Énergie, Environnement, Microbiologie et Immunité

Un champ de blé intercepte la lumière solaire, fixe le carbone, alimente une chaîne alimentaire — et perd de l'énergie à chaque étape. Cette unité suit l'énergie du photon à l'écosystème, puis se concentre sur les participants les plus petits : les microbes qui recyclent, les pathogènes qui prélèvent, et le système immunitaire qui défend. WBI14 est également l'examen le plus calculé après Unité 1 : attendez-vous aux NPP, constantes de croissance, indices de diversité et arithmétiques de l'heure du décès.

WBI14 Énergie, Environnement, Microbiologie et Immunité est la première unité IA2 : 1 heure 30 minutes, 90 points, toutes obligatoires. Il évalue le Sujet 5 (Flux d'énergie, Écosystèmes et Environnement) et le Sujet 6 (Microbiologie, Immunité et Sciences Criminelles).

La réaction globale : $6\mathrm{CO_2} + 6\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\mathrm{O_2}$, entraînée par l'énergie lumineuse. Dans les membranes thylakoïdiennes, les réactions dépendantes de la lumière photolyse l'eau (libérant O₂ et H⁺), photophosphorylent l'ADP et réduisent le NADP. Dans le stroma, les réactions indépendantes de la lumière (cycle de Calvin) fixent le dioxyde de carbone sur le ribulose bisphosphate avec la rubisco, réduisent les produits en utilisant l'ATP et le NADP réduit de l'étape un, et produisent GALP — certains vers le glucose, la plupart pour régénérer RuBP.

La structure correspond à la fonction : thylakoïdes empilés pour absorber la surface ; stroma rempli d'enzymes pour le cycle.

Pigments et spectres

La chlorophylle a et b absorbent la lumière rouge et bleue ; les caroténoïdes élargissent la gamme et protègent. Le spectre d'absorption montre ce que chaque pigment capte ; le spectre d'action montre quel taux de photosynthèse chaque longueur d'onde provoque — leur accord est la preuve que ces pigments effectuent le travail. La chromatographie sépare les pigments selon leur solubilité ; $\mathrm{Rf} = \text{distance moved by pigment} / \text{distance moved by solvent}$.

Facteurs limitants : intensité lumineuse, concentration de CO₂, température. Une serre élève le plus faible des trois — et les réponses d'examen précisent lequel et pourquoi.

Productivité primaire brute (PPB) est l'énergie fixée par la photosynthèse par unité de surface et par temps (kJ m⁻² yr⁻¹). Les plantes en dépensent une grande partie dans leur propre respiration ; ce qui reste constitue la productivité primaire nette :

Seulement environ 10 % de l'énergie à chaque niveau trophique passe vers le haut — perdue par respiration sous forme de chaleur, égestion, excrétion et parties jamais mangées. C'est pourquoi les chaînes dépassent rarement quatre ou cinq niveaux et pourquoi les prédateurs supérieurs sont rares.

Exemple corrigé. Un prairie fixe 45 000 kJ m⁻² an⁻¹ et respire 19 000. PPN $= 26\,000$ kJ m⁻² an⁻¹. Les bovins mangeant cette herbe conservent environ 10 % : 2 600 kJ m⁻² an⁻¹. Les humains mangeant les bovins conservent 260 — l'arithmétique énergétique derrière « manger plus bas dans la chaîne nourrit plus de gens ».

Quatre définitions, précisément : habitat (où), population (individus d'une seule espèce), communauté (toutes les populations), écosystème (communauté + environnement). Les facteurs abiotiques (lumière, eau, température, pH) et biotiques (compétition, prédation, maladie) déterminent qui vit où et en quelle abondance — ensemble, la niche écologique.

Le cycle prédateur-proie présente un décalage : les lièvres augmentent, les lynx suivent, les lièvres diminuent, les lynx meurent de faim — un retard d'environ un quart de cycle.

La succession commence lorsque les espèces pionnières colonisent le sol nu ; chaque étape modifie le sol et le microclimat, permettant à la suivante, jusqu'à ce que la communauté climax se stabilise. La mesure de l'abondance utilise des quadrats et des transects (échantillonnage aléatoire pour les estimations, systématique le long d'un gradient) et la méthode capture-marquage-recapture pour les animaux ($N \approx \text{first catch} \times \text{second catch} / \text{marked recaptures}$).

Les preuves proviennent de relevés directs de température, de carottes de glace (air piégé donnant d'anciens CO₂), des cernes des arbres (dendrochronologie) et des couches de pollen dans la tourbe. L'effet de serre renforcé : le rayonnement infrarouge sortant est absorbé par le CO₂, le méthane et le protoxyde d'azote, puis réémis vers le bas. Les gaz diffèrent — le méthane est puissant mais de courte durée ; le CO₂ dure des siècles ; le protoxyde d'azote combine les deux — donc la politique évalue le potentiel de réchauffement global par rapport à la durée de vie.

Extrapoler une tendance au-delà de ses données est un jugement, pas un fait : indiquer l'hypothèse (la tendance se poursuit) et sa faiblesse. Effets déjà examinés : modification des précipitations et des aires de répartition des espèces, et — en lien direct avec ce cours — l'effet de la température sur les taux enzymatiques chez les organismes à sang froid et les écosystèmes entiers.

Vérification corrigée. Le potentiel de réchauffement du méthane est d'environ 28× celui du CO₂ par kg, mais il ne dure ~12 ans contre des siècles. Une fuite d'une tonne de méthane a un impact 28× supérieur à celui d'une tonne de CO₂ cette décennie, mais s'estompe alors que le CO₂ persiste — l'arithmétique du « potentiel de réchauffement vs charge cumulative ».

L'évolution est un changement de fréquence allélique. Elle nécessite une variation (mutation, méiose) et un filtre : la sélection directionnelle déplace la moyenne lorsque l'environnement change ; la sélection stabilisatrice réduit les extrêmes dans un environnement stable. La dérive génétique modifie les fréquences par hasard dans les petites populations ; le flux génique (migration) les mélange à nouveau.

La spéciation nécessite une isolation : allopatrique (une barrière physique — allopatric = terre différente) ou sympatrique (isolement reproductif au même endroit — comportemental, temporel ou génétique). Les populations isolées divergent jusqu'à ce qu'elles ne puissent plus se reproduire entre elles.

La technique aseptique protège vous et la culture : incinérer la boucle à rouge, incinérer le col des fioles, soulever brièvement les couvercles, sceller les boîtes de Petri avec du ruban adhésif, incuber à 25 °C (jamais à la température corporelle, afin que les pathogènes humains ne se multiplient pas). Mesurer la croissance par dénombrement direct de cellules (hématocytomètre), turbidité dans le milieu liquide, ou comptage viable par dilution sur gélose (colonies comptées × facteur de dilution).

La courbe de croissance : lag (synthèse d'enzymes), log (doublement exponentiel), stationnaire (morts = divisions), mort. La constante exponentielle :

Vérification corrigée. De $2\times10^4$ à $1.6\times10^7$ cellules en 5 heures : différence logarithmique $= 2.903$ ; $k = 2.903/(0.301\times5) = 1.93$ générations par heure — une période de doublement d'environ 31 minutes.

Bactéries : paroi cellulaire, plasmides, ribosomes, ADN circulaire, certaines avec capsule et flagelle. Virus : acide nucléique (ADN ou ARN) dans une capside, certains avec enveloppe — pas d'organites, pas de métabolisme propre ; ils détournent les cellules hôtes. Mycobacterium tuberculosis infecte les poumons, survivant à l'intérieur des macrophages ; VIH détruit les lymphocytes T auxiliaires, provoquant l'effondrement du système immunitaire et la réactivation de la tuberculose — la maladie définissant le sida.

Les barrières arrivent en premier : peau, muqueuses et cils, acide gastrique, lysozyme dans les larmes, et cascade de coagulation scellant les plaies.

Non spécifique : inflammation (vasodilatation et fuite de fluide apportant des phagocytes), phagocytose, interféron. Spécifique — déclenchée par des antigènes :

• Humorale : cellules B effectrices → plasmocytes → anticorps ; lymphocytes B mémoire persistent pour une réponse secondaire plus rapide et plus forte.
• Cellulaire : lymphocytes T auxiliaires coordonnent, lymphocytes T tueurs détruisent les cellules infectées, lymphocytes T mémoire persistent.

Un anticorps est constitué de quatre chaînes polypeptidiques (deux lourdes, deux légères) avec une région variable formant un site de liaison spécifique — la forme qui s'adapte à un antigène. L'immunité se divise en deux voies : active (vos propres anticorps — infection naturelle ou vaccination) contre passive (anticorps administrés — mère à enfant, antisérum) ; naturel contre artificiel dans chaque cas. La vaccination fonctionne également à l'échelle des populations (immunité collective) — mais les pathogènes évoluent en retour : la course évolutionnaire.

Vérification worked. Une seconde dose de vaccin produit des taux d'anticorps dix fois supérieurs à ceux de la première et ce, en quelques jours plutôt qu'en semaines : la sélection clonale identifie les lymphocytes B mémoires, qui se divisent rapidement en plasmocytes — la réponse secondaire que la réponse primaire a préparée.

Les antibiotiques bactériostatiques arrêtent la croissance bactérienne ; les bactéricides les tuent. La résistance survient par mutation et se propage par sélection dès lors que l'exposition élimine les sensibles et épargne les résistants — terminer un traitement et éviter une utilisation inutile ralentissent tous deux ce processus. Les infections nosocomiales prospèrent là où patients vulnérables, dispositifs invasifs et souches résistantes se rencontrent ; l'hygiène des mains, les procédures stériles et l'isolement des porteurs rompent la chaîne de transmission.

Les décomposeurs recyclent le carbone et l'azote — le système d'élimination des déchets de l'écosystème. La réaction en chaîne par polymérase alterne dénaturation (95 °C), appariement des amorces (50–60 °C) et extension (72 °C), doublant l'ADN cible à chaque cycle : $n$ cycles produisent $2^n$ copies. L'électrophorèse sur gel fait migrer les fragments d'ADN chargés négativement à travers le gel — les plus courts migrent le plus loin. Le profil des positions des bandes permet d'identifier les individus (assez de locus diffèrent entre personnes non apparentées) et de mesurer les liens de parenté (bandes partagées).

L'heure du décès est estimée grâce à quatre indicateurs : température corporelle (baisse ~1 °C par heure, modifiée par la taille, les vêtements, l'air), rigidité cadavérique (s'installe puis disparaît), degré de décomposition et succession insecte sur le corps — l'arrivée de chaque stade marque temporellement l'intervalle.

Vérification worked. Un corps trouvé à une température centrale de 22 °C dans une pièce à 15 °C : $(37-22)/(1\ ^\circ\text{C per hour}) \approx 15$ heures — mais énoncer les hypothèses (air immobile, morphologie moyenne) avant de faire confiance au résultat.

1. Nommer les produits des réactions dépendantes de la lumière utilisés par le cycle de Calvin.
2. Une culture fixe 60 000 kJ m⁻² yr⁻¹ et les respirateurs 20 000. Calculer la PMB et l'énergie atteignant un troisième niveau trophique à 10 % de transfert à chaque étape.
3. Expliquer pourquoi le spectre d'action constitue une preuve que la chlorophylle assure la photosynthèse.
4. Distinguer la sélection directionnelle et stabilisatrice en donnant un exemple pour chacune.
5. Donner deux raisons pour lesquelles une chaîne alimentaire dépasse rarement cinq niveaux trophiques.
6. Une culture croît de $5\times10^3$ à $4\times10^6$ en 6 heures. Calculer k et le temps de doublement.
7. Expliquer pourquoi une seconde dose de vaccin augmente le titre d'anticorps bien plus vite que la première.
8. Énoncer la différence entre bactériostatique et bactéricide, et expliquer pourquoi cette distinction est importante pour un patient dont le système immunitaire est affaibli.
9. Trois cycles de PCR à partir d'une seule matrice double brin : combien de copies ?
10. La température centrale d'un corps est de 30 °C. Estimer le temps écoulé depuis le décès selon les paramètres standards et nommer un facteur qui allongerait l'intervalle réel.

Réponses : 1 ATP et NADP réduit ; 2 PMB $= 40\,000$ ; niveau trois $= 400\,\text{kJ m}^{-2}\text{yr}^{-1}$ (10 % de 4 000) ; 3 les longueurs d'onde absorbées le mieux par la chlorophylle sont celles qui favorisent le mieux la photosynthèse ; 4 directionnelle — résistance aux antibiotiques décalant la moyenne ; stabilisatrice — poids de naissance humain ; 5 énergie perdue à chaque étape par respiration/chaleur/égestion, donc peu reste ; les producteurs perdent aussi par respiration avant le premier transfert ; 6 log différence 2.903, $k = 2.903/(0.301\times6) = 1.61$ h⁻¹, doublement ≈ 37 min ; 7 lymphocytes B mémoires persistent ; la deuxième exposition sélectionne des clones qui se divisent rapidement en plasmocytes — la réponse secondaire ; 8 bactériostatique arrête la croissance (le système immunitaire doit éliminer), bactéricide tue directement — un système immunitaire faible nécessite un soutien bactéricide ; 9 $2^3 = 8$ copies ; 10 $(37-30)/1 = 7$ heures ; vêtements épais ou pièce chaude ralentissent le refroidissement, donc le temps réel est plus long.