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17.2 : Diagrammes de phases - Biologie

17.2 : Diagrammes de phases - Biologie


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Les principes peuvent être visualisés dans des diagrammes de phases, avec des flèches montrant comment les populations changent. Cependant, pour les espèces vivant ensemble, la capacité de charge de chacune est légèrement réduite, peut-être de 10 à 20 pour cent.

Dans ce cas, soit dit en passant, les deux espèces ont ensemble une population totale plus élevée que ce ne serait le cas si l'une ou l'autre vivait seule. C'est ce qu'on appelle le « rendement excessif », et c'est un thème récurrent dans les études sur les communautés végétales.

La figure 17.1.3 montre une situation similaire, mais maintenant avec les termes d'interaction inter-espèces (s_{1,2}) et (s_{2,1}) tous deux positifs, illustrés par les pentes positives dans les deux diagrammes en haut à gauche de la figure. Cela ressemble assez à la figure 17.1.2, mais les deux ensemble sont chacun plus abondants qu'ils ne le seraient séparément — l'équilibre conjoint est plus grand que les capacités de charge individuelles.

Cet équilibre conjoint peut être calculé à partir des paramètres (r_i) et (s_{i,j}). Cela se produira lorsque la croissance de chaque espèce atteint simultanément 0. Vous pouvez trouver la valeur numérique de cet équilibre avec un crayon et du papier en définissant le taux de croissance de la première espèce sur 0, en résolvant les populations de l'espèce 1, en le remplaçant dans l'équation pour Espèce 2, et résoudre le moment où la croissance de cette espèce atteint 0. Alternativement, vous pouvez poser le problème à un programme de mathématiques symboliques et lui demander de résoudre les deux équations simultanément. Dans tous les cas, vous commenceriez avec les deux taux de croissance fixés à zéro à l'équilibre,

[frac{1}{N_1}frac{dN_1}{dt},=,r_1,+,s_{1,1}N_1,+,s_{1,2}N_2, =,1.2,-,1N_1,+0.1N_2,=,0]

[frac{1}{N_2}frac{dN_2}{dt},=,r_2,+,s_{2,2}N_2,+,s_{2,1}N_1, =,0.8,-,1N_2,+0.1N_1,=,0]

et se retrouver avec (N_1) = 1,2929 et (N_2) = 0,929.

Au fur et à mesure que les mutualismes deviennent plus forts, ce qui signifie que les interactions interspécifiques deviennent plus positives, le point d'équilibre s'éloigne. Il peut être très grand, comme dans la figure 17.1.4, mais, dans le mutualisme restreint, l'équilibre est fini et calculable à partir des paramètres des espèces individuelles.

D'autre part, lorsque les termes d'amélioration inter-espèces sont encore plus forts, une bifurcation se produit et l'équilibre conjoint cesse d'exister. (Figure 17.1.5). Le point d'équilibre calculé s'est en effet déplacé vers l'infini, ou dans un sens au-delà, ce qui signifie que la capacité de charge ne peut pas être calculée à partir des paramètres des espèces et de leurs interactions. Des informations supplémentaires sont nécessaires sur le système.

Au-delà, les mutualistes peuvent devenir plus dépendants les uns des autres, de sorte que les termes (r_i) deviennent plus petits, comme dans la figure 17.1.6, ou négatifs, comme dans la figure 17.1.7. Le mutualisme peut être effréné même si les taux de croissance intrinsèques (r_i) sont négatifs. Ce qui se produit est une sorte de point Allee, où les populations s'enfuient si elles commencent au-dessus de ce point, mais déclinent jusqu'à l'extinction si elles commencent en dessous.


Applications de la lumière basées sur les ondes

En 1917, Albert Einstein pensait aux photons et aux atomes excités. Il a considéré un atome excité par une certaine quantité d'énergie et ce qui se passerait si cet atome était touché par un photon avec la même quantité d'énergie. Il a suggéré que l'atome émettrait un photon avec cette quantité d'énergie et qu'il serait accompagné du photon original. La partie excitante est que vous auriez deux photons de même énergie et ils seraient en phase. Ces photons pourraient continuer à frapper d'autres atomes excités, et vous auriez bientôt un flux de photons en phase. Un tel flux lumineux est dit cohérent. Quelque quatre décennies plus tard, l'idée d'Einstein a trouvé une application dans un processus appelé, Amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement. Prenez les premières lettres de tous les mots (sauf par et "de") et écrivez-les dans l'ordre. Vous obtenez le mot laser (voir Figure 17.2 (a)), qui est le nom du dispositif qui produit un tel faisceau lumineux.

Les faisceaux laser sont directionnels, très intenses et étroits (seulement environ 0,5 mm de diamètre). Ces propriétés conduisent à un certain nombre d'applications dans l'industrie et la médecine. Voici quelques exemples :

  • Ce chapitre a commencé par une image d'un disque compact (voir Figure 17.1). Ces appareils audio et de stockage de données ont commencé à remplacer les cassettes dans les années 1990. Les CD sont lus en interprétant les variations des réflexions d'un faisceau laser à partir de la surface.
  • Certains lecteurs de codes-barres utilisent un faisceau laser.
  • Les lasers sont utilisés dans l'industrie pour couper l'acier et d'autres métaux.
  • Les lasers rebondissent sur les réflecteurs que les astronautes ont laissés sur la Lune. Le temps que met la lumière pour faire l'aller-retour peut être utilisé pour faire des calculs précis de la distance Terre-Lune.
  • Les faisceaux laser sont utilisés pour produire des hologrammes. Le nom hologramme signifie image entière (du grec holo-, un péché holistique), car l'image est tridimensionnelle. Un spectateur peut se déplacer dans l'image et la voir sous différentes perspectives. Les hologrammes tirent parti des propriétés ondulatoires de la lumière, contrairement à la photographie traditionnelle basée sur l'optique géométrique. Une image holographique est produite par interférence constructive et destructive d'un faisceau laser divisé.
  • L'un des avantages de l'utilisation d'un laser comme outil chirurgical est qu'il s'accompagne de très peu de saignements.
  • La chirurgie oculaire au laser a amélioré la vision de nombreuses personnes, sans avoir besoin de verres correcteurs. Un faisceau laser est utilisé pour modifier la forme du cristallin de l'œil, modifiant ainsi sa distance focale.

Physique virtuelle

Lasers

Cette animation permet d'examiner le fonctionnement d'un laser. Regardez d'abord l'image d'un vrai laser. Modifiez l'énergie des photons entrants et voyez si vous pouvez l'adapter à un niveau d'excitation qui produira des paires de photons cohérents. Modifiez le niveau d'excitation et essayez de l'adapter à l'énergie des photons entrants.

Dans l'animation, il n'y a qu'un seul atome excité. Est-ce le cas pour un vrai laser ? Expliquer.

  1. Non, un laser aurait deux atomes excités.
  2. Non, un laser aurait plusieurs millions d'atomes excités.
  3. Oui, un laser n'aurait qu'un seul atome excité.
  4. Non, un laser aurait de l'ordre de 10 23 atomes excités.

Une chose intéressante se produit si vous faites passer la lumière à travers un grand nombre de fentes parallèles régulièrement espacées. Un tel arrangement de fentes est appelé réseau de diffraction. Une figure d'interférence est créée qui est très similaire à celle formée par la diffraction à double fente (voir Figure 17.8 et Figure 17.10). Un réseau de diffraction peut être fabriqué en grattant le verre avec un outil tranchant pour former un certain nombre de lignes parallèles positionnées avec précision, qui agissent comme des fentes. Les réseaux de diffraction fonctionnent à la fois pour la transmission de la lumière, comme dans la figure 17.15, et pour la réflexion de la lumière, comme sur les ailes de papillon ou l'opale australienne montrée dans la figure 17.16, ou le CD illustré dans l'illustration d'ouverture de ce chapitre. En plus de leur utilisation comme articles de nouveauté, les réseaux de diffraction sont couramment utilisés pour la dispersion spectroscopique et l'analyse de la lumière. Ce qui les rend particulièrement utiles, c'est le fait qu'elles forment un motif plus net que les doubles fentes. C'est-à-dire que leurs régions claires sont plus étroites et plus lumineuses, tandis que leurs régions sombres sont plus sombres. La figure 17.17 montre des graphiques idéalisés démontrant le motif le plus net. Des réseaux de diffraction naturels apparaissent dans les plumes de certains oiseaux. De minuscules structures en forme de doigts dans des motifs réguliers agissent comme des grilles de réflexion, produisant des interférences constructives qui donnent aux plumes des couleurs non seulement dues à leur pigmentation. L'effet est appelé irisation.

Laboratoire instantané

Réseau de diffraction

  1. Tenez le CD à la lumière directe du soleil près du mur et déplacez-le jusqu'à ce qu'un motif arc-en-ciel circulaire apparaisse sur le mur.
  2. Mesurez la distance entre le CD et le mur et la distance entre le centre du motif circulaire et une couleur de l'arc-en-ciel. Utilisez ces deux distances pour calculer tan θ tan θ . Trouvez le péché θ le péché θ .
  3. Recherchez la longueur d'onde de la couleur que vous avez choisie. C'est λ .
  4. Résoudre d sin = m λ d sin θ = m λ pour .
  5. Comparez votre réponse à l'espacement habituel entre les pistes du CD, qui est de 1 600 nm (1,6 m).

Comment savoir quel numéro utiliser pour m?

  1. Comptez les anneaux arc-en-ciel précédant la couleur choisie.
  2. Calculer m à partir de la fréquence de la lumière de la couleur choisie.
  3. Calculer m à partir de la longueur d'onde de la lumière de la couleur choisie.
  4. La valeur de m est fixe pour chaque couleur.

Amusant en physique

Lecteur CD

Pouvez-vous voir les rainures sur un CD ou un DVD (voir Figure 17.18) ? Vous pensez peut-être que vous le pouvez parce que vous savez qu'ils sont là, mais ils sont extrêmement étroits – 1 600 par millimètre. Parce que la largeur des rainures est similaire aux longueurs d'onde de la lumière visible, elles forment un réseau de diffraction. C'est pourquoi vous voyez des arcs-en-ciel sur un CD. Les couleurs sont attrayantes, mais elles sont accessoires aux fonctions de stockage et de récupération de données audio et autres.

Les rainures sont en fait une rainure continue qui spirale vers l'extérieur à partir du centre. Les données sont enregistrées dans les rainures sous forme de code binaire (zéros et uns) dans de petites fosses. Les informations dans les creux sont détectées par un laser qui suit le sillon. Cela devient encore plus compliqué : la vitesse de rotation doit être modifiée au fur et à mesure que le laser se dirige vers la circonférence afin que la vitesse linéaire le long de la rainure reste constante. Il existe également un mécanisme de correction d'erreur pour empêcher le faisceau laser de dérailler. Un réseau de diffraction est utilisé pour créer les deux premiers maxima de chaque côté de la piste. Si ces maxima ne sont pas à la même distance de la piste, une erreur est indiquée puis corrigée.

Les fosses sont réfléchissantes car elles ont été recouvertes d'une fine couche d'aluminium. Cela permet au faisceau laser d'être réfléchi et dirigé vers un détecteur à photodiode. Le signal peut ensuite être traité et converti en l'audio que nous entendons.

La longueur d'onde la plus longue de la lumière visible est d'environ 780 nm. Comment cela se compare-t-il à la distance entre les rainures de CD ?

  1. Les rainures sont environ 3 fois la longueur d'onde la plus longue de la lumière visible.
  2. Les rainures sont environ 2 fois la longueur d'onde la plus longue de la lumière visible.
  3. Les rainures sont environ 2 fois la longueur d'onde la plus courte de la lumière visible.
  4. Les rainures sont environ 3 fois la longueur d'onde la plus courte de la lumière visible.

Liens vers la physique

Biologie : Microscopie DIC

Si vous étiez complètement transparent, il serait difficile de vous reconnaître d'après votre photo. Le même problème se pose lors de l'utilisation d'un microscope traditionnel pour visualiser ou photographier de petits objets transparents tels que des cellules et des microbes. Les microscopes utilisant le contraste interférentiel différentiel (DIC) résolvent le problème en permettant de visualiser des objets microscopiques avec un contraste amélioré, comme le montre la figure 17.19.

Un microscope DIC sépare une source de lumière polarisée en deux faisceaux polarisés perpendiculairement l'un à l'autre et cohérents entre eux, c'est-à-dire en phase. Après avoir traversé l'échantillon, les faisceaux sont recombinés et réalignés afin qu'ils aient le même plan de polarisation. Ils créent alors un motif d'interférence causé par les différences de leur chemin optique et les indices de réfraction des parties de l'échantillon qu'ils traversent. Le résultat est une image avec un contraste et des ombres qui ne pourraient pas être observés avec des optiques traditionnelles.

Où sont utilisés les réseaux de diffraction ? Les réseaux de diffraction sont des composants clés des monochromateurs, des dispositifs qui séparent les différentes longueurs d'onde de la lumière entrante et permettent à un faisceau d'une longueur d'onde spécifique de passer. Les monochromateurs sont utilisés, par exemple, dans l'imagerie optique de longueurs d'onde particulières à partir d'échantillons biologiques ou médicaux. Un réseau de diffraction peut être choisi pour analyser spécifiquement une longueur d'onde de lumière émise par des molécules dans des cellules malades dans un échantillon de biopsie, ou pour aider à exciter des molécules stratégiques dans l'échantillon avec une fréquence de lumière sélectionnée. Une autre utilisation importante est dans les technologies de fibre optique où les fibres sont conçues pour fournir des performances optimales à des longueurs d'onde spécifiques. Une gamme de réseaux de diffraction est disponible pour sélectionner des longueurs d'onde spécifiques pour une telle utilisation.

Les réseaux de diffraction sont utilisés dans les spectroscopes pour séparer une source lumineuse en ses longueurs d'onde composantes. Lorsqu'un matériau est chauffé à incandescence, il dégage des longueurs d'onde lumineuses caractéristiques de la composition chimique du matériau. Une substance pure produira un spectre unique, permettant ainsi l'identification de la substance. Les spectroscopes sont également utilisés pour mesurer des longueurs d'onde à la fois plus courtes et plus longues que la lumière visible. De tels instruments sont devenus particulièrement utiles aux astronomes et aux chimistes. La figure 17.20 montre un schéma d'un spectroscope.

La lumière se diffracte lorsqu'elle se déplace dans l'espace, contournant les obstacles et interférant de manière constructive et destructive. Si la diffraction permet d'utiliser la lumière comme un outil spectroscopique, elle limite également les détails que nous pouvons obtenir dans les images.

La figure 17.21 (a) montre l'effet du passage de la lumière à travers une petite ouverture circulaire. Au lieu d'un point lumineux avec des bords nets, on obtient un point avec un bord flou entouré de cercles de lumière. Ce motif est causé par une diffraction similaire à celle produite par une seule fente. La lumière provenant de différentes parties de l'ouverture circulaire interfère de manière constructive et destructive. L'effet est plus visible lorsque l'ouverture est petite, mais l'effet est également là pour les grandes ouvertures.

Comment la diffraction affecte-t-elle les détails qui peuvent être observés lorsque la lumière traverse une ouverture ? La figure 17.21 (b) montre le diagramme de diffraction produit par deux sources lumineuses ponctuelles proches l'une de l'autre. Le schéma est similaire à celui d'une source ponctuelle unique, et il est à peine possible de dire qu'il y a deux sources lumineuses plutôt qu'une. S'ils sont plus rapprochés, comme dans la figure 17.21 (c), vous ne pouvez pas les distinguer, limitant ainsi le détail, ou la résolution , que vous pouvez obtenir. Cette limite est une conséquence inévitable de la nature ondulatoire de la lumière.

Il existe de nombreuses situations dans lesquelles la diffraction limite la résolution. L'acuité de la vision est limitée car la lumière traverse la pupille, l'ouverture circulaire de l'œil. Sachez que la propagation de la lumière semblable à la diffraction est due au diamètre limité d'un faisceau lumineux, et non à l'interaction avec une ouverture. Ainsi la lumière passant à travers une lentille d'un diamètre de montre l'effet de diffraction et se propage, brouillant l'image, tout comme la lumière passant à travers une ouverture de diamètre Est-ce que. La diffraction limite la résolution de tout système ayant une lentille ou un miroir. Les télescopes sont également limités par la diffraction, en raison du diamètre fini, , de leur miroir primaire.


Les hormones stéroïdes sont dérivées du cholestérol lipidique. Par exemple, les hormones de reproduction, la testostérone et les œstrogènes, qui sont produits par les gonades (testicules et ovaires), sont des hormones stéroïdes. Les glandes surrénales produisent l'hormone stéroïde aldostérone, impliquée dans l'osmorégulation, et le cortisol, qui joue un rôle dans le métabolisme.

Comme le cholestérol, les hormones stéroïdes sont hydrophobes (non solubles dans l'eau). Parce que le sang est principalement de l'eau, les hormones dérivées des lipides doivent voyager jusqu'à leur cellule cible liée à une protéine de transport. La liaison aux protéines de transport prolonge la demi-vie des hormones stéroïdes au-delà de celle des hormones dérivées des acides aminés. La demi-vie d'une hormone est le temps nécessaire pour que la moitié de la concentration de l'hormone soit dégradée. Par exemple, le cortisol, une hormone dérivée des lipides, a une demi-vie d'environ 60 à 90 minutes. En revanche, l'épinéphrine, une hormone dérivée des acides aminés, a une demi-vie d'environ une minute.


Figure 4.13.13 Cytokinèse mitotique.

Cytokinèse est la dernière étape de la division cellulaire. Au cours de la cytokinèse, le cytoplasme se divise en deux et la cellule se divise, comme indiqué ci-dessous. Dans les cellules animales, la membrane plasmique de la cellule mère se pince vers l'intérieur le long de l'équateur de la cellule jusqu'à ce que deux cellules filles se forment. Ainsi, l'objectif de la mitose et de la cytokinèse est maintenant atteint, car une cellule mère a donné naissance à deux cellules filles. Les cellules filles ont les mêmes chromosomes que la cellule mère.

Figure 4.13.14 Schéma montrant la dernière étape de la division cellulaire : la cytokinèse.


Voir la vidéo: Diagrammes de phases (Décembre 2022).