SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE

- Série S -

Asie, juin 2000

Corrigés


Partie 1 (8 points)
Sujet
Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

L'apparition de l'Homme moderne est le résultat de l'acquisition progressive d'un certain nombre de caractères.

Présentez les grandes étapes de l'hominisation et leurs caractéristiques.


Avant de commencer
Rappeler les critères de l'hominisation en introduction et en développer les principales étapes, bipédie, cerveau, outils et culture. Ne pas oublier de les dater.



Corrigé
Introduction
La lignée humaine est considérée comme une branche de l’arbre phylogénétique des primates ayant évolué à partir d’un ancêtre commun à cette lignée et aux singes anthropoïdes. Cette évolution a conduit à l’acquisition de caractéristiques spécifiques appelée hominisation. L’hominisation est un phénomène progressif dont les principales étapes sont l'acquisition de la bipédie, le développement du cerveau, la capacité à fabriquer des outils, le langage et la culture. Nous en examinerons successivement les caractéristiques.
La bipédie se traduit dans le squelette par une colonne vertébrale à 4 courbures, par un bassin comportant un os iliaque court et large, en relation avec l’insertion des muscles assurant la station debout, par une articulation du fémur sur le bassin et des os rendant possible la marche bipède et par la position du trou occipital en rapport avec la position verticale de la tête. Elle était présente chez les Australopithèques, il y a plus de 4 Ma. C'est la première étape de l'hominisation qui a eu pour conséquence de libérer la main.

Une seconde étape a été l'augmentation du volume cérébral au détriment de la face conduisant à une réduction du prognathisme. Elle a sans doute conditionné le développement du psychisme et donc l’acquisition de la culture. Une des caractéristiques essentielles des Hominidés est en effet leur capacité à fabriquer des outils et à transmettre leur savoir-faire au cours des générations permettant ainsi le perfectionnement des techniques. Alors que les Australopithèques avaient un volume cérébral équivalent à celui des grands singes, celui de Homo habilis, daté de - 3 à - 1,5 Ma, atteignait près du double. En outre, H. habilis est associé à un outillage lithique. C'est cependant seulement avec Homo erectus, il y a 1,5 à 0,2 Ma, que sont connues les premières traces de la maîtrise du feu. Parallèlement au perfectionnement progressif des techniques, impliquant une communication et donc l'existence d'un langage, la culture se manifeste ensuite par les croyances magico-religieuses. Elles sont révélées par les rites funéraires des Néandertaliens (- 0,2 à - 0,03 Ma). Avec Homo sapiens (- 50 000 à l'actuel), c'est l'art qui apparaît (grotte Chauvet, grotte de Lascaux).

Conclusion

Le premier caractère marquant la lignée humaine est la bipédie. Par l’ensemble des modifications du squelette qui lui sont liées, elle semble avoir conditionné les autres caractéristiques de l’hominisation. En effet, la main libérée de sa fonction locomotrice par la station debout et la marche bipède a pu être utilisée plus efficacement pour d’autres fonctions. Parallèlement, l'augmentation du volume cérébral rendu possible par la position verticale de la tête a conduit au développement du psychisme et à l’acquisition d’une culture technique dont la fabrication d’outils est l’expression. Ceci suppose des capacités de communication dont le langage articulé témoigne. Ces capacités ont également permis les progrès de la socialisation car, outre la fabrication d’outils puis la maîtrise du feu, on voit apparaître progressivement au cours de l’hominisation des rites funéraires puis des activités artistiques.


Partie 2 (7 points)

Sujet

Aspects du fonctionnement des centres nerveux

On étudie les communications nerveuses intervenant dans le réflexe myotatique.
À partir des documents et de vos connaissances, reconstituez les circuits neuroniques mis en jeu et expliquez les mécanismes qui permettent la naissance d'un potentiel d'action au niveau du motoneurone.

Un schéma de synthèse est attendu

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Avant de commencer
Deux questions. Utiliser le document 1 pour identifier les neurones impliqués dans le réflexe myotatique (neurones afférents en T, motoneurones efférents) et vos connaissances pour compléter le circuit (récepteur, synapses). Utiliser le document 2 pour montrer que la genèse du potentiel d'action dans le motoneurone dépend du recrutement d'un nombre suffisant de fibres afférentes permettant à la membrane postsynaptique d'atteindre le seuil de dépolarisation.



Corrigé
Introduction
Les réflexes sont des réactions motrices involontaires, stéréotypées et innées en réponse à une stimulation donnée. Le réflexe myotatique correspond à la contraction d'un muscle en réponse à son propre étirement. Comme dans tous les réflexes, les communications entre le récepteur et l'effecteur empruntent un circuit neuronique dont nous montrerons dans une première partie qu'il comporte deux neurones séparés par une synapse. Dans une seconde partie, nous expliquerons comment naît le potentiel d'action dans le motoneurone au niveau de cette synapse.
Les neurones impliqués

Les expériences présentées dans le document 1 consistent à stimuler artificiellement le circuit neuronique impliqué dans le réflexe. Les résultats donnés au document 2 montrent que la stimulation électrique des fibres sensitives provenant des fuseaux neuromusculaires est à l'origine de signaux nerveux parcourant les axones des neurones en T que l'on enregistre en O1. Ces signaux donnent ensuite naissance à une dépolarisation dans le motoneurone qui provoque la naissance d'un potentiel d'action lorsqu'elle atteint un seuil d'environ - 50 mV. Dans les conditions physiologiques, les messages nerveux afférents naissent à la suite de l'étirement des fuseaux neuromusculaires, différenciations dendritiques des neurones sensoriels formant les mécanorécepteurs d'étirement situés dans le muscle. Ils parcourent ensuite les neurones en T, dont les corps cellulaires sont situés dans les ganglions spinaux annexés à la racine dorsale des nerfs rachidiens, avant d'atteindre la terminaison des axones. Les axones des neurones en T font synapse avec les motoneurones dans la corne antérieure de la substance grise de la moelle épinière (réflexe monosynaptique). Ils stimulent les motoneurones qui répondent en émettant des messages moteurs provoquant la contraction réflexe des fibres musculaires par l'intermédiaire d'une synapse excitatrice, la synapse neuromusculaire. Comment naît le potentiel d'action au niveau du motoneurone ?

Naissance du potentiel d'action

Le document 2 montre que les messages nerveux des neurones en T produisent une dépolarisation dans le motoneurone. Lorsque la stimulation est faible (S1 et S2), la dépolarisation postsynaptique reste faible. Il s'agit d'un potentiel postsynaptique excitateur (PPSE). En revanche, lorsque la stimulation est suffisante (S3), la dépolarisation postsynaptique atteint une vingtaine de mV et provoque la naissance d'un potentiel d'action. On sait que le potentiel d'action n'apparaît que pour une valeur minimale de la dépolarisation appelée seuil. Comme le PPSE est graduable et sommable, l'apparition du potentiel d'action dépend du nombre de fibres nerveuses afférentes recrutées par la stimulation, chaque fibre nerveuse contribuant à la dépolarisation postsynaptique. Lorsque la stimulation est faible (S1 et S2), un petit nombre de fibres afférentes est recruté, tandis que lorsque la stimulation est plus forte (S3), un plus grand nombre de fibres afférentes est recruté, comme le montre l'amplitude du potentiel global enregistré sur la racine dorsale du nerf rachidien en O1. Ainsi, la dépolarisation postsynaptique du motoneurone résulte de la sommation des dépolarisations provoquées par les neurones présynaptiques. Lorsque les neurones recrutés sont suffisamment nombreux, la sommation de leurs effets atteint le seuil et un potentiel d'action propageable apparaît sous la forme d'une brusque dépolarisation atteignant un pic de + 30 mV, soit une amplitude globale d'une centaine de mV.

Conclusion

Le réflexe myotatique est un réflexe monosynaptique dont le circuit neuronique est formé d'un neurone sensitif (neurone en T) et d'un neurone moteur (motoneurone). La dépolarisation du motoneurone, qui conditionne la naissance des potentiels d'action et donc la réponse réflexe, dépend de l'intensité de la stimulation qui détermine le nombre de neurones sensitifs recrutés. Le schéma ci-dessous résume ces données.


Circuit nerveux du réflexe myotatique


Partie 3 (5 points)

Sujet


Mécanismes de l'immunité

Monsieur X consulte un médecin en raison d'une grande fatigue ressentie depuis deux semaines, accompagnée d'épisodes de fièvre.

À partir de l'analyse des différents documents, reconstituez les étapes du raisonnement qui ont permis d'expliquer l'origine de la maladie dont souffre Monsieur X.

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Avant de commencer

Analyser les documents dans l'ordre de leur présentation, chaque document correspondant à une étape du raisonnement.


Corrigé
Introduction
Les signes présentés par M. X suggèrent une maladie infectieuse. Le médecin va chercher à confirmer cette hypothèse puis à identifier l'agent causal par des analyses de laboratoire de plus en plus spécifiques.
Document 1

L'analyse de la formule leucocytaire de M. X montre que son système immunitaire est stimulé. On observe en effet une augmentation du nombre total de leucocytes due essentiellement à une augmentation considérable du nombre des lymphocytes qui passent à plus de 73 % du total des globules blancs contre 25 à 40 % chez un individu sain. L'examen de la formule leucocytaire montre en outre que M. X n'est pas atteint du SIDA car, si c'était le cas, le nombre de ses lymphocytes serait diminué et le nombre de ses granulocytes augmenté ce qui n'est pas le cas. En revanche, si la proportion des lymphocytes suggère une mononucléose, le médecin ne peut exclure la possibilité d'une toxoplasmose en raison du nombre de granulocytes. Pour trancher entre ces deux hypothèses, le médecin décide d'étudier le statut sérologique du malade.

Document 2

Le document 2a montre l'évolution parallèle du nombre de toxoplasmes et du taux d'anticorps, IgM et IgG au cours d'une infection. On observe que le taux des anticorps augmente lors de l'infection aiguë avec d'abord une production importante d'IgM suivie d'une production encore plus importante d'IgG. Lors du passage à une infection chronique, le taux d'IgM revient à son niveau initial tandis que le taux d'IgG se maintient autour de 150 UI. Le document 2b présente le dosage des anticorps chez M. X et chez un individu non immunisé. Les taux d'anticorps de M. X, faible taux d'IgM et taux d'IgG égal à 150 UI ne sont pas compatibles avec une infection aiguë par le toxoplasme. En revanche, ils sont compatibles avec une infection chronique, mais la fièvre de M. X est le signe d'une infection aiguë et non d'une infection chronique. C'est pourquoi le médecin décide de rechercher la présence d'anticorps spécifiques dirigés contre le virus de la mononucléose infectieuse (MNI) dans le sérum de M. X pour établir son diagnostic.

Document 3

Le document 3 présente les résultats de réactions d'hémagglutination réalisées en mélangeant du sérum avec des hématies sur lesquelles sont fixés des antigènes du virus de la MNI. Lorsque des anticorps spécifiques sont mis en présence de ce système révélateur, ils provoquent l'agglutination des globules rouges ce qui peut se détecter à l'œil nu sur une lame. Or le sérum de M. X provoque l'agglutination des hématies comme un sérum d'animal infecté par la MNI. Ceci montre que son sérum contient des anticorps dirigés contre le virus de la MNI révélant ainsi une infection par ce virus.

Conclusion

L'ensemble des analyses effectuées permet de constater l'existence d'une mononucléose infectieuse chez M. X. L'examen de la formule leucocytaire permet une première orientation diagnostique vers une maladie infectieuse, mais son absence de spécificité ne permet pas de conclure. L'identification de l'agent causal est alors réalisée indirectement en mettant à profit le caractère spécifique des anticorps révélés par un test immunologique.


Partie 3 (enseignement de spécialité, 5 points)

Sujet

Unicité génétique des individus et polymorphisme des espèces

Madame D., ayant eu plusieurs grossesses qui n'ont pas abouti, consulte un médecin alors qu'elle est à nouveau enceinte.

À partir des documents fournis, retrouvez comment le médecin va expliquer à madame D. la cause de ses différents avortements spontanés et expliquez pourquoi il prescrit une amniocentèse afin d'établir le caryotype du nouveau fœtus.

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Avant de commencer
La cause des avortements se déduit de l'analyse des documents 1 à 3 tandis que l'établissement du caryotype est une mesure de précaution, en raison du caryotype maternel, malgré l'absence de signes montrée par le document 4.



Corrigé

Introduction

Certaines anomalies chromosomiques sont à l'origine d'avortements spontanés mais il est possible de les identifier par l'examen du caryotype des parents et du fœtus, ce qui permet de prévoir comment se déroulera la grossesse chez une personne ayant déjà subi ce type de problème. En analysant les documents proposés, nous montrerons que les avortements de madame D s'expliquent par une anomalie chromosomique et que, même s'il n'existe pas de signes biologiques d'anomalie lors de sa dernière grossesse, l'établissement du caryotype du fœtus est une mesure de précaution compte tenu du risque induit par le caryotype de la mère.
Causes des avortements
Dans 80 % des cas, les anomalies chromosomiques d'un fœtus se traduisent par des valeurs inhabituelles de certains marqueurs comme l'épaisseur du pli cutané de la nuque et la concentration en hormone chorionique gonadotrope (HCG) et en alpha-fœtoprotéine (AFP). Dans le cas de madame D, le document montre que les valeurs observées lors de sa grossesse précédente conduisaient à une suspicion d'anomalie chromosomique. L'avortement à la dix-septième semaine semble le confirmer. Ainsi, le médecin pourra expliquer à madame D que l'origine de ses avortements semble liée à une anomalie chromosomique.
Le document 2 montre que toutes les anomalies chromosomiques indiquées empêchent de mener une grossesse à terme à l'exclusion de la trisomie 21 (syndrome de Down) qui peut aboutir à une naissance dans 20 à 25 % des cas. Le médecin pourra donc expliquer à sa patiente que si son fœtus est de nouveau atteint d'une anomalie, ou bien elle subira de nouveau un avortement spontané, ou bien elle aura un enfant atteint de trisomie 21. Pour préciser l'anomalie chromosomique en cause, un caryotype des parents est établi.

Le document 2 nous a montré que les anomalies chromosomiques à l'origine des avortements spontanés peuvent toucher les chromosomes 13, 14 ou 21. Le document 3 montre l'aspect de ces trois paires de chromosomes isolées du caryotype de monsieur et madame D. Chez monsieur D, ces trois paires ont un aspect normal. En revanche, chez madame D, on constate qu'il manque un chromosome 21 et que le chromosome 14 possède un bras court supplémentaire alors qu'il est constitué normalement d'un seul bras court (chromosome acrocentrique). On en déduit que madame D est affectée d'une translocation équilibrée 21-14. C'est pourquoi elle ne présente aucun signe d'anomalie. Toutefois, elle peut former quatre types de gamètes avec une égale probabilité. Ces gamètes comporteront respectivement les chromosomes 14 seul, 14 et 21, 14 soudé à 21, 14 soudé à 21 plus 21. La seconde catégorie est normale, la troisième correspond à la même translocation équilibrée que la mère, la première est dépourvue de 21, la dernière possède un 21 en excès. Ces deux dernières catégories seront à l'origine d'anomalies chromosomiques fœtales (respectivement monosomie et trisomie 21) et donc d'avortements.

Le caryotype du fœtus

Le document 4 montre que la grossesse en cours de madame D ne présente aucun des signes, cutané et biologiques, d'anomalies chromosomiques. Pourtant, le médecin préfère quand même prescrire une amniocentèse de façon à établir le caryotype du fœtus. D'une part, les anomalies chromosomiques ne s'accompagnent pas toujours de ces signes, et, d'autre part, parce qu'il souhaite peut être savoir si même phénotypiquement normal, le fœtus ne porte pas la translocation équilibrée.

Conclusion

Ainsi, madame D porte une translocation équilibrée dont les effets se manifestent dans sa descendance lorsque l'œuf reçoit soit un gamète dépourvu de chromosome 21, soit un gamète qui en contient deux exemplaires. Ces anomalies, qui s'annoncent le plus souvent par des signes biologiques, se traduisent par un avortement spontané. Elles peuvent être détectées chez l'embryon par l'analyse du caryotype.