterminer le rôle précis des cônes et des bâtonnets. 6. Explication du point aveugle.

Activité 1 : Structure de la rétine Possible travail maison sur la structure de la rétine. + docs p.351 1. Tracer sur les 2 documents le trajet de la lumière en noir et le trajet du message nerveux en rouge 2. Combien y-a-t-il des cellules différentes dans la rétine ? 3. Qu’est-ce qu’une cellule photo-réceptrice ? 4. Quelles sont les cellules photo-réceptrices de la rétine ? 5. Déterminer le rôle précis des cônes et des bâtonnets. 6. Explication du point aveugle.

A l'aide du diaporama : rôle de la rétine + Animation flash : l'œil (les photorécepteurs) logiciel

Expérience de Mariotte

Au niveau de la périphérie Au niveau de la fovéa

La répartition des photorécepteurs est différente selon l’endroit :  Dans la rétine centrale, ou fovéa, il n’y a que des cônes. La densité des photorécepteurs est très importante.  Dans la rétine périphérique, il y a de moins en moins de cônes et de plus en plus de bâtonnets.  Au niveau du départ du nerf optique, ensemble des fibres nerveuses provenant des neurones ganglionnaires, il n’y a aucun photorécepteur : c’est le point aveugle.

Activité 2 : Les différents cônes et le daltonisme Travail élève : act. 4 page 352

Diaporama : fonctionnement des photorécepteurs

Types de photorécepteurs

Cellule à cône

Cellule à bâtonnet

Pigments photosensibles présents dans le segment externe : molécule contenant de l’opsine une protéine

3 types de cellules à cônes caractérisées chacun par un type de pigment (avec opsine S, M ou L)

1 seul type de pigment, différent de ceux des cellules à cône : la rhodopsine

Sensibilité

Réagit à une intensité lumineuse forte (de l’ordre de 103 lux = lumière du jour)

Réagit à une intensité lumineuse faible (de l’ordre de 1 lux = lumière de la nuit)

Type de vision

Perception des couleurs

Perception en nuances de gris

Rq : Les pigments comme toute molécule, n’absorbent qu’une partie du rayonnement lumineux et réfléchissent le reste. S maxi absorption dans le bleu, M maxi dans le vert, L maxi dans le rouge.

Bilan : Il existe 3 types de cônes qui diffèrent par leur pigment (protéine) appelé opsine (chaque cône n’en fabrique qu’une). Chaque opsine présente un maximum d’absorption respectivement dans le bleu, le vert ou le rouge : la vision des couleurs chez l’homme est trichromatique. C’est l’excitation relative des différents types de cônes qui permet de restituer les millions de nuances colorées auquel l’œil est sensible. Le daltonisme est une anomalie génétique due à la mutation d’au moins un des gènes codant pour les opsines des cônes.

PARTIE 4 : L’ŒIL CH8 DE L’ŒIL AU CERVEAU : QUELQUES ASPECTS DE LA VISION III. LES PHOTORECEPTEURS : UN PRODUIT DE L’EVOLUTION : Classe : 1ère S durée : ......................... la situation-problème Comment expliquer l’origine génétique des différents pigments rétiniens au cours de l’évolution ? le(s) support(s) de travail Site de référence : Les SVT et moi, TP dissection œil , le(s) consigne(s) donnée(s) à l’élève Dissection de l’œil selon un protocole, observation des différents éléments de l’œil dont le cristallin. Déterminer le rôle du cristallin dans la grille de référence les domaines scientifiques de connaissances • Le vivant. Pratiquer une démarche scientifique ou technologique • Observer, rechercher et organiser les informations. • Réaliser, manipuler, mesurer, calculer, appliquer des consignes. • Raisonner, argumenter, démontrer. • Communiquer à l’aide de langages ou d’outils scientifiques ou technologiques.

les capacités à évaluer en situation 

Exploiter des données moléculaires pour construire des relations phylogénétiques chez les primates

dans le programme de la classe visée les connaissances Les gènes des pigments rétiniens constituent une famille multigénique (issue de duplications) dont l’étude permet de placer l’Homme parmi les Primates.

les indicateurs de réussite

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Les gènes des pigments rétiniens constituent une famille multigénique et sont issus de duplications d’un gène ancestral suivies de mutations. L’étude des gènes des pigments rétiniens permet de placer l’Homme parmi les Primates.

les capacités Extraire et exploiter des informations (maquette, logiciel et/ou recherche documentaire et/ou observations microscopiques) pour : - faire le lien entre la vision des couleurs et l’évolution.

les aides ou "coup de pouce"  apport de savoir-faire :  mots clés Famille multigénique, Primates les réponses attendues voir bilan fin d’activité :

TP : les opsines, exemple de famille multigénique Objectif : Expliquer l’origine génétique des différents pigments rétiniens au cours de l’évolution ? Les individus d’une même espèce se distinguent les uns des autres par un ensemble de caractères, que l’on peut définir à différentes échelles (de l’organisme à la molécule) et qui constituent leur phénotype : on dit qu’il existe un polymorphisme phénotypique au sein de l’espèce. Le phénotype dépend en grande partie de protéines (de structure ou enzymatiques) qui résultent elles-mêmes de l’expression de gènes. Les mutations sont sources de diversité génétique et donc à l’origine du polymorphisme phénotypique. A. Exemple de la famille multigénique des opsines. La vision des couleurs chez l’Homme est liée à la présence de trois types de cellules photo réceptrices, synthétisant chacune un type de pigment de nature protéique, nommé opsine. Chaque opsine absorbe dans une partie spécifique de spectre de la lumière blanche, dans le bleu ou dans le vert ou dans le rouge ; les trois gènes codant ces opsines sont notés respectivement gène S (Bleu) localisé sur le chromosome 7, gène M (Vert) et gène L (Rouge) sur le chromosome X. 1. Comparaison entre elles les séquences nucléotidiques et protéiques (composition en acides aminés) des pigments rétiniens à l’aide du logiciel Anagène (ouvrir les fichiers ops_Homme.adn.edi et ops_Homme.pro.edi) afin d’établir un tableau comparatif des similitudes entre les molécules de pigments rétiniens.

Paire de chromosomes 3

Paire de chromosomes 7

Paire de chromosomes X

Doc. : Comparaison d’une portion de la séquence des gènes codant l’opsine S, L et M chez l’homme. Les séquences sont comparées à celle du gène de l’opsine S (tiret : nucléotides identiques)

Doc. : Pourcentage de similitudes entre les séquences des gènes codant les opsines des cônes, ou matrice donnant les pourcentages de ressemblances. Doc. : tableau des différences

L M S

L 0 2.3 42.9

M

S

0 42.4

0

Ces différences sont le résultat de mutations, se produisant à un rythme homogène au cours du temps. Doc.1 : Différents mécanismes à l’origine d’une famille multigénique Au-delà de 20 % de similitudes on considère que les ressemblances entre molécules ne peuvent être le fruit du hasard et indique une origine commune pour les molécules. On considère que les différences observées entre des molécules homologues sont dues à l’accumulation de mutations au cours du temps à un rythme homogène : c’est la notion d’horloge moléculaire. Cela signifie que les gènes qui codent pour ces molécules dérivent d’un gène ancestral commun. En effet un gène peut être accidentellement copié et se retrouver présent dans le génome en deux exemplaires, sur un même chromosome ou non : c’est la duplication. Par la suite des mutations ponctuelles se produisent et rendent différents les duplicatas initialement identiques. Plus la duplication est ancienne plus les deux gènes qui en résultent sont différents. De tels gènes peuvent produire des protéines remplissant des fonctions différentes et forment une famille multigénique.

2. Expliquer pourquoi considère-t-on que les gènes des opsines codant pour les pigments rétiniens ont une origine commune. Un processus participe : la duplication. La duplication permet de copier un gène et d’augmenter ainsi le nombre de gènes dans un génome et constitue ce que l’on appelle une famille multigénique. La comparaison des séquences nucléotidiques des gènes des opsines montre de grandes ressemblances, supérieures à 20 %, cela ne peut être dû au hasard. Ces ressemblances constituent un argument en faveur d’une origine commune de ces 3 gènes. Ces gènes sont issus de la duplication successive d’un gène ancestral suivie de la transposition des copies ou duplicatas de gènes sur le même chromosome ou un chromosome différent (2 duplications ont été nécessaires) Les séquences nucléotidiques entre les différentes opsines présentent des différences :  2,3 % entre le gène de l’opsine rouge et verte  aux alentours de 42 % entre le gène de l’opsine bleue et les deux autres gènes de l’opsine Les différences de séquences s’expliquent par des mutations indépendantes ayant touchés les gènes de opsines après les duplications. Les duplications sont d’autant plus récentes qu’il y a moins de mutations, c'est-à-dire moins de différences entre les séquences. Nous pouvons donc en déduire que la duplication à l’origine des gènes R et V des opsines est plus récente que celle qui est à l’origine des gènes bleu et rouge-vert. 3. Présenter sous forme de schéma les mécanismes aboutissant à la formation de cette famille multigénique.

B. Etablir des relations de parenté au sein du groupe des Primates, notamment la place de l’Homme en comparant la séquence du gène de l’opsine chez différentes espèces Doc.2 : Simulation de la perception d’une même image par deux primates et absorption des rayons lumineux par leurs cônes rétiniens. La vision du saïmiri est qualifiée de dichromate. Dans leur très grande majorité, les mammifères sont dichromates (en abscisses : longueur d’ondes en nanomètres.)

Doc.3 : localisation des gènes codant les opsines chez les primates. Les primates de l’Ancien monde occupent une grande partie de l’Afrique et de l’Asie. Les primates du Nouveau monde vivent en Amérique du Sud et en Amérique centrale. Il existe trois allèles Doc.4 : principe de phylogénie : moins il y a de différences entre les séquences d’un même gène (et donc d’une même protéine) chez deux espèces différentes, plus leur dernier ancêtre commun est récent, et plus le lien de parenté entre elles est étroit.

Application TP : comparaison de la séquence d’acides aminés de l’opsine S chez 8 espèces de primates. Logiciel SVTbiologie Anagène 2Fichier Banque de séquences Terminale S Parenté entre les êtres vivants actuels et fossiles Relation de parenté entre les êtres vivantsAu sein des primatesGène de l’opsine S. Sélectionner les 8 séquences à droite, OK. Les séquences de la protéine Opsine bleue vous sont données pour les 8 primates (Mammifères à ongles et pouces opposables au niveau de la main). Trois lettres désignent un acide aminé (a.a). L’homme étant en haut de la liste, il est pour l’instant pris en référence.  Sélectionner les 8 séquences en cliquant sur les carrés à gauche.  Traiter, comparer les séquences, comparaison avec discontinuités, OK.  Un tiret indique que l’a.a est le même que dans la séquence de référence. 4. Construire une matrice des distances c’est à dire un tableau à double entrée dans lequel vous reporterez les pourcentages de ressemblance entre 2 espèces pour l’opsine bleue. Pour cela, sélectionnez opsine bleue Bonobo dans le tableau comparaison  cliquez sur i dans la barre des menus  reportez la valeur dans votre tableau. Faire le même travail pour les autres espèces puis modifiez l’espèce « référente ». Pour cela, sélectionnez une nouvelle espèce dans le tableau comparaison et déplacez-la avec les flèches rouges pour la positionner en premier.

Tableau des similitudes

Homme Bonobo

Homme Bonobo Chimpanzé Gorille Macaque Alouate Saïmiri Cebus 100 100 100 99.7 96 92.3 91.7 92.5 100

Chimpanzé

100

99.7

96

92.3

91.7

92.5

100

99.7

96

92.3

91.7

92.5

100

95.7

92

91.4

92.2

100

92.3

92.2

92.5

100

97.1

97.7

100

96

Gorille Macaque Alouate Saïmiri Cebus

100

Ou Tableau des différences :

Homme Bonobo Chimpanzé Gorille

Homme Bonobo Chimpanzé Gorille Macaque Alouate Saïmiri Cebus 0 0 0 0.3 4 7.7 8.3 7.5 0

0

0.3

4

7.7

8.3

7.5

0

0.3

4

7.7

8.3

7.5

0

4.3

8

8.6

7.8

0

7.7

7.8

7.5

0

2.9

2.3

0

4

Macaque Alouate Saïmiri Cebus

0

Doc.6 : comparaison de la séquence d’acides aminés de l’opsine S chez 8 espèces de primates. Chaque case indique le nombre de différences entre les séquences prises deux à deux. Comparer la séquence d’une même protéine chez plusieurs espèces renseigne sur le lien de parenté entre elles. En effet, ces protéines sont codées par un gène qui dérive d’un gène ancestral présent chez l’ancêtre commun à ces différentes espèces. Chez chacune de ces espèces, le gène a accumulé des mutations au cours des générations. En conséquence, principe de phylogénie : moins il y a de différences entre les séquences d’un même gène (et donc d’une même protéine) chez deux espèces différentes, plus leur dernier ancêtre commun est récent, et plus le lien de parenté entre elles est étroit.

5. Quelle(s) est (sont) la ou les espèce(s) - les plus proches de l’homme Bonobo et chimpanzé - les plus éloignées de l’homme : Cebus, alouate et saïmiri Justifiez vos réponses : liés aux % 6. A l’aide du tableau, positionnez les espèces dans l’arbre phylogénique (à droite) L’étude des gènes des pigments rétiniens confirme l’appartenance de l’homme au groupe des primates et permet de le situer plus précisément au sein de ce groupe. Les similitudes de séquences les plus importantes sont celles observées entre la séquence nucléotidique de l'opsine S de l'Homme et celle du Chimpanzé. Ceci étaye l'idée que les plus proches parents de l'Homme, dans la nature actuelle, sont le Chimpanzé et le Bonobo.

Bilan : Etude d’un même gène présent chez différentes espèces : le pourcentage de ressemblance renseigne sur la proximité des espèces : on fait de la phylogénie Les scientifiques considèrent qu’une similitude supérieure à 20% entre deux gènes (ou protéines) ne peut être due au hasard et indique une origine commune pour les molécules : ces gènes forment une famille multigénique. Un gène ancestral a été dupliqué puis transposé sur le même chromosome ou sur un autre. Au début, ces 2 gènes codent pour la même protéine mais petit à petit, chaque copie subit des mutations ponctuelles différentes qui font que les protéines deviennent différentes. Etude à l’intérieur de la même espèce de gènes différents mais présentant au moins 20% de similitude : c’est une famille multigénique, on étudie l’histoire du gène dans l’espèce.