Conquêtes : science et technologie : 1er cycle, 1 re secondaire Cahier d’apprentissage [1-1, 2e édition. ed.] 9782765052166, 2765052166, 9782765052173, 2765052174, 9782765052272, 2765052271, 9782765052418, 2765052417, 9782765052807, 2765052808, 9782765052814, 2765052816

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SCIENCE ET TECHNOLOGIE

CA HIER D’APPREN TISSAGE

1er cycle, 1re secondaire

2e ÉDITION

Savoirs et activités INÉS ESCRIVÁ

JAC YNT HE GAGNON

JEAN-SÉBA STIEN RICHER

Conforme à la PROGRESSION des apprentissages

LA DÉMARCHE EXPÉRIMENTALE Voici les quatre étapes de la démarche expérimentale. On recourt à cette démarche lorsqu’on a un problème d’ordre scientique à résoudre.

Cerner le problème. a) b) c) d)

Décrire le problème à résoudre dans ses mots. Formuler le but à atteindre. Formuler les questions auxquelles l’investigation devra répondre. Si possible, avancer une explication du problème ou tenter une prédiction (hypothèse) liée aux questions.

Choisir un scénario d’investigation scientique. a) Envisager divers scénarios pouvant aider à résoudre le problème et choisir le plus approprié. b) Préciser les variables à observer et à mesurer. c) Dresser la liste du matériel à utiliser et illustrer le montage au besoin. d) Fixer les étapes du protocole à suivre. Ce dernier doit indiquer clairement toutes les étapes à suivre, et celles-ci doivent être numérotées. Le protocole doit utiliser tous les éléments gurant dans la liste du matériel et tenir compte des consignes de sécurité à respecter au laboratoire.

Concrétiser sa démarche. a) Effectuer l’expérience de façon sécuritaire. b) Recueillir les données et noter les observations qui peuvent être utiles. Les ordonner à l’aide de tableaux ou de diagrammes.

Analyser les résultats. a) Analyser les résultats an de répondre à la ou aux questions posées au départ. b) Tirer des conclusions des résultats et apporter des explications. Établir des relations avec la prédiction, s’il y a lieu. c) Proposer des moyens d’améliorer l’expérience, formuler un nouveau problème qui découle des résultats, etc.

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SCIENCE ET TECHNOLOGIE

CA HIER D’APPREN TISSAGE Savoirs et activités INÉS ESCRIVÁ

JAC YNT HE GAGNON

JEAN-SÉBA STIEN RICHER

1er cycle, 1re secondaire

2e ÉDITION

Conquêtes, 2e édition Science et technologie, 1er cycle, 1re secondaire Cahier d’apprentissage

Inés Escrivá, Jacynthe Gagnon, Jean-Sébastien Richer © 2016 TC Média Livres Inc. © 2011 Chenelière Éducation inc. Édition (2e édition) : Murielle Belley Édition (1re édition) : Christiane Odeh, Murielle Belley Coordination (2e édition) : Samuel Rosa Coordination (1re édition) : Samuel Rosa, Caroline Vial Révision linguistique : Samuel Rosa Correction d’épreuves : Laurène Phelip Conception graphique : Gisèle H Couverture : Gisèle H Recherche iconographique : Marie-Chantal Laforge, Patrick Saint-Hilaire Impression : TC Imprimeries Transcontinental

TOUS DROITS RÉSERVÉS. Toute reproduction du présent ouvrage, en totalité ou en partie, par tous les moyens présentement connus ou à être découverts, est interdite sans l’autorisation préalable de TC Média Livres Inc. Toute utilisation non expressément autorisée constitue une contrefaçon pouvant donner lieu à une poursuite en justice contre l’individu ou l’établissement qui effectue la reproduction non autorisée. ISBN 978-2-7650-5216-6

Dépôt légal : 1er trimestre 2016 Bibliothèque et Archives nationales du Québec Bibliothèque et Archives Canada Imprimé au Canada 3

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ITIB 22

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19 18

Remerciements Pour leur précieux travail de consultation, l’Éditeur tient à remercier : Sylvie Blanchet, C.S. Cœur-des-Vallées ; Marc-André Durand, École Champagnat ; Gilles Gagné, C.S. Marguerite-Bourgeoys ; Véronique Leduc, C.S. des Laurentides ; Chirine Mehri, Collège Français de Longueuil ; France Orichefsky, Collège Jean-de-la-Mennais ; Marika Patoto, C.S. des Trois-Lacs ; Manuel Vézina, C.S. des Laurentides. Pour leur travail de révision scientifique réalisé avec rigueur et expertise, l’Éditeur tient à remercier : Michel Caillier, professeur titulaire, Université Laval ; Marco Festa-Bianchet, professeur titulaire, Université de Sherbrooke ; Denis Fyfe, consultant ; Jeffrey Keillor, Professeur, Université d’Ottawa ; Robert Lamontagne, astrophysicien, Université de Montréal.

TAB LE DES M AT IÈRES L’UNIVERS VIVANT .............................

1

CHAPITRE 1 La diversité de la vie...................................... 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

L’espèce ........................................................ La taxonomie .............................................. La population.............................................. L’habitat ....................................................... La niche écologique .................................. Les adaptations physiques et comportementales................................ 1.7 L’évolution ...................................................

L’UNIVERS MATÉRIEL ......................

91

CHAPITRE 3 2

La matière .......................................................... 92

3 8 13 18 24

3.1 La matière et ses trois états ..................... 93 3.2 La masse ...................................................... 102 OUTIL 2 Mesurer la masse ......................... 104

30 40

3.3 Le volume .................................................... 109 OUTIL 3 Utiliser un cylindre gradué ......... 113 3.4 La température ........................................... 118 Pour faire le point ............................................... 125

Pour faire le point ............................................... 48

CHAPITRE 4 CHAPITRE 2 La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie ........................... 53 2.1 Les caractéristiques du vivant ................ 54 2.2 Les cellules et leurs constituants cellulaires visibles au microscope .......... 59 OUTIL 1 Utiliser un microscope optique ........................................................ 63

Les propriétés caractéristiques de la matière ..................................................... 127 4.1 Les propriétés caractéristiques............... 128 4.2 Une propriété caractéristique : l’acidité et la basicité ................................. 141 Pour faire le point ............................................... 146

Pour faire le point ............................................... 68 2.3 La reproduction asexuée et la reproduction sexuée......................... 68 2.4 Les modes de reproduction chez les végétaux ....................................... 71 2.5 Les modes de reproduction chez les animaux ........................................ 81 Pour faire le point ............................................... 88

III

LA TERRE ET L’ESPACE................... 149

L’UNIVERS TECHNOLOGIQUE...... 229

CHAPITRE 5

CHAPITRE 7

La Terre ............................................................... 150

Les forces et les mouvements .................. 230

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7

7.1 Les types de mouvements ....................... 231 7.2 Les effets d’une force ................................ 237 7.3 Des fonctions mécaniques élémentaires : les liaisons et les guidages ............................................ 243

La structure de la Terre ............................. 151 Les plaques tectoniques ........................... 157 L’orogénèse ................................................. 163 Les tremblements de terre ....................... 167 Les volcans .................................................. 171 L’érosion ....................................................... 175 Le relief ........................................................ 179

Pour faire le point ............................................... 183

CHAPITRE 8

5.8 L’hydrosphère ............................................. 186 5.9 Le cycle de l’eau ......................................... 190 5.10 L’atmosphère .............................................. 195

L’ingénierie ........................................................ 255

Pour faire le point ............................................... 202

CHAPITRE 6 Des phénomènes astronomiques ................................................ 203 6.1 6.2 6.3 6.4

Les propriétés de la lumière..................... 204 Le jour, la nuit et les saisons .................... 210 Les phases de la Lune ............................... 216 Les éclipses ................................................. 221

Pour faire le point ............................................... 227

IV

Pour faire le point ............................................... 249

8.1 Les matières premières, les matériaux et le matériel...................... 256 8.2 Le cahier des charges ................................ 264 8.3 Le schéma de principe .............................. 271 OUTIL 4 Utiliser les symboles normalisés ................................................... 273 8.4 Le schéma de construction ...................... 277 Pour faire le point ............................................... 284 Index ...................................................................... 292 Liste des rubriques Flash ................................... 295 Sources des photos ............................................ 296

L’ORG ANISAT ION DU CA HIER Le début d’une partie

Le cahier est divisé en quatre parties : l’univers vivant, l’univers matériel, la Terre et l’espace et l’univers technologique.

Un sommaire présente les deux chapitres de l’univers étudié.

Le début d’un chapitre

Un sommaire présente les sections du chapitre. Un texte d’introduction annonce le contenu du chapitre.

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L’organisation du cahier

V

Le contenu d’un chapitre

Un chapitre est divisé en plusieurs sections.

Chaque section porte sur un concept à l’étude.

Les dénitions des concepts sont mises en évidence. La rubrique Flash apporte de l’information complémentaire. Un pictogramme indique que des activités interactives sont offertes sur la plateforme i+ Interactif de Chenelière Éducation.

La rubrique Outil présente des techniques et des stratégies utiles en science et technologie.

VI

L’organisation du cahier

Les activités sont constituées d’exercices et de problèmes nombreux et variés qui portent sur les notions abordées dans la section. Les activités Pour faire le point permettent d’établir des liens entre des concepts vus dans les sections qui précèdent.

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SOMMAIRE

Chapitre 1 La diversité de la vie  2 Chapitre 2 La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie  53

L’UNIVERS VIVANT

1

Environ 3,8 milliards d’années après l’apparition de la première forme de vie, on estime que des millions d’espèces ont vécu sur Terre. Parmi ces espèces, plusieurs sont aujourd’hui éteintes. D’autres, au contraire, ont évolué et ont contribué à l’apparition de nouvelles espèces. Aujourd’hui, la diversité de la vie est étonnante. Il est cependant difcile d’établir le nombre d’espèces vivant présentement sur Terre : les estimations vont de 5 millions… à 30 millions d’espèces ! Sur ce nombre, seulement un million et demi ont été identiées jusqu’à maintenant. Connaissez-vous des espèces qui sont aujourd’hui disparues ou qui sont en voie de disparition ?

2

SOMMAIRE

CHAPITRE

IE V A L E D É IT S R E IV D LA 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

L’espèce ............................................................................. 3 La taxonomie .............................................................. 8 La population ......................................................... 13 L’habitat........................................................................ 18 La niche écologique ........................................ 24 Les adaptations physiques et comportementales ........................................... 30 L’évolution.................................................................. 40

Pour faire le point ........................................................... 48

1.1 L’espèce

1

les individus possèdent des caractères physiques semblables;

2

ils peuvent se reproduire entre eux et avoir des descendants viables;

3

leurs descendants doivent être féconds.

L’UNIVERS VIVANT 1.1

La diversité des êtres vivants est impressionnante. An de mieux comprendre le monde vivant, les scientifiques ont classé ces êtres dans des catégories appelées « espèces ». Trois critères permettent de déterminer si deux êtres vivants appartiennent à la même espèce :

LE PREMIER CRITÈRE

1 Le lynx roux (photo du haut) ressemble au lynx

du Canada (photo du bas), mais ces deux individus appartiennent à des espèces différentes.

FIGURE

Il arrive aussi que deux individus appartiennent à la même espèce, mais qu’ils ne se ressemblent pas. C’est le cas des papillons mâle et femelle Bombyx disparate (voir la gure 2). Ils sont si diérents qu’ils semblent appartenir à des espèces diérentes. Le critère de la ressemblance physique n’est donc pas susant pour déterminer si deux individus appartiennent à la même espèce. Il s’agit d’un indice qui permet de supposer qu’ils appartiennent à la même espèce. Toutefois, pour faire partie de la même espèce, les deux individus doivent aussi répondre aux deuxième et troisième critères présentés à la page suivante.

FIGURE

Pour être considérés de la même espèce, deux individus doivent d’abord posséder des caractères physiques semblables : couleur, grandeur, forme du bec, forme des oreilles, etc. Cependant, la plupart du temps, il ne sut pas que des êtres vivants se ressemblent pour appartenir à la même espèce. Par exemple, le lynx roux (« chat sauvage ») et le lynx du Canada se ressemblent (voir la gure 1), mais les scientiques considèrent qu’ils appartiennent à deux espèces diérentes.

2 Le mâle Bombyx disparate (à droite)

ne ressemble pas à la femelle (à gauche), même s’ils appartiennent à la même espèce. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Chapitre 1 | La diversité de la vie

3

LE DEUXIÈME CRITÈRE L’UNIVERS VIVANT 1.1

Pour faire partie de la même espèce, deux individus doivent aussi pouvoir se reproduire entre eux et donner naissance à des petits viables, c’est-à-dire qui peuvent survivre. À l’intérieur d’une espèce, même les individus qui ont une allure très diérente peuvent se reproduire. Prenons le cas des chiens domestiques. Un mâle chihuahua, par exemple, peut s’accoupler avec une femelle d’une autre race, comme une femelle berger allemand. Leurs descendants seront viables. Par contre, un chien ne peut pas se reproduire avec un renard, auquel il ressemble pourtant beaucoup. Par ailleurs, il existe des animaux capables de s’accoupler, mais dont les descendants ne sont pas viables. C’est le cas du ouaouaron (Rana catesbeiana) et de la grenouille léopard du Nord (Rana pipiens). Ces deux grenouilles peuvent s’accoupler, mais leurs petits ne se développeront pas normalement ou ils mourront très jeunes. Pour cette raison, on considère que ces grenouilles ne font pas partie de la même espèce.

LE TROISIÈME CRITÈRE

FIGURE

Enn, pour que des individus appartiennent à la même espèce, leurs descendants doivent pouvoir à leur tour se reproduire avec succès. Par exemple, la descendance du mâle chihuahua et de la femelle berger allemand est viable et féconde, c’est-à-dire capable de se reproduire. D’autres animaux peuvent se reproduire entre eux, mais leur descendance ne sera pas fertile, même si elle est viable. De tels animaux n’appartiennent pas à la même espèce (voir la gure 3).

3 Un mulet provient de l’accouplement d’un âne et d’une jument, la femelle du cheval. Le mulet est stérile : il ne peut pas se reproduire. Pour cette raison, l’âne et le cheval n’appartiennent pas à la même espèce.

Le même phénomène s’observe chez les végétaux. Par exemple, le clémentinier provient d’un croisement naturel entre un mandarinier et un oranger. Le clémentinier est viable mais stérile, puisque son fruit, la clémentine, ne contient à peu près pas de pépins.

DÉFI NITI ON

Une espèce regroupe des individus : - qui possèdent des caractères physiques généralement semblables ; - qui peuvent se reproduire entre eux et qui ont des descendants viables ; - qui ont des descendants féconds.

4

L’univers vivant

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LA DÉSIGNATION DES ESPÈCES L’UNIVERS VIVANT 1.1

Pour nommer les espèces, les scientiques utilisent la nomenclature binominale, c’est-à-dire une désignation à l’aide de deux mots. Ces deux mots sont en latin et sont écrits en italique. Le premier mot latin est un nom qui commence par une majuscule : il indique le genre de l’être vivant. Le genre regroupe toutes les espèces qui ont un lien de parenté. Par exemple, le genre Equus réunit les espèces apparentées au cheval. Il compte entre autres le cheval (Equus caballus) et l’âne (Equus asinus). Le deuxième mot latin est souvent un nom ou un adjectif qui précise le premier mot. Par exemple, asinus veut dire « âne ». Le binôme, c’est-à-dire la combinaison des deux mots latins, est donc le nom scientique international pour désigner une espèce. Un seul des deux mots ne sut pas, il faut utiliser les deux.

FLA SH

info

Une langue morte… utile Le latin était la langue administrative de l’Empire romain il y a 2000 ans. Aujourd’hui, il est surtout utilisé par l’Église catholique et il est considéré comme une langue morte, c’est-à-dire une langue qui n’est pas parlée par des populations actuelles. Cependant, pour être certains qu’ils parlent du même être vivant, les scientiques utilisent toujours les mots latins pour le désigner. Ainsi, dans une communication, au lieu de parler du renard roux (en français), du red fox (en anglais), du aka-kitsune (en japonais) ou du zorro rojo (en espagnol), les scientifiques utilisent la désignation latine : Vulpes vulpes. Cette façon de nommer les espèces est universelle. Elle a été introduite au 18e siècle par le naturaliste suédois Carl von Linné.

Carl von Linné est un naturaliste suédois qui a vécu de 1707 à 1778. C’est lui qui a eu l’idée de désigner les êtres vivants à l’aide de deux mots latins. Il a répertorié plusieurs milliers d’espèces animales et végétales.

ACTIVITÉS 1

Quels sont les trois critères nécessaires pour que deux êtres vivants appartiennent à la même espèce ?

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Chapitre 1 | La diversité de la vie

5

Le tableau ci-dessous présente les caractéristiques de trois rorquals, des mammifères marins de la famille des cétacés et communément appelés « baleines ». À l’aide de l’information qu’il contient, répondez aux questions qui suivent.

L’UNIVERS VIVANT 1.1

2

Les caractéristiques de trois rorquals

Rorqual commun de l’Arctique (Balaenoptera physalus)

Rorqual commun de l’Antarctique (Balaenoptera physalus)

Rorqual bleu (Balaenoptera musculus)

Caractères physiques

• Longueur : jusqu’à 24 m

• Longueur : jusqu’à 27 m

• Longueur : jusqu’à 30 m

• Masse : 40 à 50 tonnes (40 000 à 50 000 kg)

• Masse : 40 à 50 tonnes (40 000 à 50 000 kg)

• Masse : jusqu’à 170 tonnes (170 000 kg)

Reproduction

• Durée de gestation : 11 mois

• Durée de gestation : 11 mois

• Durée de gestation : 10 à 12 mois

• La mère peut porter jusqu’à six fœtus mais elle donne habituellement naissance à un petit tous les deux à trois ans.

• La mère peut porter jusqu’à six fœtus mais elle donne habituellement naissance à un petit tous les deux à trois ans.

• La mère donne habituellement naissance à un petit tous les deux à trois ans.

a) Parmi ces trois rorquals, lesquels peuvent se reproduire ensemble ?

b) Quels rorquals appartiennent à la même espèce ?

c) Par rapport à la reproduction, qu’est-ce qui caractériserait les petits issus de l’accouplement du rorqual commun et du rorqual bleu?

3

6

Quel est le rôle de chacun des mots de la nomenclature binominale ?

L’univers vivant

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Voici cinq êtres vivants. Observez les photos et leurs binômes, puis répondez aux questions.

L’UNIVERS VIVANT 1.1

4

Betula alleghaniensis

Salix alba

Betula lenta

Salix babylonica

Betula papyrifera

Parmi ces êtres vivants : a) Combien y a-t-il de genres différents ?

b) Combien y a-t-il d’espèces différentes ?

c) Nommez deux individus appartenant au même genre, mais à des espèces différentes.

d) Nommez deux individus appartenant à des genres différents.

5

En 1998, à Dubaï, un cama mâle, surnommé Rama, est né. Cet animal provient du croisement en laboratoire d’une femelle lama (Lama glama) et d’un dromadaire mâle (Camelus dromedarius). En 2002, les mêmes parents ont donné naissance à un deuxième cama, une femelle nommée Kamila. Est-ce que l’élevage des camas issus du croisement de Rama et de Kamila est possible ? Justiez votre réponse.

Kamila et sa mère, en 2002. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Chapitre 1 | La diversité de la vie

7

1.2 La taxonomie L’UNIVERS VIVANT 1.2

Pour pouvoir étudier plus facilement les innombrables êtres vivants qui peuplent la Terre, les scientiques ont décidé de les classer. Tout comme on classe les livres dans une bibliothèque municipale ou scolaire à l’aide d’un système de classication, les scientiques rangent les êtres vivants sous diérentes catégories, selon leurs caractéristiques physiques communes et leur degré de parenté. La science qui s’intéresse au classement des vivants s’appelle la taxonomie. DÉFI NITI ON

La taxonomie est la science qui classe les êtres vivants dans différentes catégories (ou taxons), selon des règles qui tiennent compte des caractéristiques physiques et du degré de parenté.

UN SYSTÈME DE CLASSIFICATION Un des systèmes de classication les plus utilisés par les scientiques répartit les êtres vivants en cinq règnes : le règne des monères, le règne des protistes, le règne végétal, le règne des champignons et le règne animal. Chacun des règnes est décrit dans le tableau 1, à la page 9.

FLA SH

info

Une classication qui bouge

• les embranchements ;

Depuis quelques décennies, la découverte cons­ tante de nouvelles espèces et l’étude de l’ADN des êtres vivants amènent réguliè rement des changements à tous les niveaux de la classica­ tion. Les changements sont si considérables qu’il est presque impossible d’avoir une classication qui inclut les dernières découvertes scientiques.

• les classes ;

Aujourd’hui, pour classer les êtres vivants, on utilise surtout l’ADN, qui contient les gènes.

8

Dans ce système de classification, les règnes comportent six niveaux. Ce sont, successivement :

L’univers vivant

• les ordres ; • les familles ; • les genres ; • les espèces. Du règne à l’espèce, à chacun des niveaux, les caractéristiques sont de plus en plus particulières. Ces dernières peuvent être, par exemple, la présence d’un squelette interne ou externe, le mode de respiration, la façon de se reproduire, le milieu de vie, la présence de plumes, de poils ou d’écailles, le mode de locomotion, le nombre de pattes, la présence de dents, etc. Le règne occupe le sommet du système de classication et l’espèce, la base.

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Tableau 1 Description des cinq règnes du monde vivant

Règne des animaux

Règne des végétaux

Êtres pluricellulaires (c’est-à-dire constitués de plusieurs cellules*).

Êtres pluricellulaires.

Alimentation

Nombre d’espèces connues

Ce sont des consom­ mateurs : ils se nourrissent d’autres êtres vivants.

• Compte 35 regroupements d’invertébrés et 12 de vertébrés.

Ce sont des producteurs : ils utilisent l’énergie du Soleil pour fabriquer leur nourriture.

• Compte cinq regroupements : les algues, les mousses, les fougères, les conifères et les plantes à eurs.

• Environ 1 200 000 espèces connues.

L’UNIVERS VIVANT 1.2

Organisation cellulaire

• Environ 300 000 espèces connues.

Règne des champignons

Êtres pluricellulaires pour la plupart. Certains, comme les levures, sont unicellulaires (constitués d’une seule cellule).

Ils ne possèdent ni tige, ni feuilles, ni racines. Ce sont des décomposeurs : ils se nourrissent en décomposant ce qu’ils absorbent. Ils sont incapables d’utiliser l’énergie solaire pour fabriquer leur nourriture.

Environ 150 000 espèces connues.

Règne des protistes

Êtres unicellulaires visibles seulement au microscope. Leur cellule, comme celles de tous les êtres vivants, contient un noyau.

Certains sont des consommateurs, d’autres, des produc­ teurs, et d’autres, des décomposeurs.

Environ 31 000 espèces connues.

Êtres unicellulaires visibles seulement au moyen de microscopes très puissants. Leur cellule, contrairement aux cellules de tous les autres êtres vivants, ne contient pas de noyau.

Ce sont des consom­ mateurs : les monères se nourrissent d’autres êtres vivants. Ce faisant, plusieurs causent des maladies, mais d’autres sont très utiles (ex. : bactéries servant à la fabrication du fromage).

Environ 3 000 espèces connues.

Règne des monères

(Les protistes vivent dans les milieux humides ou aquatiques.)

* Une cellule est l’unité de base d’un être vivant.

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Chapitre 1 | La diversité de la vie

9

L’UNIVERS VIVANT 1.2

La gure 4 présente les sept niveaux de classication. Chaque niveau comporte des exemples, jusqu’aux espèces du genre Homo. L’Homo sapiens, c’est-à-dire l’être humain, gure parmi ces espèces. (Le mot latin sapiens veut dire « intelligent, sage ».) Comme vous pouvez le constater, classier les êtres vivants, c’est un peu comme dresser un arbre généalogique !

Les êtres vivants se divisent en cinq règnes.

Se divisent en ordres.

Se divisent en familles.

Se divisent en genres.

Quelques embranchements du règne animal : Mollusques Nématodes Chordés

Quelques ordres de la classe des mammifères : Rongeurs Cétacés Primates

Quelques familles de l’ordre des primates : Lémuridés Tarsiidés Hominidés

Quelques genres de la famille des hominidés : Pan Gorilla Pongo Homo

Quelques classes de l’embranchement des chordés : Reptiles Poissons Amphibiens Oiseaux Mammifères

Se divisent en espèces (nom binominal). Quelques espèces du genre Homo : Homo habilis Homo erectus Homo neanderthalensis Homo sapiens (être humain)

FIGURE

Exemple : Règne animal

Se divisent en Se divisent embranchements. en classes.

4 Un exemple de taxonomie pour le règne animal. Les mots en rouge représentent les catégories taxonomiques auxquelles l’être humain appartient.

La che taxonomique Pour établir la che taxonomique d’un être vivant, on indique les sept niveaux auxquels cet être appartient, du règne jusqu’à l’espèce. Par exemple, la gure 5 présente la che taxonomique de la marguerite commune. Règne : Végétal Embranchement : Angiospermes (plantes à eurs) Classe : Dicotylédones (deux feuilles lors de la germination) Ordre : Astérales (ressemblant à une étoile) Famille : Astéracées (eur composée) Genre : Leucanthemum (eur blanche) Espèce : Leucanthemum vulgare (marguerite commune) FIGURE

Nom binominal : Leucanthemum vulgare (marguerite commune)

10

L’univers vivant

5

La che taxonomique de la marguerite commune (nom usuel).

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ACTIVITÉS Qu’est-ce que la taxonomie ? Donnez une dénition dans vos mots.

2

Nommez les cinq règnes du monde vivant.

3

Voici les sept niveaux utilisés pour classer les êtres vivants. Placez-les dans le bon ordre, en allant du général au plus précis.

L’UNIVERS VIVANT 1.2

1

• Classe

• Embranchement

• Espèce

• Genre

• Ordre

• Règne

• Famille

4

Nommez trois caractéristiques utilisées par les scientiques pour classer les animaux.

5

Identiez les spécimens suivants en utilisant la clé taxonomique fournie par votre enseignante ou votre enseignant. Formulez vos réponses en vous basant sur l’exemple qui vous est donné en a. a) Section A, numéro 1, numéro 2, numéro 4, numéro 7, un trichoptère.

c)

b)

d)

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Chapitre 1 | La diversité de la vie

11

Voici les ches taxonomiques de quelques êtres vivants. Elles vous serviront à répondre aux questions ci-dessous.

L’UNIVERS VIVANT 1.2

6

A. Animal, Chordés, Mammifères, B. Animal, Chordés, Mammifères, C. Animal, Chordés, Amphibiens, Rongeurs, Sciuridés, Rongeurs, Sciuridés, Cynomys, Anoures, Ranidés, Lithobates, Tamiasciurus, Tamiasciurus Cynomys ludovicianus (chien Lithobates sylvaticus (grenouille hudsonicus (écureuil roux) de prairie) des bois)

D. Animal, Mollusques, Bivalves, Vénéroïdes, Dreissenidés, Dreissena, Dreissena polymorpha (moule zébrée)

E. Animal, Chordés, Mammifères, Primates, Hominidés, Pan, Pan paniscus (bonobo)

a) À quel règne appartiennent tous ces êtres vivants ?

b) L’écureuil roux et le chien de prairie n’appartiennent pas à la même famille d’animaux. Vrai ou faux ? Expliquez votre réponse.

c) À quelle classe appartient la moule zébrée ?

d) Quels niveaux taxonomiques différencient le bonobo de l’être humain ?

e) À quel ordre appartient la grenouille des bois ?

12

L’univers vivant

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1.3 La population

▲ Canada ●

Légende ■ Aire de répartition du lièvre d’Amérique ● Population du lièvre d’Amérique de la forêt de feuillus du mont Orford ▲ Population du lièvre d’Amérique de la forêt sub­ alpine du parc national Banff

FIGURE

États­Unis

L’UNIVERS VIVANT 1.3

Dans la nature, une espèce peut occuper un vaste espace ; c’est ce qu’on appelle son aire de répartition. L’espèce est répartie en plusieurs endroits de cette aire et forme des populations plus ou moins nombreuses. Par exemple, comme le montre la gure 6, l’aire de répartition du lièvre d’Amérique s’étend sur une vaste partie du continent nord-américain. Elle compte de nombreuses populations de lièvres ; deux d’entre elles sont localisées sur la carte.

6 L’aire de répartition du lièvre d’Amérique (Lepus americanus) et la localisation de deux de ses populations. Évidemment, dans un endroit donné, plusieurs populations d’espèces diérentes se côtoient. Ainsi, dans une forêt de feuillus, on trouve une population d’érables à sucre, de bouleaux à papier, de fougères aigles, d’écureuils noirs, de lièvres d’Amérique, etc. Les populations d’une même espèce ne sont pas identiques en tous points. Elles peuvent varier en nombre d’un endroit à l’autre. Elles peuvent aussi présenter des diérences physiques (voir la gure 7, à la page suivante). Par conséquent, lorsqu’on parle d’une population, on doit préciser le lieu géographique où elle se trouve. DÉFI NITI ON

Une population est un groupe d’individus d’une même es­ pèce qui vivent dans un même lieu au même moment. Pour la désigner, on doit préciser dans quel lieu géographique elle se trouve.

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Chapitre 1 | La diversité de la vie

13

LA DENSITÉ DE POPULATION L’UNIVERS VIVANT 1.3

Les scientiques ou les gestionnaires ont parfois besoin de con­ naître le nombre d’individus d’une même espèce qui habitent un lieu donné. Ce peut être, par exemple, en vue de déterminer comment les espèces réa­ gissent aux changements environnementaux ou en vue de réglementer la chasse et la pêche. Dans un tel contexte, ils recourent souvent à la notion de densité de population. La densité de population est le lien entre le nombre d’individus de cette population et l’aire qu’elle occupe. Elle s’obtient en divisant le nombre d’individus par l’aire, ce qu’exprime l’équation suivante.

D=

N A

D = Densité de la population (nombre d’individus par unité d’aire) N = Nombre d’individus de la population (individus)

FIGURE

A = Aire du lieu occupé par la population (unités variables)

7 Les cougars d’Amérique du Nord (photo du haut) sont beaucoup plus gros que ceux d’Équateur (photo du bas) et ils n’ont pas le même pelage.

Par exemple, si on compte 5 000 lièvres sur un territoire de 180 km, on calcule la densité de cette population de la façon suivante : 5 000 lièvres D= = 27,8 lièvres/km 180 km2

Cependant, il est généralement impossible de compter tous les individus qui occupent un lieu donné. Voici alors comment on procède pour évaluer la densité d’une population.

14

L’univers vivant

1

On constitue des échantillons de terrain (quadrats) qui ont une aire semblable.

2

Pour trouver N (le nombre total d’individus), on additionne les quantités d’individus relevés dans chacun des quadrats. Pour trouver A (l’aire totale des quadrats), on additionne les aires des diérents quadrats.

3

On divise N par A. On obtient D (la densité), c’est­à­dire le nombre d’individus par unité d’aire. On considère que la densité de la population des échantillons reète celle de l’ensemble de la population du lieu étudié. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Voici un exemple. La gure 8 représente des quadrats de la forêt du parc de la Gatineau en Outaouais, au Québec. Ils ont été délimités pour étudier la population de cerfs de Virginie.

D=

171 cerfs de Virginie 51,5 km

L’UNIVERS VIVANT 1.3

On a délimité cinq quadrats de 10,3 km chacun, ce qui donne une aire totale de 51,5 km (10,3 km 5). Dans ces quadrats, on a dénombré au total 171 cerfs de Virginie (25 + 51 + 5 + 29 + 61).

= 3,32 cerfs de Virginie/km2

La densité de la population des cerfs de Virginie dans le parc de la Gatineau est donc de 3,32 individus/km. Un quadrat de 10,3 km² 51 25

5 29

FIGURE

61

8

Des quadrats délimités dans le parc de la Gatineau.

FLA SH

info

Un déséquilibre sur l’île d’Anticosti À la n du 19e siècle, Henri Menier, un chocolatier français, acquiert la plus grande île du Québec, l’île d’Anticosti. L’île est déjà un paradis, mais Menier veut en faire le royaume de la chasse et de la pêche. Il y introduit de nouvelles espèces animales, dont le cerf de Virginie. La population de cerfs s’accroît au point où elle envahit complètement l’île. Comme les cerfs sont des herbivores voraces, ils détruisent rapidement une grande quantité d’arbres et d’arbustes et appauvrissent les sapinières de même que les autres espèces qui y vivent. Aujourd’hui, des moyens sont mis en œuvre pour assurer un équilibre. Il s’agit à la fois de prévenir une catastrophe écologique et de protéger les cerfs de Virginie.

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Le cerf de Virginie a été introduit sur l’île d’Anticosti vers la n du 19e siècle. Chapitre 1 | La diversité de la vie

15

L’UNIVERS VIVANT 1.3

ACTIVITÉS 1

Qu’est-ce qu’une population ? Donnez une dénition dans vos mots.

2

Qu’est-ce qui distingue une espèce d’une population ?

3

Des écologistes ont étudié certaines populations du parc national Forillon en Gaspésie. Les énoncés suivants présentent le résultat de leurs recherches. Pour chaque énoncé, calculez la densité des populations étudiées. a) Les écologistes ont délimité 3 quadrats de 60 km2 chacun. Ils y ont dénombré un total de 428 orignaux (122 + 80 + 226).

b) Les écologistes ont délimité 8 quadrats de 5,5 km2 chacun. Ces quadrats étaient respectivement occupés par les lièvres suivants : 51, 22, 10, 80, 113, 7, 43, 0.

c) Les écologistes ont délimité 100 quadrats de 0,1 km2 chacun. Ils y ont dénombré un total de 150 000 pins blancs à différents stades de développement : de la jeune pousse au pin adulte.

16

L’univers vivant

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4

La carte suivante représente les populations de quelques espèces qui habitent l’île d’Anticosti. Regardez attentivement la carte et sa légende, puis répondez aux questions.

Québec

Légende 300

L’UNIVERS VIVANT 1.3

Quelques populations de l’île d’Anticosti

5 000 Rats musqués Cerfs de Virginie

Aire : 7 943 km² Orignaux

Castors 3 millions

50 millions Petits fruits

Calculez la densité des populations représentées dans la légende, puis remplissez le tableau. Un exemple vous est donné en a.

Population

a) Rats musqués de l’île d’Anticosti

Nombre d’individus (N)

15 900

Calcul de la densité de population (Aire : 7 943 km2) 15 900 ÷ 7 943 = 2

Densité de population (individus/km2) (D) 2

b)

c)

d)

e)

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Chapitre 1 | La diversité de la vie

17

1.4 L’habitat L’UNIVERS VIVANT 1.4

Dans la nature, une espèce occupe un vaste espace appelé aire de répartition. Cependant, dans ce grand espace, les individus de cette espèce ne vivent pas n’importe où. Ils habitent les endroits où ils peuvent trouver les ressources qui leur assurent un développement optimal, c’est-à-dire qui comblent tous leurs besoins. Ces endroits constituent leur habitat.

DÉFI NITI ON

L’habitat naturel est un endroit dans lequel une espèce donnée trouve les conditions nécessaires pour combler ses besoins de manière optimale.

Ainsi, la marmotte commune (appelée aussi « sieux » au Québec) est répandue sur une grande partie du continent nordaméricain (voir la gure 9A). Mais on trouve des marmottes uniquement dans des endroits découverts tels que les champs ou les forêts clairsemées. La gure 9B montre un de ces habitats. Plusieurs espèces peuvent partager un même habitat. Ainsi, un marais peut abriter des grenouilles, des libellules, des nénuphars et des grands hérons. Certains habitats peuvent paraître surprenants. C’est le cas de l’oreiller avec lequel on dort, car il accueille des micro-organismes qui se nourrissent de peaux mortes et de poussière. C’est le cas aussi de notre intestin, qui abrite des microorganismes nécessaires à la digestion.

Canada

B

États-Unis

Les champs de blé des Prairies canadiennes constituent l’un des habitats de la marmotte commune. FIGURE

A

9

L’aire de répartition de la marmotte commune (Marmota monax).

Un habitat naturel se décrit à l’aide de plusieurs facteurs. Le tableau 2 présente les deux catégories de facteurs possibles : • les facteurs abiotiques (liés aux éléments non vivants) ; • les facteurs biotiques (liés aux relations entre les êtres vivants).

18

L’univers vivant

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Les facteurs utilisés pour décrire un habitat

Facteurs abiotiques (liés aux éléments non vivants) • Climat - Précipitations - Température - Ensoleillement - Humidité - Vent • Nature du sol - Acidité - Minéraux - Humidité - Aération

Facteurs biotiques (liés aux relations entre les êtres vivants)

• Relief • Présence d’un plan d’eau • Nature de l’eau - pH - Salinité - Limpidité - Oxygénation

• Faune - Présence de proies* - Présence de prédateurs* - Présence de décomposeurs* • Flore - Végétaux servant de nourriture - Végétaux servant d’abri - Présence d’herbivores

L’UNIVERS VIVANT 1.4

Tableau 2

• Proximité de l’être humain

* Proie : animal capturé et dévoré. Prédateur : animal qui se nourrit de proies. Décomposeur : organisme qui se nourrit des déchets ou des cadavres d’autres êtres vivants.

LA PRÉSERVATION DE L’HABITAT Des phénomènes naturels comme les incendies de forêt, les inondations et les glissements de terrain peuvent perturber ou détruire des habitats. Depuis environ 40 000 ans, c’est surtout l’activité humaine qui aecte les milieux de vie des espèces. Le phénomène s’est amplié depuis l’industrialisation, au 20 e siècle. Actuellement, la conservation des milieux de vie constitue un des principaux enjeux environnementaux : le maintien de la biodiversité en dépend. Pour aider une espèce à survivre quand elle est en danger dans son habitat naturel, pour l’étudier ou pour l’exploiter, les humains créent des habitats articiels : aquariums, marais, parcs zoologiques, volières, nichoirs, piscicultures, récifs articiels, etc. Bien que l’on tâche de reproduire le plus exactement possible l’habitat naturel, les conditions des habitats artificiels sont généralement moins favorables, surtout pour la reproduction de l’espèce.

FLA SH

info

L’ours blanc L’ours blanc, souvent appelé ours polaire, est considéré comme une espèce vulnérable. Pour chasser le phoque, ce mammifère arctique attend chaque automne que la banquise se forme. Habituellement, l’ours blanc ne passe qu’un ou deux mois sur la terre ferme. Or, à cause des changements climatiques, la banquise se forme plus tard que par le passé. Sa supercie diminue sans cesse, réduisant ainsi l’habitat de l’ours blanc. En 2015, l’ours blanc devait donc demeurer cinq à six mois sur la terre ferme. Comme les phoques vivent essentiellement sur la banquise, l’ours blanc doit trouver une autre source de nourriture pour survivre. Il s’approche donc de plus en plus des communautés qui le chassent pour se défendre.

Un ours blanc entouré de glace fondante.

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Chapitre 1 | La diversité de la vie

19

L’UNIVERS VIVANT 1.4

ACTIVITÉS

20

1

Qu’est-ce qu’un habitat ? Donnez une dénition dans vos mots.

2

Quelle différence y a-t-il entre les facteurs abiotiques et les facteurs biotiques ? Nommez deux exemples pour chaque facteur.

3

Voici une liste de facteurs qui permettent de décrire un habitat. Associez le facteur approprié à chacune des situations A à E et indiquez s’il s’agit d’un facteur abiotique (AB) ou biotique (B). • Présence de proies

• Relief

• Présence d’un plan d’eau

• Vent

A. Les arbres de la prairie sont exposés aux intempéries.

B. Le pic creuse le tronc de l’arbre pour y construire son nid.

D. Les cerfs de Virginie s’abreuvent à ce marais qui se trouve dans la forêt.

E. La chèvre de montagne recherche les endroits escarpés.

L’univers vivant

• Végétaux servant d’abri

C. Une forêt peuplée de cerfs de Virginie qui servent de nourriture aux loups.

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Nommez huit facteurs qui permettent de décrire un habitat.

5

Le tableau suivant décrit quatre types d’habitats. Associez chaque habitat à la photographie appropriée.

Habitat

Description de l’habitat

Érablière

Forêt où l’érable pousse en abondance.

Marais

Zone humide où le sol est recouvert d’une nappe d’eau immobile, en général peu profonde et couverte de végétation.

Savane

Zone aride caractérisée par l’alternance d’une saison humide et d’une saison sèche. La végétation se compose surtout de touffes d’herbes et de graminées. Les arbres et les arbustes sont peu abondants.

Toundra

Zone caractérisée par un long hiver et une courte saison pendant laquelle le sol ne dégèle qu’en surface (pergélisol). La végétation se compose de lichens et de mousses.

A. 6

L’UNIVERS VIVANT 1.4

4

B.

C.

D.

Pour chacun des habitats du tableau suivant, indiquez s’il est naturel ou articiel.

Habitat

Habitat naturel

Habitat articiel

Le Biodôme de Montréal Le golfe du Saint-Laurent La Montagne Coupée, dans la région de Lanaudière Le centre-ville de Montréal La réserve faunique des Laurentides Une épave de bateau

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Chapitre 1 | La diversité de la vie

21

Donnez cinq exemples d’activités humaines qui peuvent avoir des effets néfastes sur un habitat et les espèces qui y vivent.

8

Le texte suivant présente de l’information sur le narval et son habitat.

L’UNIVERS VIVANT 1.4

7

a) Lisez-le attentivement.

Pôle Nord Océan Arctique

Le narval est surnommé la « licorne des mers » en raison de sa défense torsadée qui ressemble à une corne.

L’océan Arctique

L’habitat du narval Le narval (Monodon monoceros) est un mammifère marin. Il vit en groupes de 4 à 20 individus, dans l’océan Arctique. Les groupes se déplacent constamment pour échapper aux glaces et s’alimenter. L’océan Arctique est le plus petit des océans. Il est en grande partie recouvert d’une banquise épaisse et il s’étend sur l’ensemble des mers situées entre le pôle Nord et le nord de l’Amérique, de l’Asie et de l’Europe. L’eau de cet océan comporte trois couches. L’eau en surface est relativement douce et toujours très froide. L’eau de la couche intermédiaire est plus salée et plus chaude. L’eau de la couche la plus profonde est légèrement moins salée et très froide. Le climat polaire est caractérisé par un froid persistant. Les températures hivernales sont de -50 °C en moyenne à cause des vents forts provenant de Russie. L’hiver, l’obscurité est continue, la température froide et le ciel dégagé. L’été, les températures peuvent dépasser 0 °C, le jour est permanent, l’air est humide et le temps brumeux. Les précipitations sont peu considérables. Le narval a des relations avec d’autres êtres vivants. En effet, ses principales proies sont les crevettes, les calmars, les crustacés, les mollusques, les étans, les morues, les plies et les pieuvres. Ses principaux prédateurs sont l’ours blanc et l’orque. Les changements climatiques compromettent sa survie. De plus, la proximité des humains constitue une menace pour lui. La pêche de certains poissons comme le étan a pour effet de diminuer la quantité de nourriture disponible, et l’augmentation du trac maritime cause des accidents, du stress et de la pollution. Enn, la chasse non réglementée constitue une autre menace. Le narval est chassé pour sa peau et son ivoire.

22

L’univers vivant

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b) En vous référant au texte qui précède, décrivez l’habitat du narval.

Facteurs abiotiques (liés aux éléments non vivants) Climat

Précipitations

L’UNIVERS VIVANT 1.4

Situation géographique

Température

Ensoleillement

Humidité de l’air

Vent

Caractère de l’eau

Salinité

Température

Facteurs biotiques (liés aux relations entre les êtres vivants) Présence de proies

Présence de prédateurs

Proximité de l’être humain

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Chapitre 1 | La diversité de la vie

23

1.5 La niche écologique L’UNIVERS VIVANT 1.5

Un habitat regorge de ressources permettant à plusieurs espèces de s’y côtoyer. Cependant, ces espèces interagissent entre elles et avec leur milieu selon une niche écologique qui leur est propre. En eet, lorsqu’on observe les espèces qui occupent un même habitat, on constate que chacune a des besoins et des comportements distincts. Les comportements de l’espèce et les ressources de l’environnement comptent parmi les facteurs nécessaires pour qu’une espèce puisse survivre à un endroit donné. La niche écologique regroupe les conditions et les ressources essentielles au maintien d’une espèce sur un territoire. Elle détermine le rôle que joue l’individu dans son milieu. Les individus peuvent être des producteurs, des consommateurs ou des décomposeurs. DÉFI NITI ON

La niche écologique d’une espèce est l’ensemble des conditions et des ressources abiotiques (éléments non vivants) et biotiques (éléments vivants) nécessaires au maintien de cette espèce sur un territoire. Elle détermine le rôle de l’individu dans son milieu.

LES CARACTÉRISTIQUES QUI DÉFINISSENT UNE NICHE ÉCOLOGIQUE Plusieurs caractéristiques dénissent la niche écologique d’une espèce. Elles concernent les facteurs abiotiques (non vivants) et biotiques (vivants) du milieu. En voici trois : Pic épeichette Pic mar

1 les lieux occupés ; 2 le régime alimentaire ; 3 la période d’activité (rythme journalier et

saisonnier).

Les lieux occupés

FIGURE

Pic épeiche

10

Ces trois espèces de pics se partagent le même arbre. Chacune y a sa niche écologique. Les espèces représentées ici sont des espèces européennes.

24

L’univers vivant

Les lieux occupés comprennent l’espace que les individus parcourent régulièrement pour satisfaire leurs besoins nutritifs, se cacher, s’abriter, se reproduire, se reposer. Pour certaines espèces, ils comprennent aussi le territoire de migration. Les trois exemples suivants illustrent l’importance des lieux occupés pour le maintien de l’espèce. L’occupation maximale d’un même arbre Les oiseaux exploitent les couches de la forêt auxquelles ils sont le mieux adaptés pour se nourrir, Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

L’UNIVERS VIVANT 1.5 FIGURE

A

11

B A

Un castor.

B

Cette digue de castor modie la niche écologique de plusieurs animaux.

bâtir leur nid et délimiter leur territoire. Ainsi, trois espèces de pics qui occupent le même arbre (voir la gure 10, à la page précédente) ne nicheront pas à la même hauteur. Le pic épeichette choisira les petites branches, le pic mar les branches moyennes et le pic épeiche le tronc de l’arbre. Ces diérentes niches écologiques répondent aux besoins de nidication propres à chaque espèce. Cela permet à une plus grande variété d’espèces de pics de nicher et de survivre dans cet habitat sans être en compétition pour le même lieu. Un animal qui met en péril la niche écologique des autres animaux Le castor vit dans un habitat où se trouve un cours d’eau bordé de nombreux arbres. Un seul castor peut abattre jusqu’à 216 arbres par année pour se nourrir et aménager son territoire. Pour s’installer, il construit une hutte ainsi qu’une digue (voir la gure 11B) s’il a besoin d’élever le niveau de l’eau. Sa hutte lui sert d’abri et de lieu de mise bas, pour mettre au monde ses petits. Les modications que le castor apporte à son habitat et les inondations causées par la construction de sa digue peuvent avoir une incidence sur la niche écologique des autres animaux. Ceux-ci doivent alors trouver un autre territoire pour satisfaire leurs besoins. Les préférences des végétaux Les végétaux, eux aussi, colonisent les lieux selon leurs besoins particuliers. Certains végétaux, comme les fougères, aiment l’ombre et un sol humide alors que d’autres, comme les coussins de belle-mère (voir la gure 12), préfèrent le soleil et un sol sec.

FIGURE

Le régime alimentaire Le régime alimentaire est déni par les habitudes d’une espèce concernant les aliments qu’elle préfère en période d’abondance. Il contribue à la survie de l’espèce et au choix de l’habitat.

Le coussin de belle-mère est un type de cactus originaire du centre du Mexique.

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Chapitre 1 | La diversité de la vie

12

25

L’UNIVERS VIVANT 1.5

Il existe de nombreux régimes alimentaires. Le tableau 3 présente quelques exemples observés chez les mammifères, les oiseaux et les amphibiens. Tableau 3 Le régime alimentaire de certains mammifères, oiseaux et amphibiens Régime alimentaire

Dénition

Exemples d’espèces

Carnivore

Qui se nourrit de chair animale.

Loup, renard

Carnivore planctivore

Qui se nourrit de plancton.

Baleine, raie manta

Carnivore piscivore

Qui se nourrit de poisson.

Loutre, grand héron

Herbivore ruminant

Qui se nourrit d’herbes.

Bœuf, bison

Herbivore granivore

Qui se nourrit de graines.

Moineau domestique, poule

Omnivore

Qui se nourrit à la fois d’animaux et de végétaux.

Ours, mouffette

Insectivore

Qui se nourrit d’insectes.

Grenouille, hirondelle

La période d’activité (rythme journalier et saisonnier) La période d’activité est la période pendant laquelle un animal est actif ou éveillé. Pendant cette période, il cherche sa nourriture, fait sa toilette, se reproduit, construit un abri, etc. Comme les périodes d’activité varient selon les espèces, un même habitat est exploité à des moments diérents de la journée ou de l’année par des espèces qui occupent ainsi des niches écologiques diérentes. Par exemple, dans une prairie, des rapaces diurnes tels que la buse à queue rousse et des rapaces nocturnes tels que la chouette eraie se relaient pour chasser (voir la gure 13).

FIGURE

L’activité quotidienne La période d’activité quotidienne varie d’un animal à l’autre. On dit qu’un animal est « diurne » s’il est actif pendant le jour et « nocturne » s’il est plutôt actif la nuit. L’être humain, le coq, le chien et la plupart des écureuils sont des animaux diurnes. La chouette, le hamster, la chauvesouris et le grillon sont des animaux nocturnes.

13

La chouette effraie sort à la tombée de la nuit pour chasser.

26

L’univers vivant

L’activité annuelle ou saisonnière Certains animaux se caractérisent aussi par une période d’activité annuelle ou saisonnière. Leurs comportements peuvent varier selon les saisons. C’est le cas, par exemple, chez l’ours, la grenouille, les oiseaux migrateurs et le papillon monarque. Une activité telle que la reproduction est saisonnière chez la plupart des animaux.

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UNE COMPÉTITION POUR LA NICHE ÉCOLOGIQUE

14 L’avocette et le canard colvert ont pratiquement le même régime alimentaire, mais ils cherchent leur nourriture à des profondeurs légèrement différentes.

FLA SH

L’UNIVERS VIVANT 1.5

FIGURE

FIGURE

Dans un habitat, un grand nombre d’espèces se côtoient. Cependant, deux espèces ayant des niches écologiques complètement identiques ne peuvent occuper le même habitat. Si elles partageaient le même habitat, les deux espèces seraient continuellement en compétition pour l’espace et les ressources alimentaires. Une des deux espèces parviendrait alors à chasser l’autre. Le fait que les espèces vivant dans un même habitat occupent toutes des niches écologiques diérentes permet d’expliquer que plusieurs espèces diérentes soient capables de coexister dans un même milieu (voir les gures 14 et 15).

15 L’aigrette garzette et le canard pilet ont des régimes alimentaires différents, mais ils cherchent leur nourriture aux mêmes profondeurs.

info

Des poissons qui font de l’escalade La plupart des poissons migrent. Certains, comme le saumon, le font à contre-courant. À Hawaï, trois espèces de gobies migrent à la verticale. Ils grimpent lentement une paroi en utilisant une capacité propre à tous les gobies, celle de former une ventouse avec leurs nageoires ventrales. Ainsi, les gobies peuvent escalader environ 350 m de paroi verticale pendant que l’eau dévale en cascade sur eux. Peu d’individus arrivent à destination. Ceux qui y parviennent trouvent des zones non fréquentées par leurs prédateurs. Toutes proportions gardées, cette migration verticale équivaut à l’ascension de l’Everest pour un humain de taille moyenne !

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Un gobie escaladant une paroi rocheuse.

Chapitre 1 | La diversité de la vie

27

L’UNIVERS VIVANT 1.5

ACTIVITÉS 1

Qu’est-ce qu’une niche écologique ? Donnez une dénition dans vos mots.

2

Nommez des caractéristiques qui dénissent une niche écologique.

3

Pour chacune des situations suivantes, indiquez la ou les caractéristiques de la niche écologique dont il est question.

Situation

Lieux occupés

Régime alimentaire

Période d’activité

a) Deux fois par année, des millions de papillons monarques parcourent plus de 4000 km. Ils descendent vers le sud à l’automne et remontent vers le nord au printemps. b) La chenille du papillon monarque est herbivore. Sa plante préférée est l’asclépiade. c) Les saumons adultes pondent leurs œufs dans la rivière où ils sont nés. d) Au printemps, lorsqu’ils sont prêts à se reproduire, presque tous les saumons quittent la mer et remontent à contre-courant la rivière où ils sont nés. e) La femelle du saumon pond ses œufs à l’automne dans des trous qu’elle creuse dans le gravier. Les œufs y passeront l’hiver et seront oxygénés par l’eau froide en mouvement. f) Les alevins de saumon sont des carnivores planctivores et insectivores. Ils s’alimentent de plancton et de larves d’insectes. 4

Le texte suivant décrit une année dans la vie d’un ours noir. Lisez-le attentivement, puis décrivez la niche écologique de cet animal en remplissant la che. L’Ursus americanus On trouve l’ours noir (Ursus americanus) en Amérique du Nord. Il vit surtout dans les forêts et les montagnes. Il y trouve sa nourriture et peut s’y cacher facilement. On le voit surtout le jour, sauf si plusieurs installations humaines sont à proximité. Alors, il sortira plutôt la nuit. L’ourse protège ses petits an qu’ils ne deviennent pas des proies pour leurs nombreux prédateurs. Le loup, le cougar, le lynx, le coyote, l’ours brun et même l’ours noir affamé sont des prédateurs de l’ours noir.

28

L’univers vivant

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Une ourse et ses petits.

L’été correspond à la période de reproduction et il est marqué par l’abondance de nourriture. En automne, l’ours noir doit accumuler des réserves de graisse puisqu’il passera l’hiver dans un état de somnolence.

L’UNIVERS VIVANT 1.5

Dès qu’il quitte son abri au printemps, l’ours noir se met en quête de nourriture. Ses déplacements varient selon la saison. Au printemps, il parcourt les vallées exposées au soleil. À l’approche de l’été, l’ours s’installe à des altitudes élevées pour trouver un peu de fraîcheur. L’ours noir est omnivore, mais il aime surtout les végétaux. Il mange des herbes, des fruits, des glands et des noix. Il se nourrit aussi d’insectes comme des abeilles et des fourmis. Il complète son régime avec du poisson et de petits crustacés tels que le crabe. Il adore le miel, bien sûr !

Fiche de la niche écologique de l’ours noir • Nom de l’espèce : • Lieux occupés :

• Régime alimentaire :

• Période d’activité :

5

Décrivez votre propre niche écologique en remplissant la che suivante.

Fiche de la niche écologique de • Nom de l’espèce : • Lieux occupés :

• Régime alimentaire : • Période d’activité :

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Chapitre 1 | La diversité de la vie

29

L’UNIVERS VIVANT 1.6

1.6 Les adaptations physiques et comportementales Imaginez un ours blanc avec son épaisse fourrure, qui se fait bronzer sous les palmiers des tropiques ! C’est inimaginable, car, pour répondre à leurs besoins et survivre, les êtres vivants doivent être adaptés à leur habitat. Ainsi, l’ours blanc, avec son épais manteau de fourrure, ne serait pas très en forme pour chasser sous la chaleur des tropiques.

FIGURE

L’adaptation est le résultat d’un long processus qui s’échelonne sur un grand nombre de générations. Ce processus entraîne la modication d’un trait physique ou d’un comportement. L’adaptation permet à une espèce de survivre dans son milieu.

16

Les pattes de l’ours blanc sont adaptées à son environnement. Elles lui permettent de nager et de marcher dans la neige sans s’enfoncer.

Par exemple, l’ours blanc possède une épaisse fourrure imperméable dont la couleur blanche l’aide à se fondre dans le paysage. Elle permet à l’eau de glisser lorsqu’il nage et elle le protège du froid. La peau noire sous sa fourrure absorbe la chaleur. Une épaisse couche de graisse le protège aussi du froid et empêche la température de son corps de chuter lorsqu’il nage dans l’eau glacée. Ses petites oreilles et la forme de son corps limitent les pertes de chaleur. Ses pattes s’étalent comme des raquettes et l’empêchent de s’enfoncer dans la neige (voir la gure 16).

DÉFI NITI ON

L’adaptation est une structure (trait physique) ou un comportement qui permet à une espèce de survivre dans son milieu. Elle est le résultat d’un long processus.

FLA SH

info

La disparition des dinosaures Les dinosaures étaient des reptiles si bien adaptés à leur milieu qu’ils ont dominé la Terre pendant des millions d’années. Plusieurs hypothèses ont été avancées pour expliquer leur disparition il y a 65 millions d’années. Selon les plus probables d’entre elles, des changements majeurs et rapides dans les conditions climatiques et de luminosité de la Terre seraient survenus. Les dinosaures auraient été incapables de s’adapter à ces changements, et cela aurait causé leur perte.

30

L’univers vivant

Le squelette d’un tyrannosaure.

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LES ADAPTATIONS PHYSIQUES CHEZ LES ANIMAUX L’UNIVERS VIVANT 1.6

Lorsqu’on observe un être vivant dans son milieu, on constate la plupart du temps que chacune des parties de son corps est parfaitement adaptée à sa fonction. Voici un certain nombre d’exemples d’adaptations physiques.

Les pattes

FIGURE

17

La taupe est un animal fouisseur. Ses pattes courtes et puissantes conviennent parfaitement pour creuser le sol rapidement.

FIGURE

18

Le kangourou est un animal sauteur. Ses pattes avant sont courtes. Ses pattes arrière en forme de V sont beaucoup plus longues et lui permettent de sauter.

FIGURE

19

FIGURE

Pleinement adaptées à leur environnement et à leur mode de vie, les pattes des animaux leur permettent de creuser, de grimper aux arbres, de marcher sur le sable, de nager, etc. (voir les gures 17 à 20).

20

Le dromadaire vit dans le désert. La peau dure et très épaisse de ses pieds lui permet de supporter la chaleur du sol. Ses pieds sont larges et plats avec deux gros orteils terminés par un ongle. Ils lui permettent d’avancer dans le sable sans s’enfoncer. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

L’écureuil roux est un rongeur. Ses pattes avant sont préhensiles, c’est-à-dire qu’elles peuvent prendre les graines dont il se nourrit. Munies de petites griffes, elles lui assurent une bonne prise lorsqu’il grimpe aux arbres. Chapitre 1 | La diversité de la vie

31

Les becs

L’UNIVERS VIVANT 1.6

Les oiseaux n’ont pas de dents. Leur bec est recouvert de corne qui se renouvelle pour éviter l’usure. En observant attentivement la forme du bec des oiseaux, on peut en déduire leur régime alimentaire (voir la gure 21).

Oiseau granivore (herbivore) Le bec court, large à la base et puissant du perroquet lui permet de briser les graines.

Oiseau omnivore Le bec puissant, de grosseur et de longueur moyennes du corbeau lui permet de briser des graines, de capturer des insectes ou des oisillons, de manger des fruits, etc.

Oiseau ltreur (carnivore) Le long bec recourbé du amant rose lui permet de ltrer les eaux de surface à la recherche de petits poissons, vers, mollusques, larves, plancton, etc.

Oiseau insectivore (carnivore) Le bec court et n de l’hirondelle lui permet de capturer les insectes. De même, avec son long bec pointu, le pic peut creuser l’écorce des arbres pour y saisir des insectes.

FIGURE

Oiseau carnassier (carnivore) Le bec court, crochu et puissant du faucon lui permet de déchirer et d’arracher la chair de ses proies.

21 La forme du bec des oiseaux permet de déduire leur régime alimentaire.

L’adaptation de l’apparence physique : le mimétisme et le camouage Pour se protéger de leurs prédateurs ou attirer leurs proies, certains animaux recourent au mimétisme, d’autres au camouage.

22

Un exemple de mimétisme : le papillon Kallima inachus imite une feuille morte pour tromper ses prédateurs.

32

L’univers vivant

FIGURE

FIGURE

Le mimétisme consiste pour un être vivant à tromper ses prédateurs en imitant l’apparence d’un individu d’une autre espèce (voir les gures 22 et 23). Souvent, les espèces imitées sont non comestibles ou dangereuses pour le prédateur.

23

Un autre exemple de mimétisme : l’hippocampe pygmée se confond avec les coraux.

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L’UNIVERS VIVANT 1.6

Le camouflage consiste à imiter des objets inanimés (pierres, sable, brindilles, etc.) pour se confondre avec son environnement et devenir presque invisible (voir la gure 24). L’animal peut ainsi se cacher et ses prédateurs ont de la diculté à le repérer. Mais les proies aussi ont du mal à voir venir un prédateur qui se camoue.

Plusieurs comportements permettent à une espèce de survivre dans son milieu. Il y a, entre autres, les tactiques de chasse, la régulation de la température corporelle et l’hivernation. Voici quelques exemples de ces adaptations comportementales.

FIGURE

LES ADAPTATIONS COMPORTEMENTALES CHEZ LES ANIMAUX 24 Un exemple de camouage : l’ibijau gris est un oiseau qui se confond avec le tronc de l’arbre où il niche.

La régulation de la température corporelle Comme la température des animaux à sang froid est inuencée par celle du milieu environnant, ils adoptent des comportements pour se protéger des changements de température et maintenir leur corps à la température appropriée. Par exemple, le crotale de Massasauga, un serpent, s’installe au soleil ou à l’ombre l’été (voir la gure 26). L’hiver, il se cache sous terre dans les ssures d’un rocher.

FIGURE

Les tactiques de chasse Les loups se déplacent en meute. De cette façon, ils assurent leur survie lorsqu’ils ont à aronter les prédateurs et ils accroissent leurs chances de succès à la chasse. La meute est dirigée par un mâle dominant (voir la gure 25).

25

Une meute de loups.

L’hivernation L’hivernation concerne tous les comportements adoptés par les animaux l’hiver. L’écureuil qui cache ses provisions hiverne autant que la marmotte qui hiberne ou que l’oiseau qui migre. FIGURE

L’hibernation est un comportement d’hiverna26 Le crotale de Massasauga se chauffe tion. C’est un état d’engourdissement dans lequel l’animal utilise ses réserves de graisse pour survivre au soleil. à la saison froide. La grenouille, la marmotte et la mouette sont des animaux qui hibernent. La migration est aussi un comportement d’hivernation. C’est un déplacement cyclique lié aux ressources de nourriture disponibles, à l’ensoleillement et à la température. Le canard colvert, le saumon, le caribou de la toundra, le papillon monarque et le béluga font partie des animaux qui migrent.

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Chapitre 1 | La diversité de la vie

33

LES ADAPTATIONS PHYSIQUES CHEZ LES VÉGÉTAUX

FIGURE

L’UNIVERS VIVANT 1.6

Les végétaux aussi ont recours à des adaptations physiques qui leur permettent d’exploiter leur environnement au maximum. C’est le cas des orchidées, qui assurent leur reproduction par mimétisme (voir la gure 27). La forme des arbres et de leurs feuilles est également adaptée au milieu. La figure 28 et le tableau 4, à la page suivante, mettent en parallèle les adaptations d’un feuillu, l’érable, et celles d’un conifère, le sapin. Des aiguilles de sapin

27

Avec leurs eurs poilues, les orchidées imitent les mouches femelles. Elles attirent ainsi les mouches mâles qui transportent leur pollen d’une eur à l’autre.

Des feuilles d’érable

Un cône de sapin

Le sapin

Des disamares d’érable

L’érable

34

L’univers vivant

FIGURE

Un bourgeon d’érable

28

Les adaptations de l’érable et du sapin. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Comparaison des adaptations de l’érable et du sapin

Adaptation de l’érable

Adaptation du sapin

Pour obtenir de la nourriture

Des pigments verts nommés « chlorophylle » assurent la réaction chimique qui fournit de la nourriture aux arbres sous forme de sucres.

Pour capter un maximum de lumière

Partie principale des feuilles large et terne

• Aiguilles étroites et luisantes, pâles en dessous • Le fait que les aiguilles captent moins de lumière que les feuilles de l’érable est compensé par l’abondance des aiguilles.

L’UNIVERS VIVANT 1.6

Tableau 4

• Feuilles ou aiguilles vertes • Branches horizontales • Feuilles ou aiguilles plus larges à la base de l’arbre qu’au sommet • Arbres de forme conique

Pour survivre pendant l’hiver

• Il perd ses feuilles à l’automne. L’arbre conserve ainsi un maximum d’énergie pour l’hiver. • Les futures feuilles sont protégées dans les bourgeons.

Pour se reproduire

Graines dans des disamares

• Ses aiguilles étroites dépensent moins d’énergie et limitent l’évaporation. L’arbre peut conserver 85 % de ses aiguilles toute l’année. • Il commence tôt au printemps à capter de la lumière. • Ses aiguilles sont recouvertes d’un dépôt épais qui les protège du gel. Graines dans des cônes

LES ADAPTATIONS COMPORTEMENTALES CHEZ LES VÉGÉTAUX Les végétaux recourent aussi à des adaptations comportementales qui les aident à survivre dans leur milieu de vie. Les tropismes sont des exemples d’adaptation comportementale (voir les gures 29 et 30). Ils consistent en un mouvement de la plante vers un élément non vivant du milieu.

29

Le phototropisme est le mouvement qui porte la tige et les feuilles d’une plante à se tourner vers la lumière. Il permet à la plante de bénécier du meilleur ensoleillement possible pour faire la photosynthèse. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

FIGURE

FIGURE

Sol sec

Sol humide

30

L’hydrotropisme est le mouvement qui porte les racines d’une plante à rechercher l’eau ou l’humidité. Il aide la plante à s’alimenter en eau. Chapitre 1 | La diversité de la vie

35

L’UNIVERS VIVANT 1.6

ACTIVITÉS 1

Expliquez dans vos mots ce qu’est l’adaptation.

2

Donnez deux exemples d’adaptation physique et deux exemples d’adaptation comportementale chez les animaux et chez les végétaux.

Adaptation physique Animaux

Végétaux

3

Adaptation comportementale

•

•

•

•

•

•

•

•

Voici la denture d’un être humain. Observez bien la forme des dents et leur fonction, puis répondez à la question. Incisive : Couper Canine : Déchirer

Quel est le régime alimentaire de l’être humain ?

Prémolaire : Broyer Molaire : Broyer Dent de sagesse : Broyer

36

L’univers vivant

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Les énoncés suivants correspondent-ils à des adaptations physiques ou à des adaptations comporte mentales ?

Énoncé

Adaptation physique

Adaptation comportementale

a) Les caribous changent de territoire à l’automne et au printemps. b) Chaque segment du ver de terre est muni de soies qui lui permettent d’avancer.

L’UNIVERS VIVANT 1.6

4

c) L’ours blanc a, sous son pelage, une peau complètement noire. Elle lui permet d’absorber un maximum de chaleur. d) La chouette effraie claque très fort avec son bec lorsqu’elle se sent menacée. e) Le cerf redresse la queue et sife pour avertir les autres d’un danger. f) Les hamsters mâles marquent leur territoire par des odeurs. g) Les sabots de l’orignal sont larges et palmés. Ils lui permettent de nager et de ne pas s’enfoncer dans les sols mous. 5

Cochez les énoncés qui décrivent les adaptations physiques permettant aux poissons de nager.

Énoncé

Adaptation physique permettant aux poissons de nager

a) Certains poissons possèdent des épines ou des parties tranchantes. b) Certains poissons se confondent avec le fond marin. c) L’eau que le poisson aspire est vivement rejetée par les branchies. d) La plupart des poissons ont une forme qui leur permet de bien glisser dans l’eau (hydrodynamique). e) Le corps des poissons est recouvert d’un liquide visqueux (mucus) qui les aide à bien glisser dans l’eau. f) Chez de nombreuses espèces de poissons, le ventre est moins foncé que le dos. g) Les membres des poissons sont des nageoires. h) Un bon nombre d’espèces pondent une grande quantité d’œufs, mais ne s’en occupent pas. i) Tous les poissons possèdent une ligne latérale leur permettant de détecter les vibrations des autres êtres vivants.

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Chapitre 1 | La diversité de la vie

37

6

Indiquez le régime alimentaire qui correspond à chacune des dentures illustrées ci-dessous. • Herbivore

• Omnivore

L’UNIVERS VIVANT 1.6

• Carnivore

A. J’ai des incisives puissantes et des molaires plates, mais pas de canines.

7

B. J’ai des canines fortes et longues et des molaires pointues.

C. J’ai des incisives coupantes, des canines pointues et des molaires broyeuses.

Les exemples suivants correspondent-ils à du camouage ou à du mimétisme ? Répondez en cochant la colonne appropriée.

Description

38

Camouage

a)

La couleur de la eur du Penstemon utahensis est semblable à celle du plumage du colibri qui assure sa pollinisation. Cet oiseau la visite, car elle ressemble à son partenaire sexuel.

b)

La phyllie est aussi appelée « insecte-feuille ». Elle ressemble à s’y méprendre aux feuilles qui l’abritent.

c)

Vu de dessous, le ventre clair des harengs se confond avec le ciel. Vues de dessus, leurs écailles foncées se fondent dans les fonds marins.

d)

Les « yeux » sur les ailes de certains papillons font peur aux prédateurs qui croient que l’animal est beaucoup plus gros.

e)

Les lithops ou plantes-cailloux ressemblent aux cailloux parmi lesquels elles poussent. Ainsi, les herbivores évitent de les dévorer.

L’univers vivant

Mimétisme

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Quelle est la différence entre l’hibernation et l’hivernation ?

9

La plupart des espèces ont adopté des comportements ou ont acquis des caractères physiques qui leur permettent de communiquer pour assurer leur survie. Leur moyen de communication consiste essentiellement à envoyer un signal aux autres individus de leur espèce. Associez chacun des exemples de la colonne de gauche au but que poursuit l’animal. a) Les oiseaux mâles ont un plumage très coloré. La luciole (« mouche à feu ») émet de la lumière. Les oiseaux chantent. b) Le cerf de Virginie redresse la queue. Le castor frappe la surface de l’eau avec sa queue. c) Le chien urine sur les végétaux ou les pierres. Les oiseaux chantent. d) La mouffette projette un liquide nauséabond, c’est-à-dire qui a une mauvaise odeur. Les sauterelles produisent des bruits très forts avec leurs ailes. e) Le dauphin sife, le loup hurle. f) Le chien et le loup relèvent la queue.

1) Afrmer sa dominance. 2) Attirer un partenaire sexuel. 3) Délimiter son territoire. 4) Prévenir les autres animaux de son espèce d’un danger. 5) Repousser un prédateur. 6) Rester en contact avec les autres animaux de son groupe, même s’ils sont loin.

10

Quelles adaptations permettent aux conifères de conserver leurs aiguilles toute l’année étant donné qu’elles demandent peu d’énergie ?

11

Les exemples de la colonne de gauche décrivent des adaptations. Associez chaque adaptation à sa fonction. a) Le phasme est un insecte qui ressemble à une brindille. Il demeure immobile toute la journée et sort la nuit pour se nourrir. b) Le saule infesté de chenilles libère une substance chimique qui amène les autres saules à sécréter une substance repoussante pour les chenilles. c) Les cactus emmagasinent l’eau dans leurs branches épaisses. d) L’hiver, le pelage du lièvre d’Amérique est blanc alors que l’été, il est brun grisâtre. e) Juste sous la peau, le béluga possède une couche de graisse épaisse de 2,5 cm à 9,5 cm.

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L’UNIVERS VIVANT 1.6

8

1) Échapper aux prédateurs. 2) Résister à la sécheresse. 3) Échapper aux prédateurs, moins présents la nuit. 4) Éloigner les insectes parasites. 5) Se protéger des eaux glaciales de son habitat durant l’hiver. Chapitre 1 | La diversité de la vie

39

1.7 L’évolution

FIGURE

L’UNIVERS VIVANT 1.7

Il y a environ 200 ans, les gens croyaient que toutes les espèces animales et végétales connues existaient depuis toujours. Surtout, ils étaient convaincus qu’il n’y avait jamais eu d’autres espèces que celles qui existaient alors. Mais par la suite, la découverte de fossiles de plantes ou d’animaux inconnus jusque-là a bouleversé ces croyances (voir la gure 31).

31 Un grain de pollen fossilisé. Ce fossile découvert en Suisse est âgé de 240 millions d’années. Il nous apprend que l’apparition des plantes à eurs sur Terre a eu lieu 100 millions d’années plus tôt que ce qui était supposé jusqu’ici par les scientiques. DÉFI NITI ON

L’évolution est l’ensemble des transformations subies très lentement par les êtres vivants au l des générations.

FLA SH

On sait aujourd’hui que les premières formes de vie sont apparues sur Terre il y a environ 3,8 milliards d’années. Les scientiques ont établi que les premiers organismes vivants étaient beaucoup plus simples que ceux d’aujourd’hui. Ils ont aussi montré que tous les êtres vivants, sans exception, sont issus de ces organismes. C’est le processus de l’évolution qui a permis à une multitude d’êtres vivants de se développer.

LES ÉTAPES DE L’ÉVOLUTION DES ÊTRES VIVANTS Par le moyen de procédés scientiques tels que l’observation des fossiles, on a pu retracer l’histoire de l’évolution des êtres vivants (voir la gure 32, à la page suivante). Les espèces évoluent très lentement. Elles acquièrent peu à peu de nouveaux caractères ; de nouvelles espèces apparaissent aussi. Par exemple, si certaines espèces aquatiques ont pu commencer à vivre hors de l’eau, c’est qu’au cours de leur évolution, elles ont élaboré des structures telles que des sacs pulmonaires. Les amphibiens, des animaux qui peuvent vivre à l’air libre comme dans l’eau, sont alors apparus. Les caractères des premiers amphibiens se sont transmis à leurs descendants, qui se sont, à la longue, parfaitement adaptés à la vie terrestre. Après les amphibiens, les reptiles, les mammifères, puis les oiseaux sont apparus sur Terre.

info

Se faire du sang de limule La limule est un arthropode de la famille des Limulidae. Elle est considérée comme un fossile vivant en raison de sa ressemblance avec des espèces disparues, ayant vécu il y a 500 millions d’années. La limule a longtemps été menacée d’extinction. L’être humain la chassait jusqu’à ce qu’il découvre les propriétés uniques de son « sang » bleu. Ce sang est aujourd’hui étudié par les scientiques. En effet, l’hémolymphe, l’équivalent du sang chez certains animaux, contient des cellules qui réagissent en présence de bactéries. Le sang de limule est utilisé, entre autres, en pharmacologie pour détecter la présence de contaminants dans les médicaments.

40

L’univers vivant

La limule ressemble à un casque de soldat. On la trouve souvent échouée sur la plage. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

-360 millions d’années

Oiseaux (ex. : aigle) Reptiles (ex. : tortue)

Mammifères (ex. : éléphant) (ex. : Homo sapiens : -200 000 ans)

Amphibiens (ex. : salamandre) -410 millions d’années

-245 millions d’années

Poissons (ex. : requin)

Arthropodes (ex. : homard)

-500 millions d’années Mollusques (ex. : escargot)

-580 millions d’années -700 millions d’années

FIGURE

-2 milliards d’années

32

Vers (ex. : ver de terre)

Échinodermes (ex. : étoile de mer)

Champignons Animaux Végétaux (premières cellules capables de photosynthèse)

L’UNIVERS VIVANT 1.7

-135 millions d’années

-540 millions d’années

Cnidaires (ex. : méduse) Éponges (ex. : éponge des mers)

Protistes

-2 milliards d’années

Monères

-3,4 milliards d’années

L’évolution des êtres vivants.

LA SÉLECTION NATURELLE Diérentes théories ont été bâties pour expliquer l’évolution des espèces. La théorie de la sélection naturelle, exposée par le naturaliste Charles Darwin en 1859, est aujourd’hui la plus communément admise. Selon cette théorie, parmi tous les individus génétiquement diérents d’une espèce, seuls ceux qui sont adaptés à leur milieu survivent et se reproduisent. Les individus les mieux adaptés à leur environnement assurent la descendance de l’espèce. D’une génération à l’autre, les individus sont donc de mieux en mieux adaptés à leur environnement. Après de nombreuses générations, les adaptations sont présentes chez tous les individus de l’espèce. Ces individus seront adaptés en permanence à leur milieu de vie tant que celui-ci ne change pas.

DÉFI NITI ON

La sélection naturelle est un des mécanismes qui interviennent au cours de l’évolution. Elle fait en sorte que les individus les mieux adaptés survivent et se reproduisent. Ce mécanisme permet d’expliquer l’adaptation des espèces à leur milieu.

Toutefois, les individus ne sont jamais parfaitement adaptés à leur milieu. Il arrive que des caractères moins favorables à la survie surgissent de temps en temps dans une population. C’est le cas, par exemple, de certaines maladies comme la dystrophie musculaire chez l’être humain. De plus, certains caractères défavorables, présents chez des individus génétiquement diérents des autres, peuvent devenir favorables à la suite de changements survenus dans le milieu environnant. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Chapitre 1 | La diversité de la vie

41

LES ÉTAPES DE L’ÉVOLUTION D’UNE ESPÈCE L’UNIVERS VIVANT 1.7

La gure 33 illustre comment se fait la sélection naturelle au cours de l’évolution des espèces. Elle montre l’évolution des doigts du cheval depuis 60 millions d’années. Ainsi, trois des doigts du cheval ont disparu progressivement. Cette lente transformation s’expliquerait par le fait que les chevaux les plus rapides étaient avantagés dans la prairie. Le type de changements décrit à la gure 33 s’opère très lentement, à la suite de transformations qui surviennent dans l’environnement. Changement de milieu de vie (le cheval quitte la forêt pour la prairie) Étape 1 Les individus de la même espèce se reproduisent.

Parents (mâle et femelle)

Étape 2 Des transformations peuvent apparaître au hasard de la reproduction.

Descendant

Descendant

Descendant

Étape 3 Une sélection naturelle s’opère.

Étape 4 L’évolution s’effectue sur une très longue période de temps.

Étape 5

FIGURE

L’espèce actuelle est adaptée à son milieu.

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

33

Les étapes de l’évolution des doigts du cheval depuis 60 millions d’années. Plus la couleur des encadrés « Descendant » est foncée, plus ces descendants ont des doigts qui leur permettent de se déplacer rapidement.

42

L’univers vivant

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L’UNIVERS VIVANT 1.7

Il arrive cependant que l’environnement change si rapidement que les espèces n’ont pas le temps d’évoluer pour assurer leur survie. Une extinction massive survient alors : de nombreuses espèces disparaissent en même temps. Enn, il peut aussi arriver que des changements se manifestent chez des espèces sans que leur environnement ait subi de modication importante. Par exemple, on constate que certaines structures propres à l’être humain, comme l’appendice ou les dents de sagesse, tendent à disparaître. (Cela ne compromet en rien la survie de l’espèce.)

Étape 1 Les individus de la même espèce se reproduisent. Il y a 60 millions d’années, les chevaux, comme aujourd’hui, étaient différents les uns des autres : certains avaient le poil plus long que les autres, d’autres les oreilles plus pointues, d’autres encore le doigt du milieu légèrement plus long que les autres, etc. Ces individus se sont reproduits et ont transmis leurs caractères, codés dans leurs gènes, à leurs descendants.

Étape 2 Des transformations peuvent apparaître au hasard de la reproduction. Au l des générations, des trans­ formations qui apparaissent par hasard lors de la reproduction touchent les caractères de certains descendants. Ainsi, certains chevaux peuvent avoir le doigt du milieu nettement plus long que les deux autres. Ce caractère peut les rendre uniques par rapport aux autres individus de leur espèce.

Étape 3 Une sélection naturelle s’opère. Parfois, les transformations permettent à l’individu d’être mieux adapté à son environnement. Ainsi, les chevaux ayant le doigt du milieu plus long bénécient d’un avantage pour la course. Plus rapides, ils échappent plus facilement à leurs prédateurs, survivent mieux dans leur milieu et atteignent plus souvent l’âge de la reproduction. Ils sont ainsi « sélectionnés » par la nature pour la reproduction et la transmission de leurs caractères. (Les individus les plus faibles ou moins adaptés au milieu meurent ou se reproduisent moins.) Étape 4 L’évolution s’effectue sur une très longue période de temps. Les étapes 1 à 4 s’étalent sur des millions d’années. Au cours de cette période, le nombre d’individus qui possèdent les caractères les plus favorables augmente puisque ces caractères sont toujours transmis d’une génération à l’autre.

Étape 5 L’espèce actuelle est adaptée à son milieu. Après de très nombreuses générations de chevaux issues de la sélection naturelle, plusieurs espèces de chevaux sont apparues. Certaines se sont maintenues longtemps, d’autres moins. Aujourd’hui, tous les chevaux possèdent un seul doigt. On peut donc dire que l’espèce actuelle est le résultat de l’évolution de ses ancêtres, adaptés à leur milieu.

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Chapitre 1 | La diversité de la vie

43

ACTIVITÉS Qu’est-ce que l’évolution ? Donnez une dénition dans vos mots.

2

Qu’est-ce que la sélection naturelle ? Donnez une dénition dans vos mots.

3

Indiquez si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Pour chaque énoncé que vous avez jugé faux, justiez votre réponse.

L’UNIVERS VIVANT 1.7

1

Énoncé

Vrai

Faux

a) Les gens ont toujours cru que les espèces ont évolué. b) Les êtres vivants n’ont pas toujours existé sur la Terre. c) Tous les êtres vivants qui existent aujourd’hui ou qui ont déjà existé ont évolué à partir des premiers organismes vivants. d) Dans le processus d’évolution des êtres vivants, les oiseaux ont précédé les mammifères. e) Généralement, l’évolution est causée par un changement dans l’environnement des êtres vivants. Justications (indiquez la lettre de l’énoncé) :

44

L’univers vivant

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En les numérotant, classez les êtres vivants selon leur ordre d’apparition sur Terre.

L’UNIVERS VIVANT 1.7

4

Poissons

Mollusques

Oiseaux

Végétaux

Bactéries

Premières cellules

Mammifères

Êtres humains actuels

Vers

5

Quelles sont les étapes de l’évolution d’une espèce ? 1) 2) 3) 4) 5)

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Chapitre 1 | La diversité de la vie

45

6

La gure ci-dessous illustre l’évolution du genre Homo, c’est-à-dire l’évolution des êtres humains. Observez-la, puis répondez aux questions qui suivent.

L’UNIVERS VIVANT 1.7

L’évolution du genre Homo Homo habilis Homo rudolfensis

Homo oresiensis Homo erectus

Homo neanderthalensis Homo heidelbergensis Homo sapiens -2,5

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0 Million(s) d’années

a) Quelle est la seule espèce du genre Homo qui existe encore aujourd’hui ?

b) Cochez les autres espèces du genre Homo qui ont vécu sur la Terre en même temps que l’Homo sapiens. Homo rudolfensis

Homo oresiensis

Homo neanderthalensis

Homo habilis

Homo erectus

Homo heidelbergensis

c) À quel moment environ est apparu l’Homo sapiens?

d) Quelle espèce d’êtres humains s’est maintenue le plus longtemps ?

7

Voici quelques énoncés qui décrivent l’acquisition de la résistance à un insecticide chez le moustique commun. Replacez-les dans le bon ordre en les numérotant. Dans les années 1960, on a mis en place des traitements insecticides destinés à anéantir les moustiques à reproduction très rapide, nuisibles aux êtres humains. Certains de ces moustiques possédaient un caractère rare qui leur permettait de résister à l’insecticide. L’adaptation est transmise de génération en génération par la reproduction. Les moustiques qui ont le caractère leur permettant de résister à l’insecticide survivent plus facilement et ont plus de chances de se reproduire : ils sont mieux adaptés que les autres. Toutes les populations de moustiques se trouvant sur les territoires traités par l’insecticide ont le caractère qui permet de résister à l’insecticide.

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L’univers vivant

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Qui suis-je ? Sans ce processus de multiplication des individus, l’évolution des espèces serait impossible.

9

Le texte suivant traite de l’évolution de la famille des giradés. Lisez le texte, puis répondez aux questions. Les giradés Il y a environ 25 millions d’années, le hasard de la diversité génétique et de la reproduction a fait que le corps de certains ruminants s’est allongé. C’est ainsi que les premiers giradés sont apparus en Afrique et en Asie. Leur long corps les différencie des autres ruminants comme la vache. Vingt millions d’années après, les premières savanes africaines sont apparues. Ce sont de vastes plaines herbeuses ayant peu d’arbres et de eurs. La plupart des brouteurs de feuilles, dont plusieurs espèces appartenant à la famille des giradés, ont alors disparu, car ils étaient incapables de s’adapter au changement de milieu. Des espèces de la famille des giradés sont cependant apparues en Afrique. Certaines de ces espèces, au cou très long, se nourrissaient des feuilles à la cime des arbres de la savane. C’étaient les ancêtres de la girafe. Comme elles étaient les seuls animaux de la savane à avoir un cou assez long pour brouter les feuilles placées très haut, les girafes sont parvenues à survivre.

L’UNIVERS VIVANT 1.7

8

Un okapi.

D’autres giradés, au cou moins long et de plus petite taille, broutaient les feuillages inférieurs ; ils ont migré vers les forêts, car ils ne trouvaient plus sufsamment de nourriture dans la savane. Ce sont les ancêtres des okapis. Aujourd’hui, les giradés ne sont plus représentés que par les okapis et les girafes. Les girafes habitent les savanes africaines, et les okapis certaines forêts du Congo, en Afrique centrale.

Des girafes.

a) Quel changement survenu dans l’environnement a enclenché les mécanismes de l’évolution ?

b) Quel caractère a favorisé les girafes ?

c) Quels caractères ont favorisé les okapis ?

d) Formulez une hypothèse qui expliquerait pourquoi les giradés ont presque tous disparu au cours de l’évolution.

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Chapitre 1 | La diversité de la vie

47

L’UNIVERS VIVANT 1.7

POUR FAIRE LE POINT

1

La gure suivante présente le classement de quelques animaux. Observez-la, puis répondez aux questions.

Règne : animal Embranchement : chordés (vertébrés) Classe : mammifères

Ordre : carnivores

Famille : canidés

Genre : Canis

Espèce : Canis lupus

a) Peut-on dire que la marmotte est un animal carnivore ? Sinon, quel est son régime alimentaire ?

b) Qu’est-ce qui différencie l’oiseau des autres chordés illustrés ?

c) Qu’est-ce que le loup et le chien ont en commun ?

48

L’univers vivant

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e) Quels sont les deux mammifères de la gure qui ne sont pas des canidés ?

f) Quels sont les trois critères sur lesquels on se base pour afrmer que le renard et le chien n’appartiennent pas à la même espèce ?

2

L’UNIVERS VIVANT 1.7

d) Parmi les animaux illustrés, lequel n’appartient pas aux chordés ? Quelle structure lui manquet-il pour appartenir à cet embranchement ?

Le texte suivant présente une situation où une espèce animale s’est ajustée à la suite de l’introduction d’un autre animal dans son milieu. Après l’avoir lu, expliquez ce qui s’est produit. Le râle de lord et le sanglier Dans les années 1980, l’être humain a introduit des sangliers sur une île où vivait une espèce d’oiseaux, le râle de lord (Tricholimnas sylvestris). Pour survivre, ces oiseaux se sont réfugiés sur les sommets de l’île. Leur taux de reproduction a rapidement baissé et, par le fait même, leur nombre. Quelques années plus tard, l’élimination complète des sangliers de l’île a été suivie rapidement du retour du râle dans son milieu initial. Le taux de reproduction est redevenu ce qu’il était auparavant et la population de râles a progressivement augmenté.

3

Le texte suivant présente un animal particulier : le dauphin rose d’Amazonie, connu aussi sous le nom de « boto ». Après l’avoir lu, répondez aux questions qui le suivent. Le dauphin rose d’Amazonie Le dauphin rose d’Amazonie (Inia geoffrensis) est un véritable fossile vivant qui a conservé l’aspect des premiers dauphins. Il a quitté les eaux salées occupées par la plupart des autres dauphins et s’est adapté aux eaux douces. Il habite dans le euve Amazone, en Amérique du Sud. Ce euve inonde les forêts environnantes six mois par année. Le dauphin rose mange alors les fruits et les baies des arbres. Sinon, il se nourrit de poissons-chats, de piranhas et d’autres poissons et crustacés. Son plus grand prédateur est l’être humain. La tête du dauphin rose pivote de 90 degrés. Cela s’explique par le fait que ses vertèbres cervicales ne sont pas soudées. Le dauphin possède un aileron dorsal et des nageoires souples et larges comme des ailes. Sa tête, son aileron et ses nageoires lui permettent de se fauler, ventre en l’air et parfois à reculons entre les troncs, les racines et les feuilles de la forêt.

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Chapitre 1 | La diversité de la vie

49

Le museau du dauphin rose est muni de poils qui lui servent à repérer ses proies. Ses dents sont puissantes, elles peuvent broyer des poissons à peau très dure. Pour repérer ses proies dans l’eau boueuse, il envoie des sons et écoute leur écho. L’UNIVERS VIVANT 1.7

Pendant la saison des inondations, le dauphin rose chasse seul. Sinon, les dauphins roses vivent en famille, dirigés par un mâle dominant. Les familles se regroupent et on peut observer jusqu’à 100 dauphins qui pêchent ensemble. a) On dit du dauphin rose qu’il est un fossile vivant. Qu’est-ce que cela indique par rapport à son évolution ?

b) Selon le texte, trois adaptations physiques rendent le dauphin rose apte à vivre dans son habitat en période d’inondation. Quelles sont ces trois adaptations ?

c) Complétez la che sur la niche écologique du dauphin rose.

Fiche de la niche écologique du dauphin rose • Nom de l’espèce :

• Lieux occupés :

• Régime alimentaire :

• Période d’activité :

4

Placez les étapes de la sélection naturelle dans le bon ordre. A. Des transformations peuvent apparaître au hasard de la reproduction. B. L’espèce actuelle est adaptée à son milieu. C. L’évolution s’effectue sur une très longue période de temps. D. Les individus de la même espèce se reproduisent. E. Une sélection naturelle s’opère.

50

L’univers vivant

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Indiquez si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Pour chaque énoncé que vous avez jugé faux, justiez votre réponse.

Énoncé

Vrai

Faux

a) Les individus d’une même espèce appartiennent tous à la même population. b) Les diverses population d’une même espèce peuvent présenter des différences physiques. c) Les individus d’une même espèce occupent tous le même habitat.

L’UNIVERS VIVANT 1.7

5

d) Pour désigner une population, on ne fait que nommer l’espèce dont il s’agit. Justications (indiquez la lettre de l’énoncé) :

6

Indiquez si les énoncés suivants correspondent à des adaptations physiques ou à des adaptations comportementales.

Énoncé

Adaptation physique

Adaptation comportementale

a) Les baleines migrent vers le sud à l’automne. b) Les limules possèdent dix yeux dont quatre sont primitifs. Ces quatre yeux ne détectent que les objets en mouvement. c) Le pelage du lièvre d’Amérique est brun grisâtre en été et blanc en hiver. d) Les cténophores sont des organismes marins qui ressemblent à des méduses. Ils ont la capacité de régénérer leur système nerveux. e) Les tortues aquatiques passent l’hiver dans un trou profond qu’elles ont creusé dans la boue. f) Les abeilles effectuent une danse caractéristique pour avertir les autres abeilles de la présence de nourriture. g) Le raton laveur possède des pattes préhensiles. Elles lui permettent de saisir des objets avec dextérité.

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Chapitre 1 | La diversité de la vie

51

7

Cochez les énoncés qui décrivent les adaptations permettant aux oiseaux de voler.

L’UNIVERS VIVANT 1.7

Énoncé

Adaptation permettant aux oiseaux de voler

a) Certains oiseaux ont une vue perçante. b) Leurs ailes contiennent des os. c) Leurs membres antérieurs (avant) sont des ailes. d) La plupart ont un corps de forme aérodynamique. e) Leurs ailes sont formées de quatre parties mobiles qui jouent des rôles différents. f) Le duvet est constitué de nes plumes collées sur leur peau. g) Des plumes imperméables recouvrent leur corps. h) Des plumes plus longues et dures sont présentes sur leurs ailes et sur leur queue. i) Leurs muscles pectoraux sont très forts.

8

Cochez le règne auquel appartient chacun des êtres vivants suivants.

Être vivant

Règne des monères

Règne des protistes

Règne végétal

Règne des champignons

Règne animal

Amibe

Bactérie intestinale (Escherichia coli) Chêne Corail Levure (Saccharomyces) Lièvre Mousse Truffe

52

L’univers vivant

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La cellule est l’unité de base de la vie Elle est présente chez tous les êtres vivants, du plus simple qui n’en contient qu’une seule, au plus complexe constitué de milliards de cellules La reproduction est aussi un phénomène commun à tous les êtres vivants Tout comme la cellule, la reproduction contribue au maintien de la vie et assure la survie des espèces Selon vous, les espèces se reproduisent-elles toutes de la même manière ? Les poissons, les papillons, les souris et les érables ont-ils recours aux mêmes stratégies pour assurer le maintien de la vie ?

SOMMAIRE

CHAPITRE

L A P ERPÉ T UAT ION DE S E SPÈCES PO UR LE MA INT IEN DE L A V IE 2.1 Les caractéristiques du vivant  54 2.2 Les cellules et leurs constituants visibles au microscope 59 OUTIL 1 Utiliser un microscope optique 63 Pour faire le point  68 2.3 La reproduction asexuée et la reproduction sexuée  68 2.4 Les modes de reproduction chez les végétaux  71 2.5 Les modes de reproduction chez les animaux  81 Pour faire le point  88

53

2.1 Les caractéristiques du vivant L’UNIVERS VIVANT 2.1

Qu’ils soient minuscules comme les bactéries et les algues microscopiques, ou énormes comme la baleine bleue et le séquoia, tous les êtres vivants se dénissent par un ensemble de caractéristiques. Pour être considéré comme un vivant, un être doit en fait posséder l’ensemble des caractéristiques présentées dans cette section. Ces caractéristiques sont les suivantes : • l’organisation en cellules ; • les échanges avec le milieu ; • la fonction de reproduction ; • la croissance ; • le développement et la réparation ; • la réaction aux stimuli ; • l’adaptation. DÉFI NITI ON

Les caractéristiques du vivant sont l’ensemble des caractéristiques que possèdent les êtres vivants. Elles permettent de distinguer les êtres vivants de la matière non vivante.

FIGURE

L’ORGANISATION EN CELLULES

34

Des cellules d’épinard grossies 4500 fois.

Le monde vivant est une organisation complexe dont l’unité de base est la cellule. En fait, tous les êtres vivants sont composés de cellules (voir la gure 34). Certains, comme les bactéries, sont constitués d’une seule cellule. Ce sont des êtres unicellulaires. D’autres, comme les animaux et les végétaux, sont formés d’une multitude de cellules. Ce sont des êtres pluricellulaires. La matière non vivante, elle, n’est pas composée de cellules.

LES ÉCHANGES AVEC LE MILIEU Tous les êtres vivants prélèvent de la matière dans leur milieu pour se nourrir et pour respirer.

FIGURE

La nutrition

35 Tous les animaux consomment d’autres êtres vivants et de l’eau pour se nourrir. Ils rejettent ensuite les déchets de la digestion dans leur environnement.

54

L’univers vivant

La nutrition procure de l’énergie aux êtres vivants (voir la gure 35 et la gure 36, à la page suivante). Certains d’entre eux, les plantes vertes, prélèvent aussi directement de l’énergie dans leur milieu. Tous rejettent des déchets et des gaz. Ces échanges fournissent aux êtres vivants les éléments essentiels à leur fonctionnement ainsi qu’une réserve d’énergie. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

LA FONCTION DE REPRODUCTION Tous les êtres vivants ont la capacité de se repro­ duire et de transmettre leurs caractéristiques à leur descendance.

36 Les plantes vertes fabriquent leur nourriture en puisant du gaz carbonique dans l’air, de l’eau et des sels minéraux dans le sol. Sous l’action de la lumière, ces divers éléments subissent une réaction chimique. Les plantes vertes évacuent les déchets de la réaction dans leur environnement. Ce sont des producteurs. Un de ces déchets est l’oxygène que nous respirons.

L’UNIVERS VIVANT 2.1

La respiration cellulaire est une réaction chi­ mique qui a lieu dans les cellules. À l’aide de l’oxygène qu’elles absorbent, les cellules trans­ forment les sucres provenant de la nutrition et les convertissent en énergie. Elles rejettent aussi du gaz carbonique. Cette réaction permet à tous les êtres vivants d’obtenir l’énergie nécessaire pour se reproduire, se mouvoir, grandir, soigner leurs blessures, etc.

FIGURE

La respiration cellulaire et l’utilisation de l’énergie

Tous les êtres vivants naissent, se développent et meurent. L’énergie fournie par la nutrition permet aux cellules des êtres vivants de se multiplier et donc aux tissus de se développer et de se réparer (voir la gure 37). La plupart des cellules se multiplient et se réparent jusqu’à la mort de l’organisme.

FIGURE

LA CROISSANCE, LE DÉVELOPPEMENT ET LA RÉPARATION

37 Lorsqu’ils sont blessés ou malades, les êtres vivants utilisent une bonne partie de leur énergie pour réparer leurs cellules.

LA RÉACTION AUX STIMULI Les êtres vivants réagissent aux diérents stimuli qui proviennent du milieu. Les stimuli sont des excitations qui provoquent une réaction (voir la gure 38). Ils peuvent être de diverses natures : odeurs, saveurs, sons, lumière, chaleur, fumée, etc. Les réactions aussi peuvent être variées : fuite, cri, attaque, déplacement, protection des petits, etc.

L’adaptation est un trait physique ou un compor­ tement qui permet à une espèce de survivre dans son milieu. Il existe de nombreuses formes d’adaptation. Rappelons, par exemple, le recours au mimétisme et au camouage chez certaines es­ pèces animales (voir la section 1.6, à la page 30). Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

FIGURE

L’ADAPTATION 38 Les tropismes des plantes sont des réactions lentes aux stimuli. Le phototropisme (photo du haut) de la plante est une réaction à la lumière, tout comme la pupille qui se dilate (photos du bas).

Chapitre 2 | La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

55

FLA SH

techno

L’UNIVERS VIVANT 2.1

Des robots qui imitent les êtres vivants Un robot est un assemblage de pièces mécaniques et électro­ niques commandées par une intelligence articielle. Appa­ rus en 1961, les robots sont de plus en plus autonomes et accomplissent des tâches de plus en plus complexes. En 2013, des ingénieurs ont conçu le robot Atlas. Ayant une apparence humaine, ce robot de 1,8 m a été développé pour mener diverses tâches de recherche, de défense et de sau­ vetage à la place des êtres humains. Sa force et son excel­ lent sens de l’équilibre lui permettent de se déplacer dans un environnement rempli d’obstacles, comme une forêt. Pour l’instant, Atlas est relié à une source d’alimentation à l’aide Le robot Atlas. Ce robot est doté d’un très bon sens de l’équilibre qui d’un câble. Il manque donc d’autonomie. Les ingénieurs lui permet de se déplacer en terrain poursuivent leurs recherches pour le rendre complètement accidenté. autonome. Le développement de la robotique a permis de construire des machines qui se rapprochent de plus en plus des êtres vivants. Mais pour être quali­ és de « vivants », les robots devraient aussi pouvoir se reproduire… et être faits de cellules !

ACTIVITÉS 1

Voici une série d’énoncés concernant les végétaux. Pour chacun d’eux, indiquez de quelle caractéristi­ que du vivant il s’agit. a) La plante absorbe par ses racines les éléments nutritifs contenus dans l’engrais qu’elle reçoit régulièrement.

b) Les marguerites sont des végétaux pluricellulaires.

c) Une fois la graine de carotte mise en terre, la plante pousse et ses racines pénètrent de plus en plus profondément dans le sol. Si les racines ne sont pas cueillies, des eurs apparaîtront sur la tige au cours de la deuxième année de vie. La carotte a un cycle de vie bisannuel.

d) Pour se développer, le tournesol dirige sa eur vers la lumière.

e) Les parties femelles d’une eur de pommier sont fécondées par les parties mâles d’une autre eur de pommier.

f) Les feuillus perdent leurs feuilles l’automne, alors que la plupart des conifères les conservent toute l’année.

56

L’univers vivant

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2

Associez chacune des illustrations aux caractéristiques du vivant. Chaque illustration ne peut être utilisée qu’une seule fois. B

C

E

F

G

D

L’UNIVERS VIVANT 2.1

A

a) L’organisation en cellules b) Les échanges avec le milieu : l’utilisation de l’énergie c) La croissance, le développement et la réparation

e) Les échanges avec le milieu : la nutrition f) La fonction de reproduction g) La réaction aux stimuli

d) L’adaptation 3

Voici une série d’énoncés qui concernent les animaux. Pour chaque énoncé, indiquez de quelle caractéristique du vivant il s’agit. Chaque caractéristique ne peut être utilisée qu’une seule fois. a) Le papillon monarque migre au Mexique chaque automne.

b) Les grenouilles sont capables de respirer dans l’eau et à l’air libre.

c) Les abeilles possèdent des cellules spécialisées sur la langue, la cavité buccale et les deux premières paires de pattes.

d) Même si l’ourse est fécondée au printemps, le développement des embryons est retardé an que les oursons ne naissent qu’au printemps suivant.

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Chapitre 2 | La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

57

e) Les loups chassent, protègent leurs louveteaux, défendent et explorent leur territoire.

L’UNIVERS VIVANT 2.1

f) Une abeille avertit les autres abeilles d’un danger en émettant des substances odorantes.

g) Élodie mesure trois centimètres de plus que l’an dernier.

4

Complétez la grille de mots à l’aide des dénitions suivantes. Verticalement 1.

Se dit d’un être vivant qui se nourrit en puisant du gaz carbonique dans l’air, de l’eau et des sels minéraux dans le sol.

2.

Stade de développement d’un être vivant : venue au monde.

3.

Fonction servant à procurer de l’énergie aux êtres vivants.

4.

Ces organes reçoivent les stimuli. Chez les êtres humains, ils comprennent notamment le nez et la langue. On les appelle « organes des… ».

5.

Stimuli nous avertissant d’un incendie dans la maison.

6.

Action qu’un animal doit accomplir pour explorer son territoire, se nourrir, trouver un partenaire en vue de la reproduction, etc.

7.

Type de stimuli captés par les cellules du nez des êtres humains.

8.

Type de stimuli captés par les papilles gustatives des êtres humains.

9.

Unité de base présente chez tous les êtres vivants.

10.

Éléments du milieu qui provoquent une réaction chez les êtres vivants.

11.

Fonction des êtres vivants qui assure la guérison des blessures. Horizontalement

58

12.

Réaction lente des plantes à la stimulation par la lumière.

13.

Capacité d’une espèce à s’adapter aux changements survenant dans son environnement.

14.

Gaz absorbé dans la respiration par tous les êtres vivants qui doivent respirer pour vivre.

15.

Fonction consistant à transmettre son matériel génétique à sa descendance.

16.

Action de grandir en parlant des êtres vivants.

17.

Une des réactions possibles aux stimuli.

18.

État où les cellules ne peuvent plus se multiplier.

19.

Une des réactions possibles aux stimuli.

20.

Se dit d’un être vivant qui consomme d’autres êtres vivants pour se nourrir.

21.

Organisme composé d’une seule cellule.

L’univers vivant

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1

4

6

12

13

D 7

14

15 9 3

10

16 R 17

E

L

A

A

T

I

O

N

L’UNIVERS VIVANT 2.2

2

11 18 8 5 19

S

F

20 C

21

2.2 Les cellules et leurs constituants visibles au microscope La cellule est l’unité de base de la vie, c’est-à-dire que tous les êtres vivants sont composés de cellules. Mais toutes les cellules ne sont pas organisées de la même manière. Dans cette section, nous en apprendrons davantage sur les cellules animales et les cellules végétales.

DÉFI NITI ON

La cellule est l’unité de base de tous les êtres vivants ; c’est la plus petite unité de vie.

LES CELLULES ANIMALE ET VÉGÉTALE La cellule animale typique ressemble à celle qui est présentée à la gure 39, alors que la cellule végétale typique ressemble à celle de la gure 40 (voir la page suivante). La cellule végétale est reconnaissable à sa forme allongée, à la présence d’une grande vacuole, d’une paroi cellulosique et de sacs – les chloroplastes – contenant des pigments verts.

LES FONCTIONS VITALES DE LA CELLULE Il existe plusieurs genres de cellules ; leur forme varie selon leur rôle. Les gures 41 à 43 présentent des exemples de cellules animales. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Chapitre 2 | La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

59

1. Membrane cellulaire

5

2. Cytoplasme

4

L’UNIVERS VIVANT 2.2

3. Noyau 4. Vacuoles

FIGURE

FIGURE

5. Mitochondries

39

Le schéma d’une cellule animale.

1. Membrane cellulaire

41

La cellule nerveuse, nommée « neurone », transmet les messages.

2. Cytoplasme

7. Chloroplastes

3. Noyau 4. Vacuole

Globule blanc

5

Globule rouge

7

5. Mitochondries

FIGURE

FIGURE

6. Paroi cellulosique

42

Les globules blancs assurent la défense du corps et les globules rouges assurent entre autres la circulation des gaz dans le sang.

40

Le schéma d’une cellule végétale.

Quel que soit leur rôle dans l’organisme, toutes les cellules accom­ plissent leurs propres fonctions vitales. Ainsi, toutes les cellules utilisent l’oxygène, un gaz qui leur procure l’énergie nécessaire pour fonctionner : c’est la fonction de respiration cellulaire. La fonc­ tion de croissance et de réparation de l’organisme est une autre fonction vitale des cellules.

LES CONSTITUANTS CELLULAIRES

FIGURE

Toutes les cellules vivantes sont entourées d’une membrane très ne : la membrane cellulaire. Les cellules végétales sont entou­ rées en plus d’une membrane rigide nommée paroi cellulosique. À l’intérieur de ces membranes se trouvent d’autres constituants : les organites.

43

Les cellules musculaires consomment beaucoup d’énergie. Elles régissent les mouvements.

60

L’univers vivant

Chaque cellule, animale ou végétale, contient des organites. Ce sont des éléments qui permettent à la cellule d’accomplir ses tâches. Le tableau 5 présente les principaux constituants cellulaires (mem­ branes et organites) de même que leurs fonctions. Sous chacun des Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Tableau 5 Les constituants cellulaires et leurs fonctions Constituant cellulaire

Description et fonctions des constituants présents dans les cellules animales et végétales

Cellules animales et végétales Membrane cellulaire (clôture)

• Structure percée de petits trous (pores) qui aide à contrôler l’entrée et la sortie des substances dans la cellule. • Elle entoure la cellule. • Elle retient le cytoplasme et protège les organites.

Cytoplasme (dessert gélatineux)

• Masse gélatineuse, transparente et incolore, plus ou moins liquide et toujours en mouvement. • Il occupe la plus grande partie de la cellule, c’est-à-dire tout l’espace inoccupé par les organites. • Tous les organites de la cellule y baignent. • Sa texture gélatineuse maintient les organites en place. • Il permet la distribution des substances, comme l’oxygène et les éléments nutritifs, à toutes les parties de la cellule.

Noyau (centre des commandes)

• Généralement sphérique et situé au centre de la cellule. • On y trouve l’ADN, porteur des gènes. Les gènes sont responsables de la croissance et de la reproduction de la cellule. • Il dirige et contrôle toutes les activités de la cellule.

Vacuoles (camions à ordures ou entrepôts)

• Elles ont chacune la forme d’un petit sac. • Elles entreposent des déchets avant leur élimination ou des substances que la cellule n’utilise pas immédiatement : nutriments, gras, etc. • La cellule végétale en compte une seule, qui est beaucoup plus grande que les vacuoles de la cellule animale.

Mitochondries (centrale électrique)

• • • •

L’UNIVERS VIVANT 2.2

constituants, une comparaison avec un élément connu est donnée an de mieux faire comprendre son rôle.

Elles sont entourées de deux membranes. Elles ont la forme de petits grains ovales de taille variable. Elles sont dispersées dans le cytoplasme. Lieu de la respiration cellulaire, qui procure à la cellule l’énergie dont elle a besoin pour fonctionner.

Cellule végétale Paroi cellulosique (palissade, ville fortiée)

• Paroi qui recouvre la membrane cellulaire de la cellule végétale, plus épaisse que cette dernière et très rigide. • Elle est formée d’une matière très résistante, la cellulose (d’où son nom). • Sa rigidité limite les déplacements et empêche les déformations excessives de la cellule. • Son élasticité permet la croissance de la cellule végétale.

Chloroplastes (tubes de peinture)

• Ils sont situés dans le cytoplasme des cellules végétales. • Ils ont chacun la forme d’une petite bulle. • Ils contiennent un pigment, la chlorophylle, qui donne aux plantes leur couleur verte. (La chlorophylle absorbe la lumière du Soleil et l’utilise pour une réaction chimique, la photosynthèse. Cette réaction permet aux végétaux de fabriquer leur propre nourriture, c’est-à-dire du glucose, une forme de sucre.)

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Chapitre 2 | La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

61

LES CONSTITUANTS DE LA CELLULE VISIBLES AU MICROSCOPE L’UNIVERS VIVANT 2.2

Tous les organes du corps humain (poumons, yeux, peau, etc.) se voient à l’œil nu. Cependant, les cellules qui constituent ces organes sont invisibles à l’œil nu. Pour les observer, il faut utiliser des instruments qui grossissent les objets. Le microscope est un de ces instruments. On distingue deux types de microscope : le microscope optique et le microscope électronique. Dans ce cahier, il sera question seulement du microscope optique, utilisé en classe.

Le microscope optique Le microscope optique utilise la lumière visible pour obtenir une image de cellules vivantes ou mortes. Il grossit les images jusqu’à 1000 fois. Comme le cytoplasme des cellules animales est transparent et incolore, on colore ces cellules pour pouvoir les observer. Le tableau 6 présente la liste des constituants des cellules animales et végétales qu’on peut distinguer au microscope optique. Tableau 6 Les constituants des cellules animales et végétales visibles au microscope optique Cellule animale • Membrane cellulaire • Cytoplasme • Noyau

Cellule végétale • • • • • •

Membrane cellulaire Cytoplasme Noyau Paroi cellulosique Vacuole Chloroplastes

Les gures 44 et 45 montrent des cellules animales et végétales vues au microscope. En plus des constituants identiés, on peut aussi observer des petits granules à l’intérieur du cytoplasme : ils correspondent aux diérents organites. Le grossissement est cependant trop faible pour qu’il soit possible de distinguer ces organites. Membrane cellulaire Noyau Cytoplasme

Vacuole Noyau Paroi cellulosique Membrane cellulaire Cytoplasme

44 Des cellules animales de l’épithélium buccal humain colorées à l’éosine et grossies 1000 fois.

62

L’univers vivant

FIGURE

FIGURE

Chloroplastes

45 Des cellules végétales de l’élodée (plante aquatique) colorées au lugol (colorant à base d’iode) et grossies 100 fois. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Le microscope optique (voir la gure A) permet de grossir des objets trop petits pour être visibles à l’œil nu. Pointeur Sert à pointer une partie de l’échantillon.

Oculaire Permet d’agrandir l’image. Corps Supporte l’oculaire.

L’UNIVERS VIVANT 2.2

OUTIL 1 Outil ILISER UN MICROSCOPE OPTIQUE UT

Potence Supporte la tourelle.

Tourelle porte-objectifs Tourne pour changer d’objectif. Objectifs Permettent d’agrandir et d’inverser l’image.

Vis macrométrique Permet un réglage grossier de la netteté de l’image.

Valets Maintiennent la lame en place.

Condenseur (comprend le diaphragme) Condense la lumière.

Platine Supporte la lame.

Vis micrométrique Permet un réglage n de la netteté de l’image.

Source lumineuse Éclaire l’échantillon observé.

FIGURE

Pied Stabilise le microscope.

A

Les composantes du microscope optique et leur fonction.

COMMENT PROCÉDER 1° Transporter toujours le microscope avec deux mains, de façon à le maintenir droit. Tenir fermement la potence avec une main. L’autre main devrait soutenir le pied. 2° Brancher l’appareil et s’assurer que la source lumineuse fonctionne. 3° Examiner la propreté des lentilles en regardant dans l’oculaire. Au besoin, nettoyer les lentilles et la source lumineuse avec du papier à lentille. 4° À l’aide de la vis macrométrique, abaisser complètement la platine. 5° Placer la lame sur la platine et la xer sous les valets. 6° Vérier l’ouverture du diaphragme et l’ajuster si nécessaire. 7° À l’aide de la tourelle porte-objectifs, mettre en place le plus petit objectif pour commencer. 8° Remonter très lentement la platine à l’aide de la vis macrométrique. Il ne doit pas y avoir de contact entre l’objectif et la lame. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

9° Abaisser ensuite la platine jusqu’à l’obtention de l’image la plus nette possible (elle sera toujours légèrement brouillée). 10° Ne plus toucher à la vis macrométrique. 11° Tourner la vis micrométrique pour obtenir une image plus nette. 12° Centrer l’échantillon observé à l’aide du chariot mobile avant de passer au prochain objectif. 13° Pour augmenter le grossissement, passer à l’objectif suivant. Faire ensuite la mise au point à l’aide de la vis micrométrique. 14° Dessiner l’image qui apparaît dans l’oculaire et noter le grossissement. 15° Une fois le travail terminé, abaisser la platine et replacer l’objectif au grossissement le plus faible. Il faut aussi retirer la lame. 16° Débrancher le microscope en tirant sur la che et non sur le cordon. 17° Avant de ranger le microscope, nettoyer le matériel (lentilles, objectif, lame, etc.).

Chapitre 2 | La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

63

L’UNIVERS VIVANT 2.2

ACTIVITÉS 1

La cellule est l’unité de base de la vie. Que signie cette afrmation ?

2

Indiquez deux fonctions vitales accomplies par les cellules.

3

Que sont les organites ?

4

Par rapport aux structures qui enveloppent les cellules, quelle est la principale différence entre les cellules animales et les cellules végétales ?

5

Identiez chacune des cellules et indiquez dans la légende le nom de chaque constituant. B

B

D

C

C D

A

G E E A

F

La cellule

La cellule

Légende

Légende

A

D

A

E Mitochondries

B

E Mitochondries

B

F

C

G

C

D

64

L’univers vivant

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Faites correspondre chacun des constituants à la fonction appropriée. • Chloroplastes

• Mitochondries

• Paroi cellulosique

• Cytoplasme

• Noyau

• Vacuoles

• Membrane cellulaire

Fonction

Constituant

a) Absorption de l’énergie lumineuse

L’UNIVERS VIVANT 2.2

6

b) Contrôle, direction c) Entreposage d) Maintien et distribution e) Production d’énergie f) Protection et échanges g) Structure 7

Faites correspondre chacun des constituants à la fonction appropriée. • Chloroplastes

• Mitochondries

• Paroi cellulosique

• Cytoplasme

• Noyau

• Vacuoles

• Membrane cellulaire a) Contrôler les entrées et sorties des substances dans la cellule. b) Maintenir les organites en place et assurer le transport des substances. c) Porter les gènes et contrôler toutes les activités cellulaires. d) Entreposer les nutriments, l’eau et les déchets. e) Procurer de l’énergie utilisable par les cellules. f) Donner une plus grande rigidité à la cellule. g) Absorber la lumière au cours de la réaction de photosynthèse.

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Chapitre 2 | La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

65

L’UNIVERS VIVANT 2.2

8

Placez les constituants suivants dans le diagramme ci-dessous. Inscrivez à gauche les constituants qui sont présents seulement dans la cellule végétale, à droite ceux qui sont présents seulement dans la cellule animale et au centre ceux qui le sont dans les deux types de cellules. • Chloroplastes

• Membrane cellulaire

• Paroi cellulosique

• Cytoplasme

• Mitochondries

• Petites vacuoles

• Grande vacuole

• Noyau La cellule végétale

9

La cellule animale

Pour chacune des caractéristiques suivantes, indiquez si elle est présente dans la cellule animale, dans la cellule végétale ou dans les deux types de cellules.

Caractéristiques

Cellule animale

Cellule végétale

a) Forme rectangulaire b) Forme arrondie c) Présence de cellulose dans la paroi d) Présence de chlorophylle e) Grande vacuole f) Présence d’un noyau et d’organites g) Présence d’une membrane cellulaire permettant les échanges 10

a) Pourquoi avons-nous besoin d’un microscope pour observer les cellules ?

b) Quelle technique facilite les observations au microscope optique ?

66

L’univers vivant

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a) Quels constituants de la cellule animale sont observables au microscope optique ?

b) Quels constituants de la cellule végétale sont observables au microscope optique ?

12

Les images suivantes représentent des cellules végétales et humaines observées au microscope électronique. Pour chaque cellule, inscrivez le nom de ses constituants à l’endroit approprié en utilisant les termes de la liste ci-dessous. Un même terme peut être utilisé plus d’une fois. • Chloroplastes

• Membrane cellulaire

• Paroi cellulosique

• Cytoplasme

• Noyau

• Vacuole

L’UNIVERS VIVANT 2.2

11

a) Des cellules végétales (élodée du Canada).

b) Des cellules buccales humaines (provenant de la bouche).

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Chapitre 2 | La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

67

L’UNIVERS VIVANT 2.3

POUR FAIRE LE POINT 1

Quelle est la différence entre les organismes unicellulaires et les organismes pluricellulaires ?

2

Associez chaque dénition au terme approprié. a) Élément qui permet les échanges entre la cellule et son milieu.

1) Cellule nerveuse

b) Éléments responsables de la respiration cellulaire qui procurent de l’énergie aux cellules.

2) Chloroplastes

c) Élément qui détient toutes les informations et contrôle toutes les activités de la cellule.

3) Membrane cellulaire

d) Type de cellule qui permet aux êtres vivants de réagir aux stimulations et de transmettre un message.

4) Mitochondries

e) Organite qui emmagasine entre autres des déchets et des substances que la cellule utilisera plus tard.

5) Noyau

f) Organites qui permettent aux végétaux de se nourrir.

6) Vacuole

2.3 La reproduction asexuée et la reproduction sexuée La reproduction est une des caractéristiques partagées par tous les êtres vivants. C’est une activité fondamentale qui permet aux espèces de se perpétuer. Il y a deux grands modes de reproduction : la reproduction asexuée et la reproduction sexuée.

FIGURE

LA REPRODUCTION ASEXUÉE

46

Comme toutes les bactéries, la bactérie Escherichia coli (E. coli) se reproduit de manière asexuée.

68

L’univers vivant

La reproduction asexuée ne nécessite pas de structures mâles et femelles. L’individu se reproduit seul et donne naissance à des descendants identiques à lui-même (des clones). C’est le cas de toutes les bactéries (voir la gure 46) et de la majorité des protistes. Cependant, des erreurs peuvent survenir lors de la copie du matériel génétique et entraîner de légères diérences entre les descendants et leur parent. Après un certain nombre de générations, ces erreurs amènent l’évolution de l’espèce concernée. Elles aboutissent à une modication de l’espèce. Par la suite, l’accumulation des modications produit une nouvelle espèce. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

La reproduction sexuée consiste dans la rencontre des gamètes, c’est-à-dire des cellules reproductrices (voir la gure 47). Par exemple, chez les animaux, les gamètes sont les spermatozoïdes et les ovules. Les descendants issus de la reproduction sexuée sont porteurs de la moitié du matériel génétique de chacun de leurs parents. Ce brassage génétique ainsi que les erreurs de copie sont responsables de l’évolution plus rapide des espèces qui se reproduisent de manière sexuée.

Glandes génitales

DÉFI NITI ONS

La reproduction est une activité fondamentale commune à tous les êtres vivants, elle consiste à produire un ou plusieurs autres êtres vivants de façon sexuée ou asexuée. La reproduction asexuée fait intervenir un seul individu qui produit une copie de lui-même. La reproduction sexuée implique l’union de cellules reproductrices mâle et femelle.

COMPARAISON DES DEUX MODES DE REPRODUCTION La reproduction sexuée est le mode de reproduction le plus répandu sur la Terre. C’est donc dire qu’elle a un avantage adaptatif. En d’autres termes, elle favorise l’adaptation des espèces. Cependant, une multitude d’organismes se reproduisent de manière asexuée ; c’est le cas, par exemple, des bactéries, des protozoaires et des hydres. Par ailleurs, de nombreux êtres vivants peuvent pratiquer les deux modes de reproduction au cours de leur vie. C’est le cas des abeilles, des vers de terre, des pucerons et de nombreuses espèces de plantes. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

FIGURE

La reproduction sexuée exige des structures mâle et femelle, mais elle n’implique pas nécessairement la participation de deux individus diérents ni leur accouplement. Ainsi, de nombreuses espèces marines, comme les oursins, libèrent leurs gamètes directement dans l’eau. Par ailleurs, certaines plantes qui possèdent les deux sexes sont capables de se reproduire en se fécondant elles-mêmes.

L’UNIVERS VIVANT 2.3

LA REPRODUCTION SEXUÉE

47 Les glandes génitales de la méduse produisent des gamètes mâles ou femelles selon le sexe de l’animal.

FLA SH

info

Le cycle de vie des pucerons Les pucerons sont des insectes qui sucent la sève des plantes pour se nourrir. Ceux qui vivent dans les pays nordiques ont un cycle de vie bien particulier, qui combine la reproduction sexuée et la reproduction asexuée. Les pucerons passent l’hiver sous forme d’œufs qui résistent au froid. Au printemps, des femelles sortent des œufs et se reproduisent de manière asexuée ; elles produisent jusqu’à 10 pucerons par jour, et de 40 à 100 pucerons au total. Pendant tout l’été, de nombreuses générations de pucerons voient le jour par reproduction asexuée. Les dommages qu’ils causent aux plantes peuvent être considérables. Lorsque les femelles pucerons commencent à sentir le froid, elles donnent naissance à des descendants sexués. Les femelles s’accouplent à des mâles. À l’automne, les femelles fertilisées pondent entre un et quatre œufs qui résisteront à l’hiver… et le cycle recommence.

Chapitre 2 | La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

69

L’UNIVERS VIVANT 2.3

ACTIVITÉS 1

Dénissez ce qu’est la reproduction.

2

Répondez aux questions suivantes. a) Quels sont les deux modes de reproduction des êtres vivants ?

b) Quelle est la principale différence entre les deux modes de reproduction ?

c) Qu’est-ce qui différencie les descendants issus de chacun des modes de reproduction ?

d) Pourquoi dit-on que les descendants issus de la reproduction asexuée sont des clones ?

70

3

Comment appelle-t-on les cellules sexuelles ?

4

Quels processus liés à la reproduction sont responsables de l’évolution des espèces ?

L’univers vivant

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L’UNIVERS VIVANT 2.4

2.4 Les modes de reproduction chez les végétaux Tous les végétaux se reproduisent de manière sexuée par l’union de gamètes mâle et femelle. Les conifères se reproduisent au moyen des cônes, les mousses et les fougères au moyen des spores, et les plantes à eurs au moyen des eurs. La plupart des végétaux se reproduisent aussi de manière asexuée. Ce mode de reproduction repose sur la mise en place d’organes spécialisés et la fragmentation de l’organisme.

LA REPRODUCTION SEXUÉE CHEZ LES PLANTES À FLEURS Les plantes à eurs constituent la majorité des espèces végétales. On en compte près de 300 000 espèces sur la Terre. Ce sont les seules plantes qui produisent des eurs et des fruits. La gure 48 illustre le cycle de vie de ces végétaux. On peut examiner ce cycle en partant de n’importe quelle étape, mais l’ordre des étapes ne change pas.

3. Croissance

4. Floraison, pollinisation et fécondation

Le cycle de vie du pommier

2. Germination

5 . Fructication

FIGURE

1. Libération et dispersion des graines

48

Le cycle de vie des plantes à eurs : l’exemple du pommier.

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Chapitre 2 | La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

71

1. La libération et la dispersion des graines L’UNIVERS VIVANT 2.4

Le fruit entoure et protège les graines. Lorsque le fruit tombe, se brise ou est mangé, les graines sont libérées, puis dispersées. Les principaux agents de dispersion des graines sont les animaux, les êtres humains, l’eau, le vent et la plante elle-même (voir la gure 49).

FIGURE

2. La germination 49 Lorsqu’il se détache de la plante, le fruit du concombre d’âne éclate et libère ses graines.

Chaque graine contient un embryon et des réserves nutritives, enveloppés par un ou plusieurs téguments (voir la gure 49, en haut). Si la graine tombe sur un sol susamment humide et d’une température adéquate, l’embryon se développe : c’est la germination.

3. La croissance Au cours de la croissance, l’embryon utilise les réserves nutritives de la graine contenues dans le ou les cotylédons. Grâce à ces réserves, l’embryon devient une plantule autonome, une jeune plante capable de se nourrir à l’aide de ses racines et de ses feuilles (voir la gure 50, en bas). Gemmule (future feuille)

Embryon (future plante)

FIGURE

Cotylédons (réserves de nourriture pour l’embryon)

Tigelle (future tige)

Tégument (enveloppe) Radicule (future racine)

50

Une graine en germination vue de l’intérieur (en haut) et la croissance de la jeune plante (en bas).

72

L’univers vivant

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La oraison consiste dans la formation et l’épanouissement des eurs. Les eurs contiennent les organes reproducteurs néces­ saires à la production de graines. La gure 51 présente l’anatomie d’une eur de pommier.

Étamine (organe mâle de la eur)

Stigmate : capte le pollen, qui descend ensuite par le style jusqu’à l’ovaire, puis atteint les ovules. Style Ovaire Ovules (gamètes femelles)

Anthère : renferme les grains de pollen (gamètes mâles).

Pistil (organe femelle de la eur)

L’UNIVERS VIVANT 2.4

4. La oraison, la pollinisation et la fécondation

Filet Pétale Sépale

FIGURE

Pédoncule

51

L’anatomie de la eur de pommier.

Dans ce type de eurs, les structures fertiles sont : • l’étamine, qui produit les grains de pollen (gamètes mâles) (voir la gure 52) ;

Les principaux agents de pollinisation sont le vent et les insectes. Pour attirer les insectes, la plupart des eurs ont des formes attrayantes, des couleurs éclatantes, de fortes odeurs. De plus, elles produisent du nectar, un liquide su­ cré. Les insectes butinent le nectar des eurs. En allant d’une eur à l’autre, ils assurent la pollinisation de la eur (voir la gure 53). Les animaux, les humains, l’eau et même la plante (en projetant ses graines) sont aussi des agents de pollinisation. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

FIGURE

Pour qu’il y ait production de graines, les grains de pollen contenus dans l’anthère doivent d’abord atteindre le stigmate du pistil. Le trans­ port des grains de pollen vers le pistil se nomme la pollinisation.

52

FIGURE

• le pistil, qui produit les ovules (gamètes femelles).

53

Vue au microscope électronique de quelques grains de pollen d’un compagnon rouge (Silene dioica), une eur des champs.

Une abeille en train de polliniser un tournesol.

Chapitre 2 | La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

73

L’UNIVERS VIVANT 2.4

Lorsque le grain de pollen se trouve sur le stigmate du pistil, il se forme un tube qui s’enfonce et qui permet aux gamètes mâles de se rendre jusqu’aux ovules. Dans l’ovaire, l’union d’un gamète mâle et d’un gamète femelle se nomme la fécondation. Chaque ovule fécondé formera une graine.

5. La fructication La fructication constitue le processus de formation du fruit. Au cours de ce processus, l’ovaire se développe autour de l’embryon devenu graine et devient une substance nutritive : le fruit. La gure 54 compare l’anatomie de la eur et celle du fruit, ce qui permet de voir le passage de l’une à l’autre. Style Style et étamines étris Étamine Graines (pépins) Chair

Ovules Ovaire

Peau

Pédoncule

Pédoncule (queue)

FIGURE

Fleur

54

Pomme Comparaison de l’anatomie de la eur et de celle de la pomme.

L’observation de cette gure permet de faire les constatations suivantes : l’ovule fécondé devient la graine du fruit. Les étamines, le style et les sépales sèchent et donnent une des extrémités de la pomme. L’ovaire, qui a grossi, forme la chair de la pomme, et l’enveloppe de l’ovaire forme sa peau. Le pédoncule de la eur devient le pédoncule (ou queue) de la pomme. Les graines contenues dans les fruits seront à la n dispersées… et le cycle recommencera.

LA REPRODUCTION ASEXUÉE CHEZ LES VÉGÉTAUX Tous les végétaux se reproduisent de manière sexuée, et la plupart se reproduisent aussi de manière asexuée. Dans ce dernier mode de reproduction, une partie de la plante mère donne naissance à une plante identique, c’est-à-dire à un clone. Ce mode de reproduction repose sur la fragmentation de l’organisme ou sur la mise en place d’organes spécialisés.

74

L’univers vivant

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info L’UNIVERS VIVANT 2.4

Fruit ou légume ? Dans le langage courant, on distingue les fruits et les légumes en se fondant sur le goût sucré ou salé. Le fruit est sucré, il se mange surtout en dessert ou en collation. Les légumes, eux, se consomment habituellement salés. Mais dans le vocabulaire scientique, les termes « fruit » et « légume » ne signient pas la même chose que dans le vocabulaire courant. Pour les spécialistes du monde végétal, le fruit est l’organe qui contient les graines. Il résulte de la transformation de l’ovaire de la eur après la fécondation. Par exemple, les pommes, les tomates, les courges, les poires sont des fruits. Les spécialistes appellent « légume » ou « gousse » le fruit sec de certaines plantes. Cette gousse s’ouvre à maturité pour libérer ses graines. Les légumineuses, les fèves, les haricots et les pois sont donc, d’un point de vue botanique, des légumes.

La fragmentation de l’organisme

55

La menthe se reproduit de manière asexuée par ses rhizomes, des tiges souterraines qui appartiennent à la plante mère. Les rhizomes forment des tiges souterraines qui sortent de terre et qui deviennent des plantes autonomes.

FIGURE

FIGURE

Les végétaux qui se reproduisent de manière asexuée dans la nature se multiplient pour donner des massifs de plantes. Voici quelques exemples (voir les gures 55 à 57).

FIGURE

Le marcottage et le bouturage sont des modes de reproduction asexués naturels au cours desquels des fragments de la plante se détachent de l’individu mère pour former un individu autonome. Dans le marcottage, ce sont des fragments (tige, feuilles, racines) qui se détachent. Dans le bouturage, c’est un rameau qui se dé­ tache et s’enracine.

57

Les plantes de la famille des ronces, comme le framboisier, se reproduisent de manière asexuée par leurs branches. Dès qu’une branche touche le sol, des racines se développent au point de contact, puis une tige apparaît. Il y a alors formation d’un nouveau pied.

56

Le Chlorophytum comosum (plante-araignée) est une plante d’intérieur qui se reproduit de manière asexuée par des stolons. Ces derniers sont des tiges aériennes appartenant à la plante mère et au bout desquelles se développent des plants lles. Lorsque ces plants lles se retrouvent en terre, ils deviennent des plantes autonomes et les stolons sèchent.

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Chapitre 2 | La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

75

58 Le bouturage consiste à reproduire une plante en mettant une de ses parties (tige, racines, etc.) dans la terre ou dans l’eau. Des racines se forment, puis un nouvel individu se développe.

FLA SH

FIGURE

FIGURE

L’UNIVERS VIVANT 2.4

Le bouturage et le marcottage articiels On utilise la reproduction asexuée de manière articielle pour obtenir de nouvelles plantes, identiques aux plantes mères. Cela permet de sélectionner des plantes qui possèdent des caractères particuliers (voir les gures 58 et 59).

59 Le marcottage consiste à enterrer dans la terre humide une petite branche encore attachée à la plante mère. Des racines se déve­ loppent au point de contact, puis une tige. On sépare alors cette nouvelle plante de sa tige mère et on obtient ainsi un nouvel individu identique à la plante mère.

info

La cellulose La cellulose est un sucre fabriqué par les cellules végétales. Elle est en fait le constituant principal des végétaux et plus particulièrement de leur paroi cellulosique. Lorsque les vé­ gétaux brûlent, la cellulose joue un rôle important dans la production d’énergie. Elle est aussi une matière première qui sert à la fabrication de produits comme la pâte de papier, la cellophane, les explosifs, etc. Elle est le constituant essentiel de certains tissus synthétiques (rayonne, acétate de cellu­ lose, etc.). La cellulose présente dans les bres alimentaires n’est pas digérée par l’être humain mais est indispensable au fonctionnement de l’intestin, car elle facilite le passage des aliments.

76

L’univers vivant

De la cellulose vue au microscope électronique.

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ACTIVITÉS Quelles sont les cinq étapes du cycle de vie d’une plante à eurs ?

2

Quels sont les principaux agents de dispersion des graines ?

3

Associez le terme approprié à chacune des dénitions.

L’UNIVERS VIVANT 2.4

1

• Fécondation

• Fructication

• Floraison

• Germination

a) Développement de l’embryon dans la graine. L’embryon passe alors d’une vie ralentie à une vie active.

b) Transport des grains de pollen des étamines vers le pistil.

• Pollinisation

d) Processus biologique qui assure la formation et l’épanouissement des eurs.

e) Union des gamètes mâle et femelle dans l’ovaire de la eur.

c) Processus de développement de l’ovaire autour de la graine jusqu’à ce qu’il devienne une substance nutritive.

4

Le schéma suivant présente une graine en germination vue de l’intérieur. Associez chacune des structures de la graine à son rôle dans la croissance de la plante en inscrivant la lettre appropriée dans chaque case.

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Tégument

A. Envelopper et protéger la graine.

Cotylédons

B. Former la future plante.

Radicule

C. Former la future tige.

Tigelle

D. Former la future racine.

Gemmule

E. Former les futures feuilles.

Embryon

F. Nourrir l’embryon.

Chapitre 2 | La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

77

L’UNIVERS VIVANT 2.4

5

Où l’embryon puise-t-il sa nourriture pour se développer ?

6

À quel moment la jeune plante peut-elle être considérée comme autonome ?

7

Qu’est-ce qui attire les insectes vers les eurs ?

8

Comparez l’anatomie de la eur et de la pomme en plaçant les noms appropriés dans les schémas suivants.

Fleur

9

Pomme

Indiquez si chacun des énoncés est vrai ou faux. Pour chaque énoncé que vous avez jugé faux, justiez votre réponse.

Énoncé

Vrai

Faux

a) Tous les végétaux se perpétuent uniquement par reproduction asexuée. b) On recourt au bouturage et au marcottage pour effectuer de façon articielle la reproduction asexuée des végétaux. c) La majorité des végétaux terrestres sont des plantes à eurs. d) Les fruits et les eurs sont généralement issus de la reproduction sexuée des plantes à eurs. e) Une fois libérées, toutes les graines germent. f) Les eurs contiennent les organes de reproduction des plantes à eurs. g) Seules les graines qui germent comportent un embryon.

78

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L’UNIVERS VIVANT 2.4

Justications (indiquez la lettre de l’énoncé) :

10

a) En quoi consiste la reproduction asexuée des plantes ?

b) Qu’est-ce que la reproduction asexuée effectuée de manière articielle permet de faire ?

11

Décrivez en quoi consistent le bouturage et le marcottage. Bouturage :

Marcottage :

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Chapitre 2 | La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

79

12

Pour chaque énoncé, inscrivez le nom approprié dans les cases. Un exemple vous est donné en a.

L’UNIVERS VIVANT 2.4

La suite des lettres contenues dans les cases grises forme une expression constituée de deux mots. a) Structure de l’embryon qui formera les racines.

R

A

D

I

C

U

L

E

b) Parties mâles de la plante servant à la reproduction sexuée. c) Gamètes mâles de la plante. d) Mode de reproduction d’une plante consistant à détacher et à placer une de ses parties dans la terre ou dans l’eau. e) Structure située dans la partie inférieure du pistil. f) Réserves de nourriture de la graine. g) Structure de l’embryon qui formera la feuille. h) Principaux agents de pollinisation des eurs. i) Partie femelle de la plante servant à la reproduction sexuée. j) Structure de l’embryon qui formera la tige. k) Tiges souterraines. l) Enveloppe de la graine. m) Tiges aériennes. n) Mode de reproduction asexuée qui consiste à enterrer une petite branche encore attachée à la plante mère. o) Mode de reproduction pratiqué par toutes les plantes. p) Gamètes femelles de la plante. q) Parties colorées de la plante qui attirent les insectes. r) Organes reproducteurs des conifères. Quelle expression est formée par la suite des lettres qui se trouvent dans les cases grises ?

80

L’univers vivant

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L’UNIVERS VIVANT 2.5

2.5 Les modes de reproduction chez les animaux Comme les végétaux, les animaux se reproduisent de manière asexuée ou sexuée. La reproduction sexuée est plus répandue que la reproduction asexuée dans le monde animal. Elle est cependant plus complexe que celle-ci et elle nécessite des structures spécialisées.

Quelques animaux simples se reproduisent de manière asexuée. Dans le mode de reproduction asexuée, le mâle ou (le plus souvent) la femelle se reproduit généralement seul, sans recourir à des gamètes. Il en résulte des clones, c’est-à-dire des êtres identiques au premier. Par exemple, l’hydre, un animal aquatique, se reproduit de manière asexuée par bourgeonnement (voir la figure 60). Dans certaines conditions, une petite excroissance apparaît sur son corps. Cette excroissance se développe jusqu’à former un bourgeon qui se sépare lorsqu’il possède les mêmes caractéristiques que l’hydre mère.

FIGURE

LA REPRODUCTION ASEXUÉE

60

L’hydre (Hydra vulgaris) se reproduit par bourgeonnement.

A

B

C

La reproduction sexuée fait intervenir des processus beaucoup plus complexes que ceux de la reproduction asexuée. Pour qu’il y ait reproduction, il est nécessaire que les gamètes mâles et femelles des deux animaux soient parvenus à maturité en même temps et qu’ils se rencontrent. De plus, pour de nombreuses espèces, il doit d’abord y avoir attirance et accouplement. La période de reproduction des individus dépend de facteurs tels que la température, l’environnement, la durée du jour, etc. Il existe une multitude de stratégies qui permettent d’assurer la reproduction des espèces. Quelles que soient ces stratégies, un certain nombre d’étapes, présentées à la gure 61, sont communes à toutes les espèces qui se reproduisent de manière sexuée. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

FIGURE

LA REPRODUCTION SEXUÉE

61 A L’union d’un spermatozoïde et d’un ovule constitue la fécondation. B Elle produit une première cellule nommée « zygote ». C Cette cellule se développe et devient un embryon.

Chapitre 2 | La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

81

Étape 1 : l’accouplement

L’UNIVERS VIVANT 2.5

Chez de nombreuses espèces, l’accouplement est nécessaire à la fécondation. L’accouplement est la rencontre physique entre deux individus : le mâle et la femelle. Au cours de cette rencontre, les gamètes de l’un et de l’autre fusionnent. L’accouplement est toujours présent chez les espèces qui se reproduisent par fécondation interne, mais il est plutôt rare chez les espèces qui se reproduisent par fécondation externe (voir plus bas).

Étape 2 : la fécondation La fécondation est la rencontre de deux gamètes, c’est-à-dire d’un spermatozoïde et d’un ovule. Elle permet de former une cellule que l’on nomme « œuf » ou « zygote ». Cet œuf se développera et formera un nouvel individu. À l’étape de la fécondation, le rôle du mâle et de la femelle consiste à fournir les gamètes nécessaires à la formation d’une cellule : les mâles libèrent des spermatozoïdes qui iront pénétrer dans les ovules et les féconder. Les femelles produisent des ovules. On distingue la fécondation interne et la fécondation externe.

FIGURE

La fécondation externe Dans la fécondation externe, les gamètes s’unissent à l’extérieur du corps de la femelle. Les femelles libèrent leurs œufs dans un milieu humide et les mâles les fécondent en libérant leurs spermatozoïdes (voir la gure 62). Ce mode de fécondation s’observe entre autres chez les poissons, les amphibiens et les insectes.

FIGURE

62 L’oursin mâle libère des millions de spermatozoïdes dans l’eau de mer. Ils vont joindre et féconder les millions d’ovules que les femelles ont libérés dans les courants marins.

63

Les dauphins ont recours à la fécondation interne, ce qui implique un accouplement.

82

L’univers vivant

Pour que cette fécondation ait lieu, le mâle et la femelle n’ont pas besoin de se rencontrer. Étant donné le très haut taux de mortalité des œufs, des embryons et des petits, les femelles pondent souvent des centaines, voire des milliers d’œufs. La reproduction des espèces à fécondation externe se trouve ainsi assurée. La fécondation interne Dans la fécondation interne, les gamètes s’unissent à l’intérieur du corps de la femelle. La fécondation interne implique un accouplement. Le mâle peut, par exemple, déposer ses spermatozoïdes dans le corps de la femelle (voir la gure 63). Ce mode de fécondation s’observe chez la majorité des espèces dont l’organisation est plus complexe, comme les oiseaux, les mammifères et presque tous les reptiles. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Étape 3 : le développement de l’embryon et le soin des œufs ou des petits

FIGURE

Les animaux ovipares Les oiseaux, les amphibiens et la plupart des reptiles pondent des œufs. On dit qu’ils sont ovipares. Les œufs de ces animaux renferment tous les éléments nécessaires à la croissance des embryons. Une fois son développement terminé, le jeune animal sort de l’œuf complètement formé. Chez les grenouilles, la plupart des insectes et des poissons, les parents quittent leurs œufs ; ceuxci se développent alors seuls (voir la gure 64).

L’UNIVERS VIVANT 2.5

Selon le lieu de développement de l’embryon, on classe les animaux en trois groupes : ovipares, vivipares et ovovivipares.

64

La femelle du papillon monarque peut pondre de 30 à 50 œufs qu’elle abandonne sous les feuilles de l’asclépiade.

Chez un certain nombre d’animaux ovipares, le mâle se contente de féconder ; ce sont les femelles qui s’occupent des œufs et des petits. Il existe toutefois des exceptions (voir les gures 65 et 66).

FLA SH

info

65 Chez les bécasseaux, le mâle et la femelle demeurent ensemble, et c’est le mâle qui assure presque seul la couvaison des œufs. Après la naissance, la femelle abandonne ses petits. Le mâle attend pour quitter le nid que les petits aient pris leur envol.

FIGURE

Chez tous les animaux et tous les végétaux, il n’existe que deux sexes : le sexe mâle et le sexe femelle. Cependant, un certain nombre d’êtres vivants sont plus complexes sur le plan sexuel. Ainsi, chez plusieurs espèces de paramécies (lesquelles font partie du règne des protistes), il existe au moins huit types sexuels. Chacun de ces types ne peut se conjuguer qu’avec un individu d’un type complémentaire. Fait encore plus spectaculaire, les scientiques ont décelé 20 000 sexes différents chez le champignon Schizophyllum commune.

FIGURE

Des espèces à… plusieurs sexes !

Le champignon

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.

66

L’hippocampe mâle porte dans une poche ventrale les 100 à 200 œufs fécondés. Il ne libérera les petits que lorsqu’ils seront capables de vivre seuls. Chapitre 2 | La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

83

L’UNIVERS VIVANT 2.5

Les animaux vivipares L’embryon des animaux vivipares se développe à l’intérieur du corps de la femelle. Il y trouve tout ce dont il a besoin pour se former complètement. Presque tous les mammifères se développent de cette manière. Il y a quelques exceptions ; par exemple, l’ornithorynque est un mammifère qui pond des œufs, et les marsupiaux, comme le kangourou, qui achèvent leur développement dans une poche ventrale.

FIGURE

Les animaux ovovivipares L’embryon des animaux ovovivipares (voir la gure 67), tout comme celui des ovipares, se développe complètement dans un œuf qui contient tout ce qui est nécessaire à sa croissance. Contrairement aux œufs des animaux ovipares qui sont pondus, cet œuf demeure dans le corps de la femelle ; même l’éclosion a lieu à l’intérieur du corps. Parmi les ovovivipares, on trouve certaines espèces de poissons, de reptiles et d’invertébrés.

67

Au cours de leur vie, certains animaux pratiquent les deux formes de reproduction, sexuée et asexuée, selon la période de l’année ou les conditions environnementales. Par exemple, le phasme et le requin marteau se reproduisent de manière sexuée, mais aussi par parthénogénèse (voir la gure 68). La parthénogénèse est un mode de reproduction asexuée dans lequel un ovule non fécondé se développe jusqu’à devenir un individu identique à l’individu mère. Chez le phasme, il en résulte une succession de générations ne comportant que des femelles.

Le boa constrictor est ovovivipare.

FIGURE

A

B

68

Le phasme est un insecte qui se reproduit de manière sexuée et par parthénogénèse. marteau est un poisson vivipare qui se reproduit également par parthénogénèse.

84

A

L’univers vivant

B

Le requin

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1

Dans le monde animal, quel mode de reproduction est le plus répandu ?

2

Qu’est-ce qu’on entend par reproduction asexuée ? Qu’est-ce qui en résulte ?

3

Donnez deux conditions essentielles pour que la reproduction sexuée ait lieu.

4

Dénissez les termes suivants liés à la reproduction sexuée.

L’UNIVERS VIVANT 2.5

ACTIVITÉS

a) Accouplement :

b) Fécondation :

5

Laquelle des deux étapes suivantes les espèces qui se reproduisent de manière sexuée doivent-elles absolument franchir : l’accouplement ou la fécondation ? Expliquez votre réponse.

6

a) Quelle est la différence entre la fécondation interne et la fécondation externe ?

b) Dans quel type de fécondation l’accouplement est-il absolument nécessaire ?

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Chapitre 2 | La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

85

7

Quel est le rôle des mâles et des femelles au cours des étapes suivantes de la reproduction sexuée ?

L’UNIVERS VIVANT 2.5

Fécondation :

Soins des œufs ou des petits :

8

Voici des situations observées dans le monde animal. Pour chacune d’elles, indiquez si l’on a affaire à une fécondation interne ou à une fécondation externe.

Situation

Interne

Externe

a) Les tortues possèdent un cloaque. C’est un orice qui permet d’expulser le sperme, les œufs, l’urine et les excréments. Les tortues mâle et femelle unissent leurs cloaques au cours de l’accouplement. Le sperme passe du cloaque du mâle à celui de la femelle. b) Le saumon femelle creuse le gravier de la rivière et y dépose ses œufs. Le mâle jette aussitôt son sperme sur eux. Les œufs passeront l’hiver dans le gravier et écloront au printemps. c) Le coq s’accouple avec la poule. Les spermatozoïdes contenus dans le sperme qu’il a émis féconderont les ovules de la poule. Celle-ci pond ensuite un œuf fécondé.

9

a) Quels sont les trois modes de développement des animaux qui se reproduisent de manière sexuée ?

b) Associez les caractéristiques suivantes à un mode de développement. Il peut y avoir plus d’une réponse possible. • Les animaux produisent des œufs. • Les embryons dépendent de la femelle pour se nourrir. • Les jeunes naissent complètement formés. • L’embryon se développe à l’intérieur du corps de la femelle.

86

L’univers vivant

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Voici les étapes du cycle de vie du ténébrion meunier, aussi appelé « ver à farine ». Placez ces étapes dans le bon ordre.

11

Pourquoi les femelles qui se reproduisent par fécondation externe pondent-elles souvent des milliers d’œufs au cours de la période de reproduction ?

12

Complétez le texte suivant à l’aide de la liste de mots. Certains mots peuvent être utilisés plus d’une fois.

L’UNIVERS VIVANT 2.5

10

• animal

• embryon

• sexuée

• asexuée

• gamètes

• végétal

• bourgeons

• parthénogénèse

• zygote

• clones Dans le règne

, la reproduction sexuée est le mode de reproduction le plus

répandu. Quelques animaux se reproduisent de manière

, c’est-à-dire sans

que des gamètes soient impliqués. Par exemple, certaines méduses se reproduisent de manière asexuée en produisant des des

qui se détachent de la méduse mère pour devenir

autonomes. La reproduction

le règne

est plus complexe que dans

. Elle est également plus complexe que la reproduction

.

Elle fait donc intervenir des processus plus élaborés. Pour qu’il y ait reproduction sexuée, les doivent se rencontrer et s’unir. Le

est la première cellule issue

de l’union de l’ovule et du spermatozoïde. Il se développe et devient un

. Certains

animaux pratiquent les deux formes de reproduction au cours de leur vie. C’est le cas des abeilles mâles qui naissent par

, c’est-à-dire à partir du développement des œufs non

fécondés.

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Chapitre 2 | La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

87

POUR FAIRE LE POINT

POUR FAIRE LE POINT 1

Reliez chaque élément du monde animal à l’élément correspondant du monde végétal. Monde animal

Monde végétal

a) Embryon

1) Fécondation

b) Accouplement

2) Graine

c) Fécondation

3) Pollinisation

2

Indiquez si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Pour chaque énoncé que vous avez jugé faux, justiez votre réponse.

Énoncé

Vrai

Faux

a) Il doit y avoir accouplement pour que la reproduction sexuée ait lieu. b) Bien qu’elle nécessite des gamètes mâle et femelle, la reproduction sexuée n’exige pas toujours la participation de deux individus. c) En raison de ses avantages, la reproduction asexuée est la plus répandue. d) Il existe des êtres vivants capables de se reproduire à la fois par reproduction asexuée et par reproduction sexuée. e) Seuls les organismes les moins développés se reproduisent de manière asexuée. f) La reproduction asexuée est plus rapide que la reproduction sexuée. Justications (indiquez la lettre de l’énoncé) :

88

L’univers vivant

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Pour chacune des situations suivantes, indiquez si on a affaire à une reproduction asexuée ou à une reproduction sexuée.

Situation

Reproduction asexuée

Reproduction sexuée

a) Le pollen contenu sur la partie mâle d’une eur est déposé par une abeille sur le pistil (partie femelle) d’une autre eur.

POUR FAIRE LE POINT

3

b) Un petit bourgeon apparaît sur l’hydre (petit animal aqua­ tique) ; il se nourrit, grandit puis se sépare pour se développer seul.

c) Pando est un arbre vieux de 80 000 ans. Au l des ans, il a engendré à lui seul une forêt qui est en fait une colonie de 47 000 clones liés par leurs racines. d) La mante religieuse femelle s’accouple avec le mâle et tente ensuite par tous les moyens de le dévorer.

e) Les vers de terre sont herma­ phrodites (ils portent les deux sexes). Cependant, ils doivent unir leur partie mâle à la partie femelle d’un autre individu pour se reproduire. f) Le dragon de Komodo est un reptile. La femelle est capable de pondre des œufs viables en l’absence de mâle.

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Chapitre 2 | La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

89

POUR FAIRE LE POINT

4

Pour chacune des situations suivantes, indiquez s’il s’agit de fécondation interne ou externe. Indiquez ensuite le mode de développement des embryons : ovipare, vivipare ou ovovivipare.

Situation

Fécondation Interne

Externe

Mode de développement des embryons Ovipare

Vivipare

Ovovivipare

a) Le crapaud libère ses gamètes dans l’environnement où se déroule la fécondation. b) Lucilia caesar est une mouche verte à l’aspect métallique. Les mâles déposent leurs spermatozoïdes dans la femelle. La femelle pond ses œufs au moment où ils sont prêts à éclore. c) L’échidné est un mammifère. Le mâle féconde la femelle qui pond ensuite un œuf. Elle l’incube pendant 10 jours dans une poche ventrale avant que l’éclosion n’ait lieu. d) La blatte est un insecte. Certaines espèces de blattes incubent leurs œufs et donnent naissance à de petites blattes.

5

6

90

Associez les modes de reproduction asexuée des végétaux à leur dénition. a) Bouturage

La tige, les feuilles ou les racines se détachent de la plante mère pour donner un individu autonome.

b) Marcottage

Un rameau de la plante se détache de la plante mère et s’enracine pour donner un individu autonome.

Quel est le rôle des mâles et des femelles dans la reproduction?

L’univers vivant

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SOMMAIRE

Chapitre 3 La matière  92 Chapitre 4 Les propriétés caractéristiques de la matière  127

L’UNIVERS MATÉRIEL

91

L’Univers dans lequel nous vivons est constitué de matière. L’eau, l’air, la terre, les êtres vivants, les objets qui nous entourent, même les étoiles sont composés de matière. Souvent visible, parfois invisible, la matière est partout autour de nous et elle se présente sous plusieurs formes. En fait, tout ce qui possède une masse et occupe un volume est formé de matière. Mais qu’est-ce que la matière exactement ? Comment peut-on l’étudier pour mieux la connaître ?

92

SOMMAIRE

CHAPITRE

L A M AT IÈRE 3.1 La matière et ses trois états..................... 93 3.2 La masse ..................................................................... 102 OUTIL 2 Mesurer la masse ...................................... 104 3.3 Le volume ................................................................. 109 OUTIL 3 Utiliser un cylindre gradué ............ 113 3.4 La température................................................... 118 Pour faire le point ......................................................... 125

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.1

3.1 La matière et ses trois états Avant d’aborder les diérents états de la matière, interrogeonsnous d’abord sur ce qu’elle est.

QU’EST-CE QUE LA MATIÈRE ? La matière est souvent visible et tangible comme la plupart des objets qui nous entourent. On peut la voir et la toucher avec nos doigts. Cependant, la matière est parfois invisible. C’est le cas de l’air que nous respirons. Celui-ci est impossible à toucher, mais lorsqu’il vente, on peut sentir son contact sur notre peau. Tous les objets et toutes les substances qui se trouvent dans l’Univers sont constitués de matière (voir la gure 1). Même les particules qui sont trop petites pour être distinguées à l’œil nu sont faites de matière. Comme nous le verrons plus loin, il est possible de mesurer et de quantier certains aspects de la matière à l’aide d’instruments comme la balance, le cylindre gradué et le thermomètre. Ces instruments permettent de mesurer la masse, le volume et la température de la matière. La matière qui constitue les êtres vivants et tous les objets de l’Univers est elle-même composée de minuscules particules beaucoup trop petites pour être visibles même à l’aide d’un microscope : ce sont les molécules et les atomes.

La matière peut revêtir toutes les formes, toutes les couleurs, toutes les textures et se combiner de multiples façons. On peut toutefois la classer en trois catégories, selon l’état dans lequel elle se présente. La matière existe sous trois états diérents : l’état solide, l’état liquide et l’état gazeux. Par exemple, la roche, le métal, le plastique sont

93

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FIGURE

LES TROIS ÉTATS DE LA MATIÈRE

1 Les galets que l’on trouve près des rivières, l’eau qui coule du robinet et l’air qui remplit les mont­ golères : comme tout ce qui forme l’Univers, ces choses sont constituées de matière.

Chapitre 3 | La matière

93

FIGURE

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.1

A

B

C

2 L’organisation des particules dans les solides,

les liquides et les gaz. A Dans les solides, les particules de matière sont très rapprochées les unes des autres. Elles sont attachées ensemble et forment une structure organisée. B Dans les liquides, les particules sont très rapprochées les unes des autres, mais elles ne sont pas attachées ensemble et ne forment pas de structure organisée. C Dans les gaz, les particules sont éloignées et complètement indépendantes les unes des autres. Elles ne forment pas de structure organisée.

des solides. L’eau, l’essence, l’huile et le lait sont des liquides. L’air est un mélange de plusieurs gaz, dont l’azote et l’oxygène. Le tuyau d’échappement des automobiles évacue, entre autres, du gaz carbonique et de la vapeur d’eau, qui sont tous deux des gaz. Un solide, un liquide et un gaz, placés chacun dans un récipient, se comportent de façons diérentes, car les particules qui les composent sont organisées diéremment (voir la gure 2). On en dégage les caractéristiques suivantes.

L’état solide Les solides ont une forme dénie, c’est-à-dire une forme qui ne change pas, à moins de les forcer ou de les briser. De plus, les solides sont pratiquement incompressibles, c’est-à-dire qu’il est presque impossible de diminuer leur volume en les soumettant à une pression. Par exemple, même si on appuie très fort sur un objet, celui-ci ne deviendra pas plus petit.

FIGURE

L’état liquide

3 Du lait versé dans un verre prend la forme

du verre.

Les liquides n’ont pas de forme dénie : ils épousent la forme du contenant où ils se trouvent (voir la figure 3). De plus, comme les solides, les liquides sont incompressibles. Le volume occupé par une certaine quantité de liquide demeure le même, quel que soit le récipient dans lequel il se trouve.

L’état gazeux

DÉFI NITI ONS

Un solide a une forme dénie. Il est quasiment incompressible : son volume ne change pas même si on exerce une pression sur lui. Un liquide n’a pas de forme dénie : il prend la forme de son récipient. Il est incompressible : son volume ne change pas, quel que soit le récipient. Un gaz n’a pas de forme dénie : il prend la forme de son récipient. Il est compressible : son volume s’ajuste au volume de son récipient.

94

L’univers matériel

Les gaz occupent tout l’espace disponible. Ils n’ont ni forme ni volume dénis. Une certaine quantité de gaz remplira donc entièrement son récipient, peu importe la forme et la taille de celui-ci. C’est le cas de l’air dans une montgolère. On peut observer le même phénomène lorsqu’un conduit qui transporte du gaz a une fuite : le gaz qui s’échappe se répand partout. Si la fuite a lieu à l’intérieur d’un immeuble, le gaz se répandra dans toutes les pièces. Étant donné que les gaz changent de volume selon leur récipient, on dit qu’ils sont compressibles. En changeant le volume d’un récipient, on change le volume du gaz qu’il contient. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

94

LES CHANGEMENTS D’ÉTAT DE LA MATIÈRE L’UNIVERS MATÉRIEL 3.1

La plupart des substances peuvent exister dans les trois états : solide, liquide et gazeux. Elles peuvent aussi passer d’un état à un autre en absorbant ou en perdant de la chaleur. En général, le passage d’un état à un autre est déterminé par la température (voir la gure 4). On nomme ces passages des changements d’état ou des changements de phase. Certains de ces changements ont besoin de chaleur pour avoir lieu alors que d’autres, au contraire, dégagent de la chaleur. Pour bien comprendre cela, prenons l’exemple de l’eau.

La fusion, la vaporisation et les transformations inverses La fusion et la vaporisation sont des changements d’état qui exigent de la chaleur. • Pour faire fondre de la glace (fusion), il faut augmenter sa température au-dessus de 0 °C. • Pour faire passer l’eau de l’état liquide à l’état gazeux (vaporisation), il faut augmenter sa température jusqu’à 100 °C. (La chaleur environnante est souvent susante pour permettre la vaporisation des liquides. Par exemple, l’eau s’évapore sans qu’il soit nécessaire de la chauer. En fait, la vapeur d’eau existe à n’importe quelle température. C’est ce qu’on appelle l’humidité.)

Moins de 0 °C

A

Entre 0 °C et 100 °C

Les transformations inverses, quant à elles, dégagent de la chaleur. Par exemple :

B

• Le passage de la vapeur d’eau à l’état liquide libère de la chaleur. C’est ce qu’on appelle la condensation liquide. • L’eau qui se transforme en glace au cours de la solidication dégage aussi de la chaleur.

Le cas de la sublimation est particulier. Au cours de ce changement, la matière passe directement de l’état solide à l’état gazeux, sans passer par l’état liquide. Ce changement, qui se fait plutôt lentement, exige de la chaleur. Cependant, la chaleur déjà présente dans le milieu (dans l’air, par exemple) est susante pour permettre la sublimation. C’est pourquoi un cube de glace laissé dans le congélateur devient de plus en plus petit avec le temps : il se transforme peu à peu en vapeur d’eau.

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Plus de 100 °C C

FIGURE

La sublimation

4 A Sous 0 °C, l’eau est à l’état solide. B Entre 0 °C et 100 °C, l’eau est liquide. C À partir de 100 °C, l’eau liquide se transforme en gaz.

Chapitre 3 | La matière

95

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.1

La gure 5 illustre les diérents changements d’état que peut subir la matière. Le tableau 1 fournit quelques exemples.

io n

en sa nd

po ris at

n

Va

e

io at

lid

so

im

Co

n

bl

Liquide

io at

Su

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liq

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de

Gaz

Fusion

Solide

FIGURE

Solidication

5 Les changements d’état de la matière. Les èches rouges indiquent les changements qui demandent de la chaleur. Les èches bleues indiquent les changements qui dégagent de la chaleur.

Tableau 1

Des exemples de changements d’état de la matière

Changement d’état Fusion

Exemple • La neige fond au printemps. • La cire fond autour de la amme d’une chandelle.

Vaporisation

• L’eau de la bouilloire se transforme en vapeur. • Les vêtements mouillés sèchent sur la corde à linge.

Condensation liquide

• De minuscules gouttelettes d’eau (buée) se forment sur le miroir de la salle de bain pendant une douche.

Condensation solide

• Des ocons de neige se forment à partir de la vapeur d’eau dans l’atmosphère.

Solidication

• L’eau des lacs gèle en hiver. • La fondue au chocolat durcit quand on éteint le brûleur.

Sublimation

96

L’univers matériel

• La naphtalène (« boules à mites ») se transforme lentement en gaz et libère sa forte odeur.

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LE CHANGEMENT D’ÉTAT D’UNE SUBSTANCE : L’EXEMPLE DE LA PARAFFINE L’UNIVERS MATÉRIEL 3.1

Les changements d’état des substances ont lieu à des tempéra­ tures spéciques. Par exemple, la fusion de l’eau se fait à 0 °C et son ébullition a lieu à 100 °C. Cependant, qu’arrive­t­il à la tem­ pérature d’une substance pendant qu’on la chaue ?

1

2

3

Au début du chauage, la température de la parane aug­ mente graduellement, alors que la parane est encore solide. À la 12e minute, quand la parane commence à fondre, soit à envi­ ron 50 °C, sa température se stabilise pendant quelques minutes, même si le chauage se poursuit. Cette stabilisation de la tempéra­ ture est appelée « plateau », à cause de sa forme horizontale dans le graphique. Elle a aussi lieu au cours des autres changements d’état. À la 20e minute, quand la fusion est complétée et que toute la parane est à l’état liquide, la température se met à augmenter de nouveau.

FIGURE

Prenons l’exemple de la parane qui sert à fabriquer la cire des chandelles. Lorsqu’elle est chauée susamment, la parane entre en fusion. Elle passe donc de l’état solide à l’état liquide (voir la gure 6). Le graphique de la gure 7A illustre les trois étapes de ce processus.

6 De la parafne solide (à gauche) et de la parafne liquide (à droite).

Lors du refroidissement de la parane liquide, on observe aussi un plateau pendant lequel la température se stabilise (voir la gure 7B, étape 2). C’est à ce moment que la parane se solidie. La solidica­ tion de la parane se produit à la même température que sa fusion. Par ailleurs, il est important de noter que l’aspect du graphique est le même pour les changements d’état de n’importe quelle substance. B

FIGURE

3

7 L’évolution de la température au cours du chauffage de la parafne

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A

et de son refroidissement

B

.

Chapitre 3 | La matière

97

FLA SH

techno

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.1

Le plasma Il existe un quatrième état de la matière, beaucoup moins connu, appelé « plasma ». Le plasma est un gaz qui se charge électri­ quement lorsqu’il est soumis à un fort champ magnétique ou élec­ trique ou lorsqu’il est soumis à de très hautes températures. Le gaz devient alors lui­même un conducteur d’électricité. On ne trouve le plasma qu’à des endroits très particuliers, par exemple dans les étoiles, dans les aurores polaires ou dans les éclairs. Une haute couche de l’atmosphère terrestre, l’ionosphère, en contient aussi. Les écrans à plasma, par exemple ceux des téléviseurs, fonc­ tionnent avec ce gaz électrié. Chaque pixel de l’écran contient un gaz qui se transforme en plasma et qui devient lumineux lorsqu’il est soumis à un champ électrique. Les couleurs rouge, vert et bleu ne proviennent pas du plasma lui­même, mais des minuscules cap­ sules uorescentes qui contiennent le plasma. Ces capsules s’illu­ minent à leur tour en absorbant la lumière émise par le plasma.

Qu’est-ce qu’un téléviseur au plasma a en commun avec une aurore polaire ?

ACTIVITÉS

98

1

Nommez les trois états de la matière et décrivez les caractéristiques de chacun.

2

Dans chaque cas, indiquez dans quel état se trouve la matière. a) Du jus de raisin

e) De la pluie

b) Une chaîne en or

f) Un verre en plastique

c) Du sel

g) De la vapeur d’eau

d) De l’oxygène

h) Un clou

L’univers matériel

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4

Donnez le nom du changement d’état des descriptions suivantes. a) Passage de l’état liquide à l’état gazeux.

c) Passage de l’état liquide à l’état solide.

b) Passage de l’état solide à l’état gazeux.

d) Passage de l’état gazeux à l’état liquide.

Donnez le nom du changement d’état de chacun des exemples suivants. a) On fait fondre le verre pour le recycler.

b) La lave d’un volcan durcit en refroidissant.

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.1

3

e) Le petit sapin désodorisant accroché au miroir de la voiture répand son parfum.

f) La vapeur d’eau de l’atmosphère forme des cristaux de neige en refroidissant rapidement.

c) Un sirop pour la toux a une forte odeur.

d) L’extérieur d’une bouteille de jus très froide devient mouillée.

5

g) La pluie verglaçante se transforme en glace en touchant le sol.

Par une belle journée d’été, vous achetez un cornet de crème glacée. Au début, la crème glacée est solide. Peu à peu, elle devient liquide. a) Quelle est la cause de ce changement ? b) Comment nomme-t-on ce changement d’état ?

6

Donnez un exemple de chacun des changements d’état suivants en décrivant ce qui arrive à la matière. Un exemple vous est donné en a. a) Fusion : Le chocolat fond et devient liquide quand on le chauffe pour faire une fondue. b) Solidication :

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c) Vaporisation :

Chapitre 3 | La matière

99

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.1

d) Condensation liquide :

7

e) Sublimation :

Complétez les phrases suivantes en choisissant l’état de la matière approprié (solide, liquide ou gazeux). a) Lors de la fusion de l’acier, celui-ci devient

.

b) La sublimation transforme directement une substance de l’état

à l’état

. c) Avant la condensation liquide, l’eau était à l’état

.

d) Pour la fabrication de bijoux, l’or subit une solidification, c’est-à-dire qu’il passe de l’état à l’état

100

.

8

Deux seaux sont remplis, l’un avec de l’eau, l’autre avec des balles de tennis. L’eau occupe tout le volume du premier seau, tandis qu’il reste de l’espace inoccupé par les balles de tennis dans le second seau. Expliquez pourquoi.

9

Étienne a allumé une bougie à l’aide d’une seule allumette. Pourtant, on sent le soufre brûlé de l’allumette dans toute la maison. Expliquez pourquoi.

10

a) Décrivez l’évolution de la température lorsqu’on fait fondre de la glace en la faisant passer de -10 °C à 15 °C.

L’univers matériel

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b) Tracez le graphique (courbe de température) de ce changement d’état. Le graphique doit indiquer que la glace commence à fondre à la 4e minute et qu’elle est entièrement fondue à la 8e minute. Indiquez à l’endroit approprié le nom des différents états et le nom du changement d’état. L’UNIVERS MATÉRIEL 3.1

Température (°C)

L’évolution de la température au cours du chauffage de la glace 20 15 10 5 0

2

4

6

8

10

12 Temps (min)

-5 -10 -15 -20

11

Examinez le graphique suivant, puis répondez aux questions.

Température (°C)

L’évolution de la température au cours du chauffage du mercure

400

E D

300

200

C 100

0

-100

5

10

A

15

20

25

30

35

B

40 45 Temps (min)

a) À quel état correspond la partie A du graphique ?

c) À quel état correspond la partie E du graphique ?

b) À quel état correspond la partie C du graphique ?

d) À quel changement d’état correspond la partie B du graphique ?

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Chapitre 3 | La matière

101

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.2

e) À quel changement d’état correspond la partie D du graphique ?

j) À quelle température approximative le mercure fond-il ?

f) À quel moment le mercure commence-t-il à fondre ?

k) À quelle température approximative le mercure s’évapore-t-il ?

g) À quel moment le mercure est-il complètement fondu ?

l) À la température de la pièce (20 °C), dans quel état le mercure se trouve-il ?

h) À quel moment le mercure commence-t-il à s’évaporer ?

m) Comment nomme-t-on les parties horizontales (B et D) du graphique ?

i) À quel moment le mercure est-il complètement évaporé ?

3.2 La masse Qu’elle soit solide, liquide ou gazeuse, la matière a toujours une masse et un volume. Quand on parle de volume, on fait référence à l’espace occupé par la matière. Quand on parle de masse, on fait référence à la quantité de matière. DÉFI NITI ON

La masse est la mesure de la quantité de matière contenue dans un objet ou dans une substance.

Au sujet de la masse, on peut formuler les observations suivantes.

FIGURE

• Plus un objet contient de matière, plus sa masse est grande (voir la gure 8).

8 La quantité d’eau contenue dans le seau (à gauche) est beaucoup plus grande que celle contenue dans le verre (à droite). La masse de l’eau du seau est donc plus élevée que la masse de l’eau du verre.

102

L’univers matériel

• Des substances diérentes ayant une taille identique peuvent avoir des masses dié­ rentes (voir la gure 9, à la page suivante). • L’unité de mesure de la masse dans le sys­ tème international d’unités (SI) est le kilo­ gramme (kg).

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L’UNIVERS MATÉRIEL 3.2

Cependant, le gramme (g) est plus pratique pour mesurer de petites quantités, que ce soit au laboratoire ou dans la cuisine. Un gramme correspond environ à la masse d’un petit raisin. Le milligramme (mg) est utilisé pour mesurer de très petites masses, par exemple les comprimés d’un médicament. Il est à noter qu’un kilogramme correspond exactement à la masse d’un litre d’eau.

A

LES GAZ ONT-ILS UNE MASSE ? Les gaz sont constitués de matière. Ils possèdent donc une masse. Ils sont par contre très légers, parce que la matière est beaucoup moins concentrée dans les gaz que dans les liquides et les solides. Par exemple, on ne sent pas le poids de l’air qui est au-dessus de nos têtes. On ne sent pas non plus le poids de l’hélium dont on remplit les ballons d’anniversaire. Ces gaz ont quand même une masse.

FLA SH

C FIGURE

Il est plus dicile de mesurer la masse des gaz que celle des solides ou des liquides. Pour connaître la masse d’un gaz, il faut recourir à des techniques particulières. Par exemple, on peut mesurer la masse d’un ballon de verre contenant un gaz en le plaçant dans une cloche d’où on a retiré l’air.

B

9

Les deux cubes sont de dimension identique, mais le cube de bois a une masse plus petite que le cube d’acier. B Une bouteille qui contient de l’eau est plus lourde qu’une bouteille identique qui contient de l’huile. C Un ballon goné d’hélium est plus léger qu’un ballon goné d’air. A

info

Masse ? Poids ? On pense souvent que la masse et le poids sont la même chose. Ce n’est pas tout à fait le cas. Pour bien les différencier, transportons-nous sur la Lune avec une pierre dont la masse est de 100 kg. Cette pierre, très difcile à soulever sur Terre, se soulève avec peu d’efforts sur le sol lunaire. Pourtant, qu’elle soit sur Terre ou sur la Lune, la pierre contient la même quantité de matière et sa masse est de 100 kg. Que se passe-t-il alors ? En fait, ce qui change, c’est le poids de la Sur Terre... Sur la Lune... pierre. Le poids est la force avec laquelle un objet est attiré vers le sol. Puisque la Lune est beaucoup plus petite que la Terre, les objets y sont attirés vers le sol avec moins de force que sur Terre. Ainsi, le poids de la pierre est six fois moins élevé sur la Lune que sur Terre. Alors, pour perdre du poids, on peut faire de l’exercice ou… aller sur la Lune !

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Chapitre 3 | La matière

103

OUTIL 2

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.2

MESURER LA MASSE On utilise une balance pour mesurer la masse. Il en existe différents modèles.

LA BALANCE À FLÉAUX Dans les laboratoires de science des écoles, on utilise habituellement la balance à éaux (voir la gure A). Son fonctionnement est relativement simple. On place l’objet à peser sur le plateau. On rééquilibre ensuite la balance en déplaçant les curseurs vers la droite. La balance à éaux indique la masse en grammes (g).

La gure B montre la position des curseurs correspondant à la masse d’un objet déposé sur le plateau d’une balance. Les nombres inscrits sur le éau des fractions désignent les dixièmes de gramme. Les petites divisions séparant chaque dixième indiquent les centièmes de gramme. En additionnant la valeur des quatre curseurs, on obtient 127,46. La masse de l’objet est donc de 127,46 g.

Vis d’ajustement

Curseurs

Fléaux

MESURER LA MASSE D’UN OBJET Pour mesurer la masse d’un objet sur une balance à éaux, on procède de la façon suivante. 1° S’assurer que le plateau est vide, que les curseurs sont tous à zéro et que l’aiguille à l’extrémité des éaux pointe le « 0 ». Au besoin, ajuster l’aiguille avec le « 0 » en tournant la vis d’ajustement.

Aiguille

2° Déposer l’objet dont on veut mesurer la masse sur le plateau. L’aiguille se positionne alors audessus de « 0 ». Plateau

Socle

FIGURE

3° Déplacer graduellement le curseur des centaines sur son éau, une position à la fois. Vérier la position de l’aiguille après chaque déplacement. (Le curseur doit tomber dans son encoche pour être correctement positionné.)

A Les principales composantes d’une balance à éaux.

4° Tant que l’aiguille est au-dessus de « 0 », continuer de déplacer le curseur, une position à la fois. 5° Quand l’aiguille se positionne sous le « 0 », replacer le curseur à la position précédente. Ne plus toucher à ce curseur.

7° Déplacer graduellement le curseur des fractions sur son éau (celui-ci n’a pas d’encoches) jusqu’à ce que l’aiguille soit parfaitement alignée sur le « 0 ». 8° Calculer la masse de l’objet en additionnant les nombres indiqués par chacun des curseurs.

104

L’univers matériel

FIGURE

6° Répéter les étapes 3 à 5 avec le curseur des dizaines et le curseur des unités.

B En additionnant les nombres indiqués par les curseurs sur cette balance, on obtient: 100 + 20 + 7 + 0,46 = 127,46 La masse de l’objet pesé est donc de 127,46 g.

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1

Qu’est-ce que la masse ?

2

Indiquez l’unité de mesure la plus appropriée pour désigner la masse dans chacun des cas suivants. a) Une banane

d) Un comprimé de médicament

b) Un cheval

e) Un crayon

c) Une fourmi

f) Un humain

3

Quel instrument sert à mesurer la masse des objets ?

4

Indiquez si chacun des énoncés est vrai ou faux. Pour chaque énoncé que vous avez jugé faux, justiez votre réponse.

Énoncé

Vrai

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.2

ACTIVITÉS

Faux

a) La masse est la mesure de la taille d’un objet. b) Plus un objet contient de matière, plus sa masse est grande. c) L’air n’a pas de masse. d) Deux objets de taille identique ont la même masse. e) Le gramme est une unité de mesure de la masse. Justications (indiquez la lettre de l’énoncé) :

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Chapitre 3 | La matière

105

Voici l’illustration d’une balance à éaux.

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.2

5

a) Nommez les différentes parties de la balance. b) Expliquez brièvement le rôle des curseurs de la balance.

c) À quoi sert l’aiguille de la balance ?

6

Quelle masse chacune des balances indique-t-elle ? a)

106

L’univers matériel

b)

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e)

d)

f)

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.2

c)

7

À l’aide de èches, indiquez la position des curseurs sur les éaux des balances selon la masse donnée. a) 60,36 g

d) 305,88 g

b) 199,00 g

e) 190,36 g

c) 6,04 g

f) 234,72 g

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Chapitre 3 | La matière

107

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.2

8

Classez les objets suivants en ordre croissant de masse en inscrivant les chiffres 1 à 5 dans la case appropriée.

Une voiture

9

Une pomme

Un téléviseur

Un livre

Un crayon

Les trois objets ci-dessous sont de taille presque égale, mais ils ont des masses différentes. a) Classez ces objets en ordre croissant de masse en inscrivant les chiffres 1 à 3 dans la case appropriée.

Un ballon de volleyball

Une boule de quilles

Un ballon d’anniversaire

b) Expliquez pourquoi ces objets ont une masse différente.

108

L’univers matériel

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3.3 Le volume

FIGURE

Une feuille de papier, par exemple, n’occupe pas beaucoup d’espace parce qu’elle est très mince. Elle n’a que deux dimensions (longueur et largeur), qui couvrent une certaine surface. En réalité, la feuille de papier possède une troisième dimension, son épaisseur, mais celle-ci est si petite qu’elle est négligeable. Cependant, empilez plusieurs dizaines de feuilles de papier, et vous obtiendrez une troisième dimension : la hauteur de la pile de feuilles (voir la gure 10). Cette pile occupe un espace en trois dimensions. Cet espace en trois dimensions occupé par un objet se nomme le volume.

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.3

Les objets qui nous entourent occupent tous une place dans l’espace, qu’ils soient solides, liquides ou gazeux. Certains sont gros, d’autres, petits. La place qu’ils occupent dépend de leurs dimensions : longueur, largeur et hauteur.

10 Une feuille de papier occupe une surface

en deux dimensions. Une pile de feuilles de papier occupe un volume en trois dimensions.

DÉFI NITI ON

Le volume est la mesure de l’espace en trois dimensions occupé par un objet ou une substance. A

LE VOLUME ET LA MASSE

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B

C FIGURE

Le volume d’un objet est indépendant de sa masse. Toutefois, la plupart du temps, les gros objets ont une grande masse et les petits objets, une petite masse. Mais des objets volumineux peuvent avoir une petite masse s’ils sont faits d’un matériau léger, tel le styromousse. Au contraire, un petit objet en pierre, en fer ou en plomb aura une masse relativement élevée. Les gaz, de leur côté, ont tendance à occuper le plus grand volume possible et ils sont très légers (voir la gure 11).

11

Le styromousse est un matériau léger. Sa masse est petite par rapport à son volume. B Cette bague faite de métal et de pierre a une grande masse par rapport à son volume. C L’air contenu dans ce ballon occupe un grand volume mais a une très petite masse. A

Chapitre 3 | La matière

109

FIGURE

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.3

Deux cubes de matières diérentes et de volumes identiques peuvent avoir des masses diérentes (voir la gure 9, à la page 103). Le contraire est également vrai : des objets de volumes diérents peuvent avoir la même masse (voir la gure 12).

12 Cet haltère a la même masse que cinq paquets

LES UNITÉS DE MESURE DU VOLUME

Plus un objet est gros, plus il prend de place, plus son volume est élevé. On dit d’ailleurs d’un gros objet qu’il est volumineux. Par exemple, un réfrigérateur a un volume plus grand que celui d’un dé à jouer.

de 454 g de beurre, soit 2,27 kg. Par contre, chacun a un volume différent.

Les unités de mesure des solides Diérentes unités de mesure sont utilisées pour exprimer le volume des objets. Pour mesurer le volume d’objets solides, on a l’habitude d’utiliser le mètre cube (m3) pour les gros objets et le centimètre cube (cm3) pour les petits objets (voir le tableau 2). Par exemple, le volume d’un réfrigérateur est d’environ 2 m3. Celui d’un dé à jouer est d’environ 8 cm3. On utilisera donc le mètre cube pour mesurer le volume d’un bâtiment, et le centimètre cube pour mesurer le volume d’une télécommande ou d’un téléphone portable. Notez qu’il faut un million de centimètres cubes pour obtenir un mètre cube. Les unités de mesure des liquides et des gaz Dans le cas des liquides et des gaz, l’unité de mesure communément utilisée est le litre (L). On utilise les dérivés du litre soit pour de petits volumes, Tableau 2 Le volume de quelques objets solides Objet solide

Volume

Objet solide

Environ 2 m3

Un réfrigérateur

Environ 250 m3

Un bâtiment

Environ 8 cm3

Un dé à jouer

110

L’univers matériel

Volume

Environ 200 cm3

Une télécommande Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.3

soit pour de grands volumes (voir le tableau 3). On mesure en hectolitres (hL) la production d’une ferme laitière. Le contenu d’un réservoir d’essence se mesure en litres, celui d’une bouteille de jus en millilitres (mL). On utilise souvent aussi le litre pour indiquer la capacité d’un espace de chargement ou de rangement tel qu’un core d’automobile, une valise ou un sac à ordures. Le core d’une voiture compacte a un volume d’environ 450 L. Tableau 3 Le volume de quelques objets contenant des liquides Objet contenant des liquides

Volume

Objet contenant des liquides

355 mL

Volume

Environ 0,05 mL

Une canette de boisson gazeuse

Une goutte de pluie

Environ 35 000 L

Environ 150 L

Une piscine

Une baignoire

De 150 L à 225 L

1L Un carton de lait

Un chauffe-eau

Le millilitre et le centimètre cube sont des volumes exactement équivalents. Une bouteille de jus de 250 mL contient 250 cm3 de liquide. Un mètre cube est donc l’équivalent de 1000 litres (voir la gure 13).

1mL

1000 L

FIGURE

1 cm3 = 1 mL

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1 m3 = 1000 L

13 Des mesures de volume équivalentes. Chapitre 3 | La matière

111

LA MESURE DU VOLUME L’UNIVERS MATÉRIEL 3.3

Il existe plusieurs façons de mesurer le volume. Les méthodes varient selon qu’on a aaire à un liquide, à un solide de forme régulière ou à un solide de forme irrégulière.

Mesurer le volume d’un solide géométrique régulier Pour les solides géométriques tels que le cube, le cône ou le cylindre, on calcule le volume à l’aide de formules mathématiques en se fondant sur les dimensions du solide. La mesure la plus simple est celle du cube ou des prismes à base carrée ou rectangulaire. Il s’agit de multiplier l’une par l’autre les trois dimensions. Volume = Longueur × Largeur × Hauteur Par exemple, une boîte de céréales (voir la gure 14) a une longueur de 20 cm, une largeur de 6 cm et une hauteur de 30 cm. On calcule donc son volume de la façon suivante :

FIGURE

Volume = 20 cm × 6 cm × 30 cm = 3600 cm

14 Une boîte de céréales de ce format

a un volume de 3600 cm3.

FLA SH

Pour savoir comment mesurer le volume d’un liquide ou d’un solide de forme irrégulière, consultez l’outil 3, à la page suivante.

info

Le pied du roi Il y a quelques siècles, on utilisait des parties du corps humain pour déterminer les longueurs. Les humains étant de tailles différentes, c’étaient le pouce et le pied du roi qui étaient utilisés comme référence. Le « pouce » et le « pied » sont d’ailleurs encore aujourd’hui des unités de mesure du système impérial (anglo-saxon). Les scientiques se sont cependant attachés à établir un système de mesure universel. Aujourd’hui, le système international d’unités (SI) est utilisé presque partout dans le monde. L’unité de longueur du SI est basée sur le mètre.

112

L’univers matériel

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OUTIL 3

Le cylindre gradué sert à mesurer les liquides et les solides de forme irrégulière. L’unité de mesure de la plupart des cylindres gradués est le millilitre. 0,1 mL

FIGURE

1 mL

A Un cylindre gradué de 10 mL. La plus petite division correspond à 0,1 mL.

Ménisque

LIRE LA GRADUATION DU CYLINDRE Avant de mesurer à l’aide d’un cylindre gradué, il faut déterminer la valeur de ses divisions (voir la gure A). En faisant la soustraction entre deux divisions consécutives du cylindre ci-contre, par exemple entre les divisions 5 et 6, on obtient le volume compris entre elles : 6 mL – 5 mL = 1 mL Il y a donc 1 mL entre deux grandes divisions. Ce millilitre se divise à son tour en 10 parties égales. Chacune de ces parties correspond donc à 1/10 de mL ou 0,1 mL.

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.3

UTILISER UN CYLINDRE GRADUÉ

MESURER LE VOLUME D’UN LIQUIDE Pour mesurer le volume d’un liquide, on procède comme suit : 1° Verser le liquide dans un cylindre gradué. 2° Poser le cylindre sur une surface plane horizontale. (Pour une lecture juste, le cylindre doit être parfaitement horizontal.) 3° Observer le ménisque, l’œil étant à la hauteur du haut de la colonne de liquide. 4° Noter la division qui correspond au point le plus bas du ménisque (voir la gure B).

FIGURE

REM ARQ UE

B

Ce cylindre de 10 mL est gradué comme celui de la gure A. Le point le plus bas du ménisque coïncide ici avec la troisième division au-dessus de 7 mL. Le volume du liquide contenu dans le cylindre est donc de 7,3 mL.

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Le ménisque est la courbure à la surface du liquide. La mesure se prend à son point le plus bas.

Chapitre 3 | La matière

113

Pour mesurer le volume d’un solide de forme irrégulière, on se sert d’un cylindre gradué ou d’un vase à trop-plein : les deux reposent sur le principe du déplacement d’eau.

• AU MOYEN D’UN CYLINDRE GRADUÉ ATT ENT ION ! Cette méthode ne peut être utilisée qu’aux conditions suivantes. • L’objet doit être résistant à l’eau. • L’objet ne doit pas otter. • Le cylindre doit pouvoir contenir l’objet à mesurer. Pour mesurer le volume d’un objet, on peut le plonger dans l’eau d’un cylindre gradué et mesurer l’élévation du niveau d’eau dans ce dernier (voir la gure C). 1° Remplir un cylindre gradué d’une certaine quantité d’eau et noter le volume initial. 2° Plonger délicatement l’objet dans le cylindre pour éviter les éclaboussures et pour ne pas casser le cylindre si celui-ci est en verre. Le niveau d’eau s’élève. 3° L’objet doit être complètement immergé dans l’eau. (Sinon, revenir à l’étape 1 en ajoutant de l’eau.) 4° Mesurer le volume nal. 5° Calculer la différence entre le volume nal et le volume initial. Cette différence correspond au volume de l’objet immergé.

Volume initial : 5 mL

Volume nal : 6,8 mL

Volume de l’objet immergé : 6,8 mL – 5 mL = 1,8 mL FIGURE

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.3

MESURER LE VOLUME D’UN SOLIDE DE FORME IRRÉGULIÈRE

C La mesure d’un solide de forme irrégulière à l’aide d’un cylindre gradué.

Le vase à trop-plein est rempli à pleine capacité.

L’objet fait déborder l’eau dans le cylindre.

• AU MOYEN D’UN VASE À TROP-PLEIN

114

L’univers matériel

Le volume de l’objet immergé est de 33 mL. FIGURE

Pour les objets de plus grande taille, on peut se servir d’un vase à trop-plein (voir la gure D). 1° Remplir d’eau le vase à trop-plein. On s’assure qu’il est rempli à pleine capacité en le faisant déborder un peu. 2° Placer un cylindre gradué sous le bec du vase. 3° Plonger délicatement l’objet dans le vase pour éviter les éclaboussures : l’eau déplacée s’écoule par le bec du vase dans le cylindre gradué. 4° Mesurer le volume d’eau recueilli dans le cylindre gradué. Ce volume d’eau correspond au volume de l’objet plongé dans le vase.

D

La mesure d’un solide de forme irrégulière à l’aide d’un vase à trop-plein.

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1

Qu’est-ce que le volume ? Donnez une dénition dans vos mots.

2

Indiquez quelle unité de mesure serait la plus appropriée pour mesurer le volume dans chacun des exemples suivants. Donnez l’unité de mesure, puis faites-la suivre de son symbole. Exemple : Litre (L). a) Un petit carton de lait au chocolat

d) La capacité d’un sac de randonnée

b) Le réservoir d’essence d’une auto

e) La Station spatiale internationale

c) Un coffre à crayons

f) Un ballon goné d’hélium

3

Quel instrument permet de mesurer le volume des liquides ?

4

Indiquez si chacun des énoncés est vrai ou faux. Pour chaque énoncé que vous avez jugé faux, justiez votre réponse.

Énoncé

Vrai

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.3

ACTIVITÉS

Faux

a) Les objets de volume élevé ont toujours une grande masse. b) Le volume correspond à la grosseur d’un objet. c) Le volume se mesure en centimètres carrés. d) Un litre est l’équivalent de 1000 cm3. e) Des objets de même masse ont un même volume. Justications (indiquez la lettre de l’énoncé) :

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Chapitre 3 | La matière

115

Comment se nomme la déformation à la surface d’un liquide que l’on peut voir dans un cylindre gradué ?

6

Calculez la valeur de la plus petite division pour chacun des cylindres gradués suivants.

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.3

5

a)

7

b)

d)

Indiquez le volume (en millilitres) du liquide contenu dans chacun des cylindres gradués suivants.

a)

116

c)

L’univers matériel

b)

c)

d)

e)

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L’UNIVERS MATÉRIEL 3.3

f)

g)

h)

i)

j)

8

On vous demande de mesurer le volume d’une statuette de pierre très ancienne représentant un guerrier. La statuette mesure environ 20 cm de large et 50 cm de haut. Décrivez comment vous procéderiez.

9

On vous présente des quantités égales de trois substances différentes, soit 100 g de plomb, 100 g de bois et 100 g de styromousse. Vous devez ranger ces trois substances dans leur tiroir. Il y a un petit, un moyen et un grand tiroir. Dans quel tiroir devriez-vous ranger chacune de ces substances ? Petit tiroir

10

Moyen tiroir

Grand tiroir

On mesure en mètres cubes le volume d’air présent à l’intérieur d’une montgolère. La montgolère représentée sur la photo contient 12 000 m3 d’air. Convertissez ces mètres cubes en litres.

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Chapitre 3 | La matière

117

3.4 La température L’UNIVERS MATÉRIEL 3.4

Qu’est-ce au juste que la température ? Comment expliquer qu’une substance soit chaude ou froide ? En fait, tout comme la masse et le volume, la température est l’expression d’une propriété de la matière. Pour bien comprendre cette propriété, nous devons nous pencher sur les particules qui composent la matière.

DES PARTICULES EN MOUVEMENT DÉFI NITI ON

FIGURE

La température est une mesure du degré d’agitation des particules qui composent un objet ou une substance.

15 De la glace à -15 °C.

Les molécules d’eau vibrent assez lentement.

La matière est composée de particules inniment petites nommées « atomes » et « molécules ». Ces particules sont agitées, elles sont continuellement en mouvement. Quand cette agitation est faible et que les mouvements sont lents, la température de la matière est basse. Plus le mouvement des particules est rapide, plus la température est élevée. Pour illustrer ce phénomène, prenons une substance, de l’eau par exemple, et augmentons graduellement sa température.

FIGURE

Dans un glaçon à 20 °C, les molécules d’eau bougent lentement. Elles ne font que vibrer et ne se déplacent pas les unes par rapport aux autres. La vibration augmente à mesure que la température s’élève, par exemple à 15 °C, mais elle demeure relativement lente (voir la gure 15).

16 De l’eau à 4 °C. Les molécules d’eau vibrent plus rapidement et se déplacent les unes par rapport aux autres.

À 0 °C, la glace fond et l’eau devient liquide. Les molécules d’eau se mettent alors à tourner les unes autour des autres et à se déplacer, tout en continuant de vibrer. Lorsqu’on fait passer la température à 4 °C par exemple, les mouvements deviennent de plus en plus rapides (voir la gure 16).

FIGURE

Si on chaue encore et qu’on porte la température de l’eau à 100 °C, celle-ci se met à bouillir et se transforme progressivement en un gaz : la vapeur d’eau. Les molécules d’eau vibrent et se déplacent alors à une vitesse tellement grande qu’elles s’échappent de la surface du liquide. À mesure que la température de la vapeur d’eau s’élève au-dessus de 100 °C, les molécules se déplacent à des vitesses de plus en plus rapides (voir la gure 17).

17 De la vapeur d’eau à

100 °C. Les molécules d’eau vibrent très rapidement et se déplacent à grande vitesse.

118

L’univers matériel

La sensation de chaud ou de froid que l’on éprouve en touchant des objets ou des substances à diérentes températures s’explique par ces mouvements et ces collisions entre les particules de matière. Plus le mouvement est intense et rapide, plus la matière est chaude au toucher. À l’inverse, plus le mouvement des molécules est faible et lent, plus la matière est froide au toucher. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

FLA SH

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.4

Il est impossible de voir ces mouvements des particules parce qu’elles sont extrêmement petites. Par contre, on peut mesurer leur agitation avec un thermomètre.

techno

Frotter pour chauffer Lorsque deux objets entrent en contact, par frottement ou par simple collision, l’énergie associée au mouvement de ces objets est en partie transmise aux particules de matière qui sont mises en contact. Ces particules se mettent à bouger plus rapidement et leur température augmente. En frottant ou en frappant toujours au même endroit, on peut faire augmenter la température de façon considérable. Au cours de la préhistoire, les humains ont appliqué ce principe Faire du feu en frottant deux pour faire du feu. En frottant ensemble deux morceaux de bois morceaux de bois. et quelques brins d’herbe séchée selon une technique appropriée, ils produisaient assez de chaleur pour faire s’enammer les herbes. Nous utilisons ce même principe aujourd’hui lorsque nous frottons une allumette sur une surface rugueuse pour l’enammer ou lorsque nous nous frottons les mains pour les réchauffer.

LA DILATATION THERMIQUE Quand la température d’une substance augmente, les particules tendent à occuper plus d’espace en raison de l’amplication des mouvements, un peu comme si chaque particule avait besoin de plus de place pour se mouvoir. Il en résulte que la substance ellemême, à l’échelle visible, augmente de volume. On appelle dilatation thermique l’augmentation du volume d’une substance due à une augmentation de sa température.

Les solides et les liquides subissent eux aussi une dilatation thermique, mais à un moindre degré. Ainsi, une tige de métal dont la température est considérablement augmentée s’allonge de façon quasi imperceptible. Ce phénomène doit être spécialement pris en considération au moment de construire des structures imposantes comme des ponts, en particulier dans les régions du monde où la température varie grandement selon les saisons.

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FIGURE

La dilatation thermique est plus marquée pour les gaz que pour les liquides et les solides. Ainsi, si on chaue un litre d’air et si on le fait passer de 0 °C à 100 °C, le volume de l’air atteint 1,36 L environ (voir la gure 18). L’air chaud occupe donc plus d’espace que l’air froid.

18 Le même ballon placé dans l’eau glacée (à gauche) et dans l’eau bouillante (à droite).

Chapitre 3 | La matière

119

FIGURE

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.4

Les ingénieurs qui construisent les ponts doivent tenir compte de la dilatation thermique des matériaux utilisés puisque ceuxci se dilatent et se contractent au gré des variations de la température extérieure (voir la gure 19). Ainsi, la structure d’un pont d’acier mesurant un kilomètre de long s’allonge d’environ 70 cm lorsque la température passe de 30 °C l’hiver à 30 °C l’été. Cela peut aecter sa solidité et menacer la sécurité des usagers.

19 Le pont Jacques-Cartier,

qui relie l’île de Montréal et la ville de Longueuil situées de part et d’autre du euve Saint-Laurent, est long de 2,7 km. Il subit des écarts saisonniers de température considérables. Sa structure a été conçue pour tolérer une importante dilatation thermique.

LE THERMOMÈTRE On mesure la température à l’aide d’un thermomètre. Celui-ci est composé d’un réservoir à liquide et d’une colonne graduée selon une échelle de température déterminée. Le fonctionnement de l’instrument repose sur le principe de la dilatation thermique. Lorsqu’il est chaué, le liquide contenu dans le réservoir du thermomètre se dilate. Il monte dans la colonne au-dessus du réservoir. Quand la température baisse, le liquide se contracte et descend dans la colonne. La graduation atteinte par le liquide dans la colonne indique la température de ce dernier. On utilise habituellement l’alcool, parfois le mercure, dans les thermomètres parce ces deux liquides ne se solidient qu’à de très basses températures, contrairement à l’eau. L’échelle de température la plus utilisée est l’échelle Celsius (C), dans laquelle l’eau gèle à 0 °C et bout à 100 °C.

FLA SH

info

L’échelle kelvin Les températures négatives (sous le 0 °C) sont peu pratiques lorsqu’on effectue des calculs. De plus, à une température de 0 °C, la chaleur est encore présente. Par exemple, il fait beaucoup plus chaud à 0 °C que lors d’une journée d’hiver où la température descend à -30 °C. Le physicien écossais William Thomson Kelvin (1824-1907) a établi une échelle de températures « absolues », où les valeurs sont toujours positives. Dans cette échelle, le « 0 » correspond à la température à laquelle les particules de matière ne présentent aucun mouvement. Ce « zéro absolu », ou encore 0 kelvin (0 K), équivaut à -273,15 °C. Toutefois, une variation d’un kelvin correspond exactement à une variation d’un degré Celsius. Ainsi, il est facile de convertir les degrés Celsius en kelvins, en leur additionnant une valeur de 273. L’échelle kelvin est l’échelle ofcielle de température du système international d’unités (SI).

120

L’univers matériel

Point d’ébullition de l’eau Point de congélation de l’eau

Zéro absolu

K

°C 373

100

273

0

0

-273

Les échelles de température kelvin (à gauche) et Celsius (à droite).

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FLA SH

info L’UNIVERS MATÉRIEL 3.4

Températures extrêmes Y a-t-il des limites au chaud et au froid ? Sur la planète Terre, les températures les plus extrêmes qu’on ait mesurées sont de -85 °C et 58 °C. On peut, bien sûr, atteindre des températures beaucoup plus élevées dans un four ou avec une amme. En fait, il ne semble pas y avoir de limite supérieure à la température. Les étoiles ont des températures internes qui atteignent plusieurs millions de degrés Celsius. Les astrophysiciens estiment qu’au moment du Big Bang (gigantesque explosion à l’origine de l’Univers), la température a atteint 1032 °C. Par contre, il existe une limite inférieure au-dessous de laquelle la température ne peut descendre. Cette limite est d’environ -273 °C. Elle correspond au zéro absolu, soit 0 kelvin (0 K). À cette température, toutes les substances, sans exception, sont à l’état solide et plus aucune particule de matière n’est en mouvement.

Au centre du Soleil, la température atteint environ 15 millions de degrés Celsius.

ACTIVITÉS 1

Qu’est-ce que la température ? Donnez une dénition dans vos mots.

2

Complétez les phrases suivantes. La température se mesure avec pour mesurer la température est

. L’unité de mesure la plus utilisée .

3

Décrivez ce qui arrive aux particules dans l’air lorsque nous augmentons le chauffage dans la maison, c’est-à-dire lorsqu’il y a apport de chaleur.

4

Expliquez le fonctionnement d’un thermomètre à alcool.

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Chapitre 3 | La matière

121

5

Indiquez si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Pour chaque énoncé que vous avez jugé faux, justiez votre réponse.

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.4

Énoncé

Vrai

Faux

a) En chauffant une substance, on augmente son énergie thermique. b) Une substance très froide n’a pas de température. c) Dans la glace, les molécules d’eau sont parfaitement immobiles. d) Les particules contenues dans l’air se déplacent plus vite en été qu’en hiver. e) Les particules de matière bougent plus rapidement dans un liquide que dans un gaz.

Justications (indiquez la lettre de l’énoncé) :

6

Observez la graduation des thermomètres suivants et déterminez la température indiquée par chacun d’eux.

a)

122

L’univers matériel

b)

c)

d)

e)

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L’UNIVERS MATÉRIEL 3.4

f)

7

g)

i)

j)

Sur les thermomètres ci-dessous, faites correspondre la colonne de liquide aux températures indiquées.

a) 8

h)

6 °C

b) 4,1 °C

c)

21,5 °C

d) -12 °C

e)

36,8 °C

Les ponts qui traversent de gros cours d’eau comprennent un certain nombre de sections séparées par des joints de dilatation. Ces joints de dilatation permettent à un pont d’absorber les écarts de température. a) Indiquez en quelle saison (été ou hiver) l’espace laissé par le joint de dilatation est le plus large.

b) Décrivez ce qui arrive à la structure du pont lorsque la température augmente au printemps.

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Chapitre 3 | La matière

123

L’UNIVERS MATÉRIEL 3.4

c) Au Québec, que risquerait-il d’arriver si un pont très long était dépourvu de joints de dilatation ?

Un joint de dilatation.

9

Expliquez pourquoi l’eau n’est pas utilisée comme liquide dans un thermomètre.

10

Illustrez le mouvement des particules d’air en hiver et en été. Utilisez des èches courtes ou longues pour représenter la vitesse des particules.

Été 11

Une enseignante de science tient dans une main un anneau de métal et dans l’autre, une boule de métal. Les deux objets sont montés sur une tige munie d’une poignée. L’anneau est tout juste assez grand pour laisser passer la boule (voir la gure A). L’enseignante allume un brûleur à gaz et fait chauffer la boule pendant une minute. Après cette opération, elle tente de faire passer la boule à travers l’anneau, mais n’y arrive pas (voir la gure B). Expliquez pourquoi.

A

124

Hiver

L’univers matériel

B

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1

POUR FAIRE LE POINT

POUR FAIRE LE POINT Dans une fonderie, on coule le métal en fusion dans un moule pour lui donner une forme déterminée. Décrivez chacune des étapes du processus de fabrication d’un marteau à partir d’un morceau de fer. Votre description doit tenir compte de la température, des états de la matière et des changements d’état. Un exemple vous est donné pour l’étape de la fonte. • Fonte : On augmente la température du fer à l’état solide jusqu’à ce qu’il entre en fusion et devienne liquide. • Moulage :

• Refroidissement :

2

Pour régler l’altitude d’une montgolère, on chauffe l’air à l’intérieur de l’enveloppe ou on le laisse refroidir. Lorsque l’air est chauffé, la montgolère s’élève ; lorsque l’air refroidit, elle descend. Puisque l’enveloppe de la montgolère possède une ouverture dans sa partie inférieure, les particules d’air peuvent s’en échapper ou y entrer. a) Complétez les phrases suivantes à l’aide de la liste de mots an d’expliquer de quelle façon la montgolère s’élève ou descend. • accélère • augmente • diminue • entrer • grand • petit • ralentit • sortir

Lorsqu’on chauffe l’air dans le ballon, le mouvement des particules

. Les particules d’air ont alors tendance

à occuper un plus vont

volume. Certaines particules du ballon, ce qui

la masse de

la montgolère et lui permet de s’élever dans les airs. Lorsqu’on laisse l’air refroidir à l’intérieur du ballon, le mouvement des particules occupent alors un plus le ballon, ce qui

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. Les particules d’air volume. Certaines particules vont

dans

la masse de la montgolère et lui permet de descendre.

Chapitre 3 | La matière

125

POUR FAIRE LE POINT

b) Indiquez dans le tableau suivant s’il y a un changement sur le plan de la masse, du volume, de la température et de l’état de l’air à l’intérieur de l’enveloppe, lorsque l’air est chauffé. De plus, si un changement a lieu, décrivez-le.

Air à l’intérieur de l’enveloppe de la montgolère

Changement Oui

Description du changement

Non

Masse de l’air Volume de l’air Température de l’air État de l’air

3

Un échantillon d’eau de 100 g subit plusieurs changements lorsqu’il est soumis à des variations considérables de température. Rendez compte de ces changements en complétant le tableau suivant.

Température

Masse

-10 °C 25 °C 110 °C

4

126

Volume

État

Environ 100 cm³ 100 g

Environ 100 mL Gazeux

Vous avez peut-être déjà vu l’inscription « Volume corrigé à 15 °C » sur les pompes à essence des détaillants. Que signie-t-elle, selon vous ?

L’univers matériel

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Dans la vie courante, nous utilisons divers objets fabriqués avec différents matériaux. Selon l’usage auquel ces objets sont destinés, leurs concepteurs doivent tenir compte des propriétés des matériaux utilisés. Par exemple, le bois convient bien pour la construction des maisons, car il est à la fois souple et résistant. Un moteur de voiture doit être fabriqué avec du métal, car il est soumis à de fortes vibrations et il doit résister à la chaleur.

SOMMAIRE

CHAPITRE

LES PROP R IÉ T ÉS CA R ACT ÉR IS T IQUE S D E L A M AT IÈRE 4.1 Les propriétés caractéristiques ......... 128 4.2 Une propriété caractéristique : l’acidité et la basicité.................................... 141 Pour faire le point ......................................................... 146

Comment peut-on déterminer la substance adéquate ou le matériau le plus approprié pour un usage précis ?

127

L’UNIVERS MATÉRIEL 4.1

4.1 Les propriétés caractéristiques DÉFI NITI ON

Une propriété carac­ téristique d’une substance est une propriété qui est propre à cette substance et qui ne varie pas quand les conditions demeurent les mêmes. Généralement, une propriété caractéristique permet d’identier une substance.

La masse, le volume et la température sont des propriétés de la matière (voir le chapitre 3). On ne peut cependant les considérer comme des propriétés caractéristiques parce qu’elles ne constituent pas des traits spéciques d’une substance. Ainsi, si la masse d’une substance donnée est de 200 g, elle ne nous permet pas de savoir de quelle substance il s’agit. Il pourrait s’agir de 200 g de fer, de 200 g d’eau, etc. Pour pouvoir identier une substance, on doit connaître les propriétés qui lui sont propres et qui ne varient pas. Par exemple, quelle que soit la quantité, l’eau pure gèle à 0 °C et elle bout à 100 °C. Les températures de solidication et d’ébullition sont donc des propriétés caractéristiques de l’eau. En guise d’exemple, le tableau 4 fournit la liste de certaines propriétés caractéristiques de l’eau et du fer. Tableau 4 Des propriétés caractéristiques de l’eau et du fer Substance

Propriété caractéristique Point de fusion : 0 °C Point d’ébullition : 100 °C Masse volumique : 1,0 g/cm³ Conductibilité thermique* : moyenne, faible Conductibilité électrique* : faible

Eau

Acidité/basicité : neutre (pH = 7) Point de fusion : 1538 °C Point d’ébullition : 2861 °C Masse volumique : 7,9 g/cm³ Conductibilité thermique* : élevée Conductibilité électrique* : élevée

Fer

Réagit avec les solutions acides

* Les conductibilités thermique et électrique peuvent aussi se mesurer. On se limitera ici à les qualier de « faible », « moyenne » ou « élevée ».

Comment les propriétés caractéristiques peuvent-elles aider à identifier une substance ? Considérons cinq échantillons de liquides différents. Un de ces liquides est de l’eau, et on veut savoir lequel. On refroidit les liquides et on note à quelle température ils deviennent solides. On obtient ainsi leur température de solidification. Les résultats sont présentés dans le tableau 5, à la page suivante.

128

L’univers matériel

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Tableau 5 La température de solidication des échantillons Température de solidication (°C)

Liquide A

20

Liquide B

-5

Liquide C

-39

Liquide D

0

Liquide E

-98

L’UNIVERS MATÉRIEL 4.1

Échantillon

On conclut que les liquides A, B, C et E ne sont pas de l’eau parce que leur température de solidication n’est pas de 0 °C. Seul le liquide D devient solide à 0 °C. Nous avons donc la certitude que ce liquide est de l’eau. La température de solidication d’une substance est unique, un peu comme une empreinte digitale. Elle permet donc d’identier avec certitude une substance. Les propriétés caractéristiques de la matière sont connues. On les trouve dans des ouvrages de référence ou sur des sites Internet spécialisés. C’est en comparant les valeurs mesurées d’une substance inconnue avec des valeurs connues qu’on peut identier cette substance.

Lors de la conception d’un objet technique ou encore lors du choix d’une substance à utiliser dans une situation particulière, il est important de considérer les propriétés caractéristiques de la matière an de choisir la substance ou le matériau approprié. Par exemple, le liquide utilisé pour indiquer la température sur un thermomètre doit posséder la propriété de demeurer à l’état liquide aux températures qui doivent être mesurées. L’eau ne peut pas être utilisée, car elle se solidie à 0 °C. Le thermomètre serait donc inutilisable aux températures inférieures à 0 °C. Le choix de l’alcool est beaucoup plus adéquat, car cette substance demeure liquide jusqu’à une température de -98 °C. Par contre, un thermomètre servant à mesurer des températures très élevées ne peut pas contenir d’alcool, car cette substance entre en ébullition à 65 °C. Dans ces conditions, il est beaucoup plus approprié d’utiliser du mercure, car son point d’ébullition est de 357 °C (voir la gure 20).

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A

B FIGURE

Des substances diérentes peuvent avoir des propriétés caractéristiques semblables. Par exemple, les métaux sont semblables en bien des points, et leurs propriétés caractéristiques sont très diérentes de celles de l’eau ou des gaz. Les gaz partagent aussi certaines propriétés caractéristiques, dont celle d’avoir des masses volumiques très faibles.

20

A Un thermomètre à alcool : l’alcool est liquide entre -98 °C et 65 °C. B Un thermomètre au mercure : le mercure est liquide entre -39 °C et 357 °C. (Les thermomètres buccaux au mercure ont été remplacés par des modèles électroniques en raison des risques associés à leur utilisation.)

Chapitre 4 | Les propriétés caractéristiques de la matière

129

Voici six propriétés caractéristiques de la matière : • le point de fusion ; L’UNIVERS MATÉRIEL 4.1

• le point d’ébullition ; • la masse volumique ; • la dureté ; • la conductibilité électrique ; • la solubilité.

FIGURE

Chacune de ces propriétés peut servir à identier une substance ou un groupe de substances.

21

Le l à soudure sert à faire adhérer ensemble deux pièces métalliques. Pour faire fondre le l, on le chauffe à l’aide d’un fer à souder. Le l est composé d’étain, qui fond à 232 °C. Le fer à souder, lui, ne fond pas, car le point de fusion du fer est de 1535 °C.

LE POINT DE FUSION

Le point de fusion est la température à laquelle une substance solide fond et devient liquide. C’est aussi la température à laquelle un liquide devient solide. Autrement dit, pour une même substance, les températures de solidication et de fusion sont identiques. Par exemple, l’eau gèle à 0 °C et la glace fond à 0 °C. Tous les métaux, excepté le mercure, ont des points de fusion assez élevés. L’étain, par exemple, a un point de fusion de 232 °C. Une soudure à l’étain ne risque donc pas de fondre à température ambiante (voir la gure 21).

LE POINT D’ÉBULLITION 100 °C

Le point d’ébullition est la température à laquelle une substance passe de l’état liquide à l’état gazeux. Par exemple, l’eau bout et se transforme en vapeur d’eau à 100 °C (voir la gure 22). C’est aussi la température à laquelle un gaz se condense pour devenir liquide. Le point d’ébullition est donc la température à laquelle il y a passage de l’état liquide à l’état gazeux et de l’état gazeux à l’état liquide. Ensemble, le point de fusion et le point d’ébullition permettent de connaître l’état d’une substance selon sa température. Ainsi : • si la température d’une substance est inférieure à son point de fusion, la substance est à l’état solide ;

FIGURE

• si la température d’une substance est plus élevée que son point d’ébullition, la substance est à l’état gazeux.

22

Le point d’ébullition de l’eau est de 100 °C.

130

L’univers matériel

La relation entre la température et l’état d’une substance est illustrée à la gure 23, à la page suivante.

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B

Gaz

Gaz

Point d’ébullition

100 °C

Liquide

FIGURE

Point de fusion

23

C

Gaz 2861 °C

Liquide

0 °C

Liquide

L’UNIVERS MATÉRIEL 4.1

A

1538 °C

Solide

Solide

Solide

État d’une substance selon sa température

État de l’eau selon sa température

État du fer selon sa température

La température d’une substance détermine son état.

Le tableau 6 indique les points de fusion et d’ébullition de 13 substances. Certaines substances telles que l’oxygène, l’azote et l’hélium ont des points d’ébullition très bas. C’est pourquoi on les trouve habituellement à l’état gazeux. Tableau 6 Les points de fusion et d’ébullition de 13 substances Substance

Point de fusion (°C)

Point d’ébullition (°C)

Alcool (méthanol)

-98

65

Aluminium*

660

2519

Argent*

962

2162

Cuivre*

1085

2562

0

100

232

2602

Fer*

1538

2861

Hélium

-272

-269

Or*

1064

2856

Oxygène

-219

-183

Mercure*

-39

357

Plomb*

328

1749

Sel de table

801

1465

Eau Étain*

* Métaux. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Chapitre 4 | Les propriétés caractéristiques de la matière

131

LA MASSE VOLUMIQUE 1 cm 1 cm

1 cm

1 cm

1 cm 1 cm FIGURE

L’UNIVERS MATÉRIEL 4.1

1 cm

1 cm

Pour comparer la masse de substances diérentes, il faut que les volumes de ces dernières soient égaux. Ainsi, trois cubes de taille identique faits de substances diérentes, par exemple du bois, du verre et du plomb, ont des masses diérentes (voir la gure 24).

1 cm

24

Ces trois cubes ont le même volume (1 cm3), mais des masses différentes. Le cube de bois a une masse volumique de 0,7 g/cm³, le cube de verre de 2,5 g/cm³, et le cube de plomb de 11,3 g/cm³.

Certains objets peuvent être plus lourds que d’autres sans nécessairement occuper plus de volume. Cela dépend de la matière dont ils sont composés. Une petite bille d’acier, par exemple, a une masse plus grande qu’une grosse guimauve.

Lorsqu’on met ainsi en relation la masse et le volume d’une substance, on parle de masse volumique. Elle s’évalue généralement en grammes par centimètre cube (g/cm³). C’est la diérence de masse volumique qui permet à une substance de otter sur une autre. Ainsi : • comme la masse volumique de l’huile végétale est inférieure à celle de l’eau, l’huile végétale otte sur l’eau (voir la gure 25) ;

FIGURE

Eau

• comme la masse volumique de l’hélium est inférieure à celle de l’air, on l’utilise pour faire otter les ballons d’anniversaire et les ballons météorologiques (voir la gure 27). L’hydrogène a une masse volumique de 0,000 09 g/cm3. C’est un gaz encore plus léger que l’hélium. Il pourrait donc être utilisé pour faire otter les ballons. Cependant, comme ce gaz est très explosif, il est dangereux de l’utiliser pour goner les ballons qui pourraient exploser au contact d’une amme.

FIGURE

25 La masse volumique de l’huile végétale est de 0,9 g/cm3 et celle de l’eau est de 1,0 g/cm3. Cette différence de masse volumique permet à l’huile végétale de otter sur l’eau.

• comme les masses volumiques du bois et du liège sont inférieures à celle de l’eau, ces substances ottent sur l’eau (voir la gure 26) ;

26

Un bouchon de liège ottant sur l’eau. La masse volumique du liège est inférieure à celle de l’eau.

132

L’univers matériel

FIGURE

Huile

27

Un ballon météorologique lancé dans l’atmosphère. La masse volumique de l’hélium qui est généralement utilisé pour goner ces ballons est inférieure à celle de l’air. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Tableau 7 La masse volumique de quelques substances Substance

Masse volumique (g/cm³)

Substance

0,000 18

Hélium

1,0

Eau

0,0012

Air

2,7

Aluminium

0,24

Liège

7,9

Fer

0,8

Alcool

8,9

Cuivre

0,9

Huile végétale

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Masse volumique (g/cm³)

L’UNIVERS MATÉRIEL 4.1

Le tableau 7 indique la masse volumique de quelques substances.

19,3

Or

Chapitre 4 | Les propriétés caractéristiques de la matière

133

L’UNIVERS MATÉRIEL 4.1

Tableau 8 La classication de la dureté des minéraux, selon l’échelle de Mohs

LA DURETÉ

Dureté

Minéral

1

Talc, friable sous l’ongle

2

Gypse, rayable avec l’ongle

3

Calcite, rayable avec une pièce de cuivre

4

Fluorine, facilement rayable au couteau

5

Apatite, rayable au couteau

Il est possible de graver son nom sur un morceau de bois avec un morceau de verre. Mais il est impossible d’écrire son nom sur du verre avec un bout de bois, même très pointu. La capa cité pour un solide d’en rayer ou d’en user un autre donne une indication quant à sa dureté. On détermine le degré de dureté d’un solide en comparant ses capacités à celles des minéraux qui figurent dans l’échelle de Mohs (voir le tableau 8). Élaborée en 1812 par l’Allemand Friedrich Mohs, cette échelle classe 10 minéraux, du plus mou au plus dur.

6

Orthose, rayable à la lime, par le sable

LA CONDUCTIBILITÉ THERMIQUE

7

Quartz, raye une vitre

8

Topaze, rayable au carbure de tungstène

9

Corindon, rayable au carbure de silicium

10

Diamant, rayable avec un autre diamant

FLA SH

Lorsqu’on fait cuire un aliment, on utilise généralement un ustensile de cuisine (poêle, casserole, marmite) en métal. Comme il est placé entre la source de chaleur et l’aliment, l’ustensile de cuisine constitue un obstacle au passage de la chaleur. Il est donc nécessaire que l’ustensile laisse facilement passer la chaleur, car autrement l’aliment ne cuirait pas (voir la gure 28A, à la page suivante). Cette propriété que possèdent certaines substances de laisser passer la chaleur se nomme conductibilité thermique.

info

Un bon isolant thermique Les humains et les animaux ont trouvé différents moyens de se garder au chaud durant l’hiver. Les humains construisent des maisons isolées et portent des vêtements chauds. Les animaux, de leur côté, se fabriquent des abris, et leur fourrure épaissit. Les moyens utilisés pour se protéger du froid ont un point en commun : ils utilisent l’air. En effet, l’air est un très bon isolant thermique. La laine minérale, le styromousse, les bres textiles (coton, laine, bre synthétique), la fourrure et la plupart des isolants que nous utilisons sont efcaces parce qu’ils contiennent de l’air. Un abri construit de branches et de feuilles mortes tient un animal au chaud parce que l’air emprisonné dans les parois de l’abri empêche la chaleur émanant du corps de l’animal de s’échapper à l’extérieur. De la même manière, un bon manteau d’hiver garde la chaleur du corps étant donné l’air contenu dans le rembourrage.

134

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A FIGURE

À l’inverse, on a parfois besoin de se protéger de la chaleur ou de l’empêcher de se propager et de se perdre. C’est le cas avec un gobelet de styromousse contenant une boisson chaude (voir la gure 28B). Le styromousse est utile, car il possède une faible conductibilité thermique. La chaleur le traverse peu, elle reste prisonnière à l’intérieur du gobelet. La boisson reste ainsi chaude plus longtemps, et cela évite de se brûler les doigts. Les substances ayant une faible conductibilité thermique constituent ce qu’on appelle des isolants thermiques. Le bois, les matières plastiques et la céramique sont de bons isolants thermiques.

B

28

A Une casserole en acier conduit la chaleur de la cuisinière aux aliments. B Un verre en styromousse isole la chaleur et la conserve à l’intérieur.

L’UNIVERS MATÉRIEL 4.1

En général, les métaux ont une grande conductibilité thermique. Ils sont ce qu’on appelle des conducteurs thermiques.

Conducteur de cuivre Isolant de plastique

Comme pour la chaleur, certaines substances se laissent facilement traverser par un courant électrique. On les appelle des conducteurs électriques. C’est le cas des métaux, qui sont tous de bons conducteurs d’électricité (voir la gure 29). La conductibilité électrique est la propriété qu’a une substance de conduire l’électricité. Par ailleurs, d’autres substances s’opposent au passage d’un courant électrique. On les appelle des isolants électriques. Les matières plastiques, le verre et la céramique sont des isolants électriques.

FIGURE

LA CONDUCTIBILITÉ ÉLECTRIQUE

29

Nos appareils électriques sont reliés à la source de courant par un cordon. Les ls de cuivre à l’intérieur du cordon conduisent l’électricité jusqu’à l’appareil. La gaine de plastique du cordon isole l’électricité pour empêcher un incendie ou une électrocution.

LA SOLUBILITÉ

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A

FIGURE

Lorsque nous mettons du sel et du poivre dans un bol de soupe, le sel semble disparaître alors que les grains de poivre restent visibles. En goûtant à la soupe, on se rend compte que le sel et le poivre sont bien présents. Mais pourquoi le sel devient-il invisible ? Contrairement au poivre, le sel est soluble dans l’eau (voir la gure 30). Comme la soupe est surtout constituée d’eau, le sel s’y dissout, c’est-à-dire que les particules (molécules) qui composent le sel se détachent les unes des autres pour se lier

30

B

Le sel est soluble dans l’eau. Les grains de sel disparaissent en se mélangeant à l’eau. B Le poivre est insoluble dans l’eau. Il demeure à l’état solide lorsqu’on le mélange à l’eau. A

Chapitre 4 | Les propriétés caractéristiques de la matière

135

L’UNIVERS MATÉRIEL 4.1

aux molécules d’eau. Le sel devient alors invisible. Mais si nous versons du sel dans de l’huile, les grains de sel resteront solides et entiers, car le sel est insoluble dans l’huile. La solubilité est donc la propriété que possède une substance de se dissoudre dans une autre substance. On utilise les termes suivants pour nommer les constituants d’un mélange. • Le soluté est la substance liquide, solide ou gazeuse qui se dissout dans une autre substance (le solvant) ; • le solvant est la substance, généralement liquide, qui dissout le soluté ; • la solution est le mélange des deux substances (soluté et solvant). Dans l’exemple donné à la page précédente, le sel est le soluté, l’eau est le solvant. L’eau salée est la solution.

DES PROPRIÉTÉS CARACTÉRISTIQUES PARFOIS IDENTIQUES

A

Il arrive que deux substances diérentes aient une propriété caractéristique en commun. Par exemple, le cuivre et le nickel ont tous deux une masse volumique de 8,9 g/cm³. Il est donc parfois nécessaire de procéder à d’autres vérications pour être certain de l’identité d’une substance. Dans ce cas-ci, on distingue aisément les deux métaux l’un de l’autre, car ils sont de couleur diérente (voir la gure 31). Le cuivre et le nickel se diérencient aussi par leur point de fusion : 1085 °C pour le cuivre et 1455 °C pour le nickel.

FIGURE

B

31

Du l de cuivre A et des pièces de monnaie en nickel B . Le cuivre et le nickel se distinguent par leur couleur.

Il existe d’autres propriétés caractéristiques que celles qui ont été décrites jusqu’ici. Toutes les propriétés caractéristiques peuvent être mesurées et servir à identier une substance.

ACTIVITÉS 1

a) Qu’est-ce qu’une propriété caractéristique ? Donnez une dénition dans vos mots.

b) Nommez cinq propriétés caractéristiques de la matière en général.

136

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Expliquez comment il est possible d’identier une substance inconnue à l’aide de ses propriétés caractéristiques.

3

Pour chacune des substances suivantes, nommez cinq propriétés caractéristiques. Pour chacune des propriétés, donnez la valeur correspondante, s’il y a lieu ; sinon, décrivez la propriété à l’aide d’un seul mot.

Substance

L’UNIVERS MATÉRIEL 4.1

2

Propriété caractéristique

Aluminium

Cuivre

Eau 4

a) Nommez deux propriétés caractéristiques que les métaux ont en commun.

b) Nommez une propriété que des gaz tels que l’oxygène, l’azote et le gaz carbonique ont en commun.

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Chapitre 4 | Les propriétés caractéristiques de la matière

137

5

Les volcanologues qui étudient les volcans de près utilisent une combinaison spéciale contenant de l’amiante.

L’UNIVERS MATÉRIEL 4.1

a) Pour quelle raison le volcanologue a-t-il besoin d’une combinaison spéciale ?

b) Selon vous, quelle propriété caractéristique de l’amiante est utilisée dans la combinaison ?

6

Les ustensiles de cuisine sont presque toujours en métal (cuivre, aluminium, acier). Justiez le choix de ce matériau en vous appuyant sur les propriétés caractéristiques des métaux.

7

Les valeurs suivantes correspondent aux propriétés caractéristiques de quelques substances. Associez chaque valeur à la propriété caractéristique appropriée. a) 7,9 g/cm³

1) Point d’ébullition de l’alcool

b) -219 °C

2) Masse volumique de l’eau

c) 1,0 g/cm³

3) Point de fusion de l’oxygène

d) 79 °C

4) Masse volumique du fer

8

Expliquez pourquoi les bornes positive et négative d’une pile électrique sont toujours en métal.

9

La soudure consiste à faire adhérer ensemble des pièces métalliques avec du métal fondu. La soudure se fait généralement avec de l’étain. On utilisait autrefois le plomb, mais celui-ci s’est révélé toxique. a) Expliquez pourquoi on utilise ces deux métaux pour faire de la soudure plutôt que le fer ou le cuivre, par exemple.

138

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10

Marie et Pierre font cuire des pommes de terre. Marie les fait bouillir dans l’eau salée. Pierre les fait frire dans l’huile dans laquelle il ajoute la même quantité de sel que Marie. À la n de la cuisson, seul l’un des deux obtient des pommes de terre avec un goût salé.

L’UNIVERS MATÉRIEL 4.1

b) Il est impossible d’utiliser du mercure pour effectuer des soudures. Expliquez pourquoi.

Lequel des deux obtient des pommes de terre salées ? Expliquez pourquoi.

11

En vous référant aux tableaux et aux informations contenus dans les pages précédentes, indiquez de quelle substance il s’agit. a) Point de fusion : 660 °C b) Masse volumique : 0,9 g/cm³ c) Point d’ébullition : 100 °C d) Point d’ébullition : 357 °C e) Masse volumique : 2,7 g/cm³ f) Point d’ébullition : 2856 °C g) Masse volumique : 8,9 g/cm³ ; point de fusion : 1455 °C.

12

Complétez le tableau suivant en vous référant aux tableaux et aux informations contenus dans les pages précédentes.

Substance

Point de fusion (°C)

Or

Masse volumique (g/cm³) 19,3 1,0

Cuivre

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Conductibilité électrique

Faible

1085

Chapitre 4 | Les propriétés caractéristiques de la matière

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Justine veut comparer la masse volumique de différents liquides. Dans un grand cylindre gradué, elle verse d’abord de l’huile végétale, puis de la mélasse et enn de l’eau. Sachant que la masse volumique de la mélasse est d’environ 1,5 g/cm3, indiquez à quelle position se trouvera chacun des liquides sur le schéma ci-contre.

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An de décorer la maison pour l’anniversaire de sa mère, Jacob a fait goner des ballons avec les gaz présentés dans le tableau suivant.

L’UNIVERS MATÉRIEL 4.1

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Couleur des ballons

Gaz

Masse volumique (g/cm3)

Bleu

Azote

0,001 25

Rouge

Argon

0,001 78

Jaune

Ammoniac

0,000 77

Vert

Gaz carbonique

0,0018

Blanc

Hydrogène

0,000 09

Noir

Propane

0,0020

a) Parmi ces ballons, lesquels voleront jusqu’au plafond ?

b) Lesquels demeureront au sol ?

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Les bulles de gaz qu’on trouve dans les boissons gazeuses ou celles qui apparaissent lorsqu’on soufe dans l’eau remontent toujours vers la surface. Expliquez pourquoi les bulles que l’on distingue dans les liquides se comportent de cette façon.

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L’univers matériel

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Les acides et les bases sont des substances que nous utilisons cou­ ramment en raison de leurs propriétés antimicrobiennes. Le vinaigre (acide acétique) est utilisé pour préserver les aliments en conserve et empêcher les bactéries de s’y former. La plupart des produits net­ toyants, quant à eux, sont des bases qui tuent les microbes. Ces substances sont actives chimiquement, ce qui signie qu’elles réagissent avec d’autres substances et les transforment. On les uti­ lise souvent dans l’industrie en raison de cette capacité à réagir et à transformer la matière. L’acide chlorhydrique, par exemple, intervient dans la fabrication de plusieurs plastiques.

A

B

L’acidité et la basicité peuvent être fortes ou faibles selon les substances en jeu (voir la gure 32). Ainsi, le vinaigre et les jus de fruits sont légèrement acides et parfaitement inoensifs. En re­ vanche, l’acide chlorhydrique et l’acide sulfurique sont des acides forts qui réagissent avec les métaux (voir la gure 33) et qui sont susceptibles de causer de graves brûlures.

DÉFI NITI ON

L’acidité et la basicité sont liées à la capacité de réagir de certaines substances. Ce sont des substances opposées, qui réagissent de manière différente.

FIGURE

Les substances qui ne sont ni acides ni basiques sont dites neutres.

C

32

FIGURE

Les bases sont les opposées des acides et réagissent diérem­ ment. Le savon de toilette est une base faible et inoensive alors que la soude caustique (hydroxyde de sodium) est une base forte qui peut blesser les tissus vivants.

L’UNIVERS MATÉRIEL 4.2

4.2 Une propriété caractéristique : l’acidité et la basicité

33

A Les fruits et les jus de fruits sont généralement acides. B Les savons et les autres produits de nettoyage sont basiques. C L’eau pure est neutre : elle n’est ni acide ni basique.

Les acides ont des points communs que l’on peut considérer comme des propriétés. Il en va de même pour les bases. Le tableau 9 en présente quelques­unes. Tableau 9 Quelques propriétés des acides et des bases Acides

Bases

• Réagissent avec les métaux.

• Visqueuses au toucher.

• Rougissent le papier tournesol bleu.

• Bleuissent le papier tournesol rouge. • Dissolvent les graisses.

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Le magnésium, un métal, réagit fortement avec un acide en libérant un gaz (hydrogène) et de la chaleur.

Chapitre 4 | Les propriétés caractéristiques de la matière

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L’ÉCHELLE DE PH L’UNIVERS MATÉRIEL 4.2

L’acidité et la basicité sont des propriétés caractéristiques de la matière. Leur mesure peut aider à identier une substance. On classe l’acidité et la basicité sur l’échelle de pH, qui varie de 0 à 14 (voir le tableau 10). Tableau 10 Le pH de certaines substances avec leur coloration à l’indicateur universel

Acide gastrique

2,0

Jus de citron

2,4

Cola (boisson gazeuse)

2,5

Vinaigre

2,9

Jus d’orange ou de pomme

3,5

Bière

4,5

Café

5,0

Thé

5,5

Pluie acide