Les sciences de la Terre en prépa. BCPST

La diversité du vivant est le résultat d'une histoire évolutive et est en devenir permanent. Il s'agit ici de comprendre les mécanismes de l'évolution, à la lumière de la théorie synthétique de l'évolution, qui explique l'origine de la diversité génétique au sein des populations et des espèces, mais aussi de la diversité de celles-ci.

La phylogénie permet de reconstruire l'histoire évolutive des taxons. En BCPST 1, l'objectif est de comprendre les principes d'établissement des phylogénies. En outre, il existe d'autres regroupements d'organismes qui ne sont pas en rapport avec la phylogénie. C'est l'occasion de montrer que les classifications n'ont pas toutes la même signification, et que chacune dépend des objectifs du classificateur. En BCPST 2, il s'agit de se centrer sur l'exploitation d'arbres phylogénétiques afin de discuter des scénarios évolutifs.

Cette partie permet aussi aux étudiants de prendre du recul sur l'évolution biologique, qui constitue un fil rouge des programmes scolaires, et qui vise à dépasser des obstacles épistémologiques. Il s'agit notamment de dépasser une pensée finaliste en mobilisant un raisonnement sélectif darwinien et en laissant sa place au hasard. On évite aussi toute forme de fixisme (il n'y a ni fossile vivant, ni organisme primitif, ni pérennité de l'espèce).

Quelques ressources :

Cette partie traite des cycles biogéochimiques du carbone et de l'azote ainsi que de l'impact des activités humaines sur ces cycles biogéochimiques. La section sur le cycle du carbone est l'occasion de présenter les grandes caractéristiques du cycle biogéochimique d'un élément (réservoir, flux, temps de résidence). La section sur le cycle de l'azote, facteur limitant la croissance des plantes dans la majorité des écosystèmes terrestres, montre l'importance des transformations microbiennes au cours de ce cycle et permet d'aborder la notion de couplage entre cycles biogéochimiques du carbone et l'azote.

Transversale et intégrative, cette partie mobilise des acquis en sciences de la vie (métabolisme et écologie), en sciences de la Terre et est étroitement articulée avec les autres parties de biogéosciences (étude des sols et du climat).

Quelques ressources :

Le sol est un système étudié en interface entre sciences de la vie et sciences de la Terre, de façon à comprendre un objet structurant la biosphère. Sa présentation, en lien avec les services écosystémiques qu'il délivre, met en exergue les raisons scientifiques qui en font un patrimoine à préserver. Dans cette partie, les différentes composantes du sol sont présentées avec une approche fonctionnelle et intégrative, en explicitant le rôle des organismes dans les processus. Les exemples et les mécanismes, exclusivement en régions tempérées, sont pris sur les sols bruns et leur devenir, les sols bruns lessivés. L'étude des sols mobilise les acquis d'écologie et de sciences de la Terre et appuie les parties sur la nutrition végétale, les cycles biogéochimiques et le climat.

Quelques ressources :

La compréhension du fonctionnement du système climatique nécessite l'analyse des échanges d'énergie au sein des enveloppes externes de la Terre. Cette partie permet d'appréhender l'importance des circulations atmosphérique et océanique dans la redistribution de l'énergie à la surface du globe. Elle aborde ensuite le climat et ses variations naturelles aux différentes échelles de temps. Elle traite des changements climatiques actuels, notamment l'augmentation des températures de surface, liés à l'activité humaine, en lien avec les émissions de gaz à effet de serre. Elle s'appuie sur la variété des observations concordantes qui, couplées à la compréhension de la physique et de la chimie du système, permettent d'établir des scénarios probables pour l'évolution future du climat de notre planète. Les effets de ces changements climatiques sur la biodiversité sont également appréhendés.

Quelques ressources :

La carte géologique permet une reconstitution tri-dimensionnelle des terrains, essentielle pour la construction d'une histoire géologique. Elle fournit de façon synthétique de nombreuses informations (ressources, risques, etc.). La carte géologique est à comprendre comme un modèle reflétant notre connaissance de la géologie, de son histoire et donc des processus géodynamiques sous-jacents. Elle constitue un outil fondamental de la géologie, une base pour la prise de décision au niveau des politiques publiques mais aussi un résultat scientifique à part entière résultant d'une démarche scientifique. Cette partie est l'occasion d'aborder différentes utilisations des cartes géologiques ainsi que la méthode de réalisation de coupes géologiques et de schémas structuraux. Il s‘agit également de présenter les principaux types de roches dans leur cadre géologique.

Quelques ressources :

La Terre est une planète tellurique dont l'organisation des enveloppes concentriques dépend des propriétés physico-chimiques des éléments les composant. Cette structure est mise en évidence grâce à des données de géologie historique, de géophysique et de géochimie. Il est important de relier la structure des enveloppes solides avec leur dynamique. La lithosphère joue un rôle central dans l'établissement du bilan énergétique de la Terre (« couche limite de la convection ») et il est donc nécessaire de faire le lien avec la partie ST-C portant sur la dynamique des enveloppes internes. Cette partie met l'accent sur l'analyse de multiples sources de données (géophysiques, géologiques et géochimiques) dans l'établissement d'un modèle radial de la planète Terre de premier ordre. Ce modèle sera mis en défaut par certaines observations qui requièrent l'introduction d'une dynamique dans le modèle Terre.

Quelques ressources :

La dynamique des enveloppes internes permet de présenter le globe terrestre comme une machine thermique libérant de l'énergie vers l'extérieur. Le bilan thermique de la Terre fait apparaitre le rôle de la convection dans le transfert de l'énergie interne vers la surface. Les observations géologiques, géophysiques et géochimiques permettent de mettre en évidence les causes et les conséquences de cette dynamique. L'analyse des mouvements verticaux à différentes échelles de temps et d'espace montre l'importance des variations de densité, de température et de chimie interne. Les mécanismes conduisant à l'expansion océanique et à la dynamique de la lithosphère océanique sont à relier à l'efficacité du transfert énergétique dans le globe.

Quelques ressources :

La lithosphère, enveloppe externe de la partie solide de la Terre, est une enveloppe qui se déforme sous l'effet de forces imposées par la dynamique interne. Cette déformation dépend de la rhéologie des matériaux qui la composent selon les conditions de pression et de température. Ces déformations sont à mettre en évidence à partir d'observations de l'échelle de l'échantillon à celle de la lithosphère (observations géophysiques). Ces observations permettent de construire un modèle physique du comportement mécanique de la lithosphère, qui permet d'expliquer la construction de la topographie et les phénomènes sismiques.

L'étude de la sismogenèse est l'occasion de détailler un mode de déformation de la lithosphère, à partir de mesures de déformations actives aujourd'hui pour, in fine, faire le lien avec l'appréhension d'un aléa et la compréhension d'un risque (développé dans la partie ST-I sur les risques). Les séismes, comme marqueurs actifs de la déformation cassante, constituent une donnée clef ayant nourri les réflexions aboutissant à la théorie de la tectonique des plaques. Les définitions de la lithosphère introduites en ST1-A sont complétées par les aspects rhéologiques. Cette partie est l'occasion d'expliquer l'expression de surface de la dynamique interne de la Terre.

Quelques ressources :

Dans cette partie, l'étude des roches sédimentaires, formées à la surface de la Terre, souligne le rôle fondamental de l'eau dans le phénomène sédimentaire. Depuis la phase primordiale d'altération et d'érosion de roches préexistantes, les produits formés, solubles et/ou solides, sont transportés jusqu'à leur milieu de sédimentation au sein d'un bassin sédimentaire. La diversité des processus d'altération, de transport et de sédimentation explique la diversité des sédiments qui évolueront via la diagénèse en roches sédimentaires, essentiellement sous l'effet de la compaction et de la cimentation. Le phénomène sédimentaire est intimement lié au vivant. Les archives sédimentaires donnent accès à des informations utiles à la reconstitution historique et paléoenvironnementale.

Quelques ressources :

Cette partie permet de comprendre le rôle joué par le magmatisme comme mécanisme d'évacuation de la chaleur interne de la Terre. Les magmas sont produits par fusion partielle du manteau, produisant essentiellement des liquides de composition basaltique, et, par fusion partielle de la croute continentale, produisant essentiellement des liquides de composition granitique. Postérieurement à la formation des magmas, leur composition chimique évolue par soustraction des cristaux formés dans le magma, et par mélange avec d'autres magmas ou assimilation d'éléments solides. Les magmas se déplacent vers la surface en fonction de leurs propriétés physiques (densité,

température, viscosité). Les magmas cristallisant dans la croute forment des roches plutoniques grenues alors que ceux qui parviennent à la surface forment des édifices volcaniques, dont les caractéristiques sont liées à leur viscosité et à leur teneur en gaz dissous. La nature et la quantité de magmas formés dépendent étroitement du contexte géodynamique. Les connaissances relatives au processus magmatique sont remobilisées dans l'étude des risques et des ressources géologiques (partie ST-I).

Quelques ressources :

L'étude des roches métamorphiques complète la compréhension de la dynamique des enveloppes solides. Cette analyse combine une reconnaissance de l'organisation spatio-temporelle des roches (sur carte géologique et par datation), une reconnaissance minéralogique et une connaissance physico-chimique des réactions métamorphiques. Cette partie est essentielle pour mettre en évidence l'importance de l'analyse de données de terrain et de laboratoire pour la compréhension de phénomènes fondamentaux (échanges de matière et d'énergie à la surface du globe). Cette analyse est permise par l'utilisation de nombreux concepts mis en place au cours des autres parties et est réinvestie dans l'étude des grands ensembles géologiques français.

Quelques ressources :

On ne peut comprendre l'histoire de la Terre, des paysages et des ressources qui nous entourent qu'à condition de situer les différents éléments qui composent cette histoire dans le temps. En particulier, une des spécificités des sciences de la Terre est l'appréhension du temps long. La prise en compte de cette dimension temporelle se fait par différentes méthodes complémentaires dont la synthèse intégrative correspond à l'échelle chronostratigraphique. Cette partie remobilise fortement les savoirs et les capacités développés en terminale.

Quelques ressources :

Les risques naturels affectent le fonctionnement de nos sociétés (destructions, décès, ...) alors que l'exploitation des ressources naturelles participe au fonctionnement de nos sociétés. La compréhension des risques et l'utilisation des ressources reposent en premier lieu sur une évaluation et une compréhension des mécanismes physico-chimiques sous-jacents. Tous ces mécanismes sont étudiés dans d'autres parties du programme et permettent d'expliquer l'évaluation d'un aléa puis d'un risque ou l'exploration et la quantification de ressources. Il est important d'insister sur le fait que ces évaluations reposent sur notre compréhension de systèmes complexes observés par le biais de mesures souvent indirectes et associées à des incertitudes. Cette analyse globale nourrit la discussion scientifique au sujet d'un risque ou d'une ressource donnée avant de devenir un élément parmi d'autres de prise de décisions (gestion des risques, exploitation d'une ressource, etc.).

Quelques ressources :

Cette partie dresse une synthèse, à l'échelle régionale, de l'étude de structures géologiques rencontrées au cours des deux années. Elle permet l'intégration de différentes données et la mise en œuvre des méthodes acquises afin de comprendre l'organisation et l'histoire des grands ensembles géologiques de France métropolitaine et des iles océaniques ultramarines. Il s'agit également de situer dans leur contexte régional l'existence de ressources géologiques.

Enfin cette synthèse permet d'appréhender la diversité des chaines de montagne (récentes ou anciennes) et la diversité des bassins sédimentaires (bassins épicontinentaux avec l'exemple du Bassin parisien vu en BCPST 1, bassins flexuraux et rifts périalpins vus en BCPST 2).

Quelques ressources :

Utiliser une carte géologique :

Traduire l'exploitation d'une carte géologique sous la forme d'une coupe géologique (le profil topographique étant fourni) ou d'un schéma structural :

Exploiter des données cartographiques ou des archives sédimentaires pour reconstituer des variations climatiques.

Exploiter des données géochimiques pour identifier une roche ou retracer son histoire (réservoir, chemin P,T=f(t), série magmatique) :

Exploiter un diagramme binaire et ternaire (fusion et cristallisation).

Présenter le principe de modifications de pression et/ou de température d'un échantillon par presse hydraulique ou enclume à diamant et en exploiter les résultats.

Exploiter des données sur l'altération des roches, notamment à l'aide du diagramme de Goldschmidt.

Présenter le principe d'obtention de certaines données géophysiques et en exploiter les résultats :

Exploiter des données utilisant des approches géophysiques :

Réaliser un calcul d'équilibre isostatique sur un modèle simple.

Exploiter des données de granulométrie à l'aide du diagramme de Hjulström.

Exploiter des figures sédimentaires à l'aide d'un diagramme d'Allen fourni.

Déterminer les caractéristiques physico-chimiques d'un sol :

Exploiter des données sur la structure et la dynamique des enveloppes fluides :

Exploiter des données géochimiques permettant de caractériser le climat : δ¹⁸O, δ¹³C.

S'orienter et se localiser sur le terrain et sur une carte.

Analyser un paysage ou un affleurement :

Collecter des données sur le terrain :

Exploiter des données de terrain à différentes échelles pour élaborer un modèle explicatif cohérent ou les relier à un modèle afin de l'infirmer, le conforter ou en dégager les limites.

Caractériser des déformations et y associer, lorsque cela est possible, des contraintes :

Compléter des bases de données ou des systèmes d'information géographique (SIG) à partir des observations de terrain.

Utiliser diverses clefs de détermination (dont des flores) et des outils numériques de détermination pour identifier un échantillon d'origine biologique ou géologique :

Identifier une roche magmatique, métamorphique ou sédimentaire à partir d'un échantillon macroscopique ou d'une lame mince (les noms des minéraux étant fournis pour les préparations microscopiques) :

Identifier à l'œil nu des minéraux :

Identifier quelques fossiles à partir de leurs caractéristiques :

Exploiter des données morpho-anatomiques ou moléculaires pour positionner un organisme dans un arbre phylogénétique ou construire une phylogénie :

Utiliser un tableur informatique : construire un graphique, tracer une droite de régression linéaire, etc.), réaliser des calculs.

Utiliser un logiciel de modélisation : choix des paramètres pour répondre au problème posé.

Utiliser une base de données.

Exploiter les données d'un système d'information géographique (SIG) ou des modèles numériques de terrains (MNT).

Réaliser un dessin d'observation avec les conventions usuelles : fidélité, sélection des structures pertinentes, légendes, titre, échelle, orientations.

Réaliser un schéma avec figurés conventionnels (les figurés restant à la disposition des étudiants).

Réaliser un diagramme et/ou une formule florale.

Représenter des pyramides de productions de biomasse.

Représenter les données sous forme graphique : choix des axes, échelle pertinente, titre, unités.

Présenter de manière pertinente un objet biologique (coupe, prélèvement et montage, annotation, présentation comparative, schéma, dessin, échelle).

Présenter de manière pertinente un objet géologique à toutes les échelles (dessin, schéma, description, identification, présentation comparative, ellipsoïde des déformations, échelle...).

Présenter sous une forme pertinente des observations de terrain : photographie géolocalisée, film, dessin, schéma, texte, carte.