SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE
- Série S -
Étranger, juin 2000

Corrigés



Partie 1 (8 points)

Sujet

Unicité génétique des individus et polymorphisme des espèces

En généralisant à partir d'un exemple que vous développerez, montrez que le cycle de développement de toutes les espèces à reproduction sexuée est marqué par l'alternance d'une phase diploïde et d'une phase haploïde.
Décrivez les événements qui permettent l'alternance de la phase diploïde et de la phase haploïde en illustrant votre exposé de quelques schémas judicieusement choisis.



Avant de commencer
N'importe quel exemple (champignon, drosophile, souris, homme, etc.) est utilisable à condition de décrire la fécondation et la méiose et de montrer qu'il s'agit des mécanismes universels permettant l'alternance des phases diploïde et haploïde.


Corrigé

Introduction
On appelle cycle de développement l'ensemble des phases que traversent les organismes depuis la formation de l'úuf jusqu'à l'état adulte et la formation d'une nouvelle génération par reproduction sexuée. Au cycle de développement correspond un cycle chromosomique permettant le maintien du nombre de chromosomes caractéristique de l'espèce. À partir de l'exemple des mammifères dont fait partie l'espèce humaine, nous montrerons que la méiose et la fécondation conditionnent l'alternance d'une phase haploïde où les cellules comportent n chromosomes et d'une phase diploïde où les cellules comportent 2n chromosomes et ce, quelle que soit l'importance relative de l'haplophase et de la diplophase chez les différentes espèces animales et végétales.

Le cycle de développement des mammifères
Tous les organismes à reproduction sexuée sont issus d'un úuf ou zygote dont le noyau comporte 2n chromosomes, homologues deux à deux. La moitié de ces chromosomes provient du gamète mâle et l'autre moitié du gamète femelle qui possèdent tous deux seulement n chromosomes. On qualifie d'haploïdes les cellules à n chromosomes comme les gamètes et de diploïdes les cellules à 2n chromosomes comme le zygote. Ainsi, si l'on considère le nombre de chromosomes présents dans les cellules, on peut distinguer au cours de la vie d'un organisme deux phases successives, une phase haploïde ou haplophase et une phase diploïde ou diplophase. La transition entre diplophase et haplophase se fait à travers la méiose tandis que la transition entre haplophase et diplophase se fait à travers la caryogamie ou fusion des noyaux, à l'issue de la fécondation. Le schéma ci-dessous résume le cycle de développement d'un mammifère.

Lors des mitoses, un même équipement chromosomique, préalablement dupliqué, est transmis aux cellules filles et il est donc maintenu inchangé au cours des générations cellulaires. Les deux événements fondamentaux qui modifient l'équipement chromosomique sont la méiose et la caryogamie.

Caryogamie
Les deux lots de chromosomes homologues sont réunis dans un même noyau au moment de la caryogamie (n + n = 2n). Chez les mammifères, comme chez les autres animaux, la caryogamie se produit au moment de la fécondation à la suite de la pénétration du noyau du spermatozoïde dans le cytoplasme de l'ovule selon le schéma ci-dessous.

Fécondation et caryogamie

Si aucun mécanisme compensateur n'existait, le nombre de chromosomes doublerait à chaque génération. Mais il existe un mécanisme cellulaire, la méiose, permettant la réduction par deux du nombre de chromosomes et donc la formation de gamètes haploïdes.

Méiose
Au cours de la méiose, une cellule diploïde donne naissance à quatre cellules haploïdes. En effet, la méiose comporte deux divisions cellulaires mais seule la première est précédée d'une synthèse d'ADN. La première division de la méiose est réductionnelle car elle fait passer le nombre de chromosomes de 2n à n dans les deux cellules filles même si chaque chromosome est alors formé de deux sous unités identiques, les chromatides, résultant de la réplication du matériel génétique. La seconde division qui intéresse les deux cellules précédentes est équationnelle. Elle donne naissance à quatre cellules filles recevant chacune un exemplaire de chaque chromosome. Chez les animaux, la méiose se déroule dans les gonades et n'intéresse que les cellules de la lignée germinale. La figure ci-dessous montre l'évolution des cellules et des chromosomes contenus dans les noyaux au cours de la méiose. Dans cet exemple, on a pris 2n = 2.

La méiose : cellules et chromosomes

Généralisation
Comme on l'a vu, chez les mammifères comme chez les autres animaux, la phase haploïde est réduite aux gamètes et la diplophase est prédominante. Il n'en est pas de même chez tous les êtres vivants. Ainsi, chez de nombreux champignons, comme par exemple chez Sordaria, un genre de champignon ascomycète, la diplophase est réduite au zygote et l'haplophase est prédominante. Chez cette espèce, la caryogamie n'intervient qu'après une longue phase dicaryotique au cours de laquelle les deux noyaux provenant de la fusion des cellules de deux mycéliums haploïdes restent séparés dans des cellules à dicaryon. Chez ces champignons, la méiose se produit immédiatement après la caryogamie et donne naissance à des spores haploïdes à l'origine d'un nouveau mycélium. Ainsi, en dehors du zygote, toutes les cellules du Champignon sont haploïdes ou dicaryotiques. Malgré les différences de cycles, toutes les espèces à reproduction sexuée sont caractérisées par l'alternance haplophase - diplophase déterminée par la méiose et la fécondation.

Conclusion
Au cours du cycle de développement des espèces à reproduction sexuée, le maintien de l'équipement chromosomique de l'espèce dépend de la méiose qui assure la transition entre les états diploïde et haploïde et de la fécondation qui assure la transition entre les états haploïde et diploïde. Selon les organismes, l'importance relative des deux phases diffère. Chez les animaux, la diplophase est prédominante tandis que de nombreux champignons ont un cycle à haplophase prédominante. Quelle que soit l'importance respective de l'une ou l'autre phase, c'est à dire que l'organisme apte à se reproduire soit haploïde ou diploïde, la reproduction sexuée nécessite ces deux mécanismes fondamentaux.



Partie 2 (7 points)

Sujet

Fonctionnement d'un système de régulation

Chez les Primates, l'ovulation est déclenchée par une augmentation brutale de la concentration plasmatique d'hormone lutéinisante (LH). On cherche à comprendre comment sont déclenchées les variations de sécrétion de cette hormone hypophysaire au cours du cycle sexuel.

À partir de l'étude des deux documents proposés et en utilisant vos connaissances, expliquez les variations de la concentration de la LH au cours d'un cycle sexuel chez un Macaque femelle.

Accès au sujet complet (documents)



Avant de commencer
Utiliser ses connaissances pour compléter, à partir de l'analyse des documents, les effets successifs exercés par les ústrogènes sur l'axe hypothalamo-hypophysaire et donc sur la production de LH (rétroaction négative puis rétroaction positive).


Corrigé

Introduction
Les variations de sécrétion des gonadostimulines hypophysaires, dont le pic sécrétoire déclenche l'ovulation, sont contrôlées par un mécanisme neuroendocrinien reposant sur des boucles de régulation. En utilisant les informations tirées des documents complétées par d'autres données, nous montrerons que les variations de sécrétion de la LH dépendent notamment des rétrocontrôles exercés par les hormones ovariennes sur l'axe hypothalamo-hypophysaire.

Document 1
Le document 1 montre les variations de la concentration plasmatique en LH chez le Macaque femelle. LH est l'une des deux gonadostimulines hypophysaires, hormones qui stimulent l'ovaire. On constate des pics sécrétoires mensuels atteignant 35 ng.mL-1. Entre ces pics, la concentration se maintient autour de 5 ng.mL-1. On sait que chez les Primates l'ovulation (rupture du follicule mûr et libération de l'ovocyte) est déclenchée par un pic sécrétoire de gonadostimulines qualifié de décharge ovulante et que le profil global de sécrétion de FSH, non présenté, a un aspect similaire à celui de LH malgré des concentrations absolues différentes. La décharge ovulante de gonadostimulines résulte de l'activité accrue de certaines cellules neurosécrétrices hypothalamiques qui sécrètent de la gonadolibérine (Gn-RH). Cette hormone, dont la sécrétion est pulsatile, atteint l'hypophyse par le système porte hypophysaire. Elle y stimule les cellules qui produisent les gonadostimulines. La production de Gn-RH et de gonadostimulines dépend de l'activité de l'axe hypothalamo-hypophysaire qui subit lui-même un rétrocontrôle par les hormones ovariennes.

Document 2
Le document 2 permet de faire la démonstration expérimentale des rétrocontrôles exercés par l'ústradiol sur l'axe hypothalamo-hypophysaire. La perfusion d'ústradiol chez une femelle ovariectomisée maintient de t0 à t1 une concentration plasmatique d'environ 60 pg.mL-1. On observe que la perfusion correspond à une diminution progressive de la concentration plasmatique en LH. En effet, des concentrations modérées d'ústradiol exercent un rétrocontrôle négatif sur l'axe hypothalamo-hypophysaire aboutissant à une diminution de la sécrétion de Gn-RH et de LH. En revanche, l'injection d'une forte dose d'ústradiol au temps t1 produit une augmentation considérable de sa concentration plasmatique qui passe à près de 600 pg.mL-1 et est suivie deux jours plus tard d'un pic sécrétoire de LH dont la concentration atteint 35 ng.mL-1. On sait en effet que, dans un cycle physiologique, la rétroaction négative exercée par l'ústradiol sur l'axe hypothalamo-hypophysaire s'inverse au moment où sa concentration augmente. L'ústradiol exerce alors une rétroaction positive et l'activation de l'axe hypothalamo-hypophysaire se traduit par une amplification brusque de la sécrétion de LH aboutissant au pic sécrétoire qui provoque l'ovulation (décharge ovulante).
Après l'ovulation
Dans un cycle physiologique, l'ovulation est suivie d'une diminution de la concentration en ústradiol. Toutefois, la sécrétion des gonadostimulines reste inhibée car la progestérone, sécrétée par le corps jaune résultant de la transformation du follicule, exerce elle aussi un rétrocontrôle inhibiteur sur l'axe hypothalamo-hypophysaire.

Conclusion
Les variations cycliques de la concentration de LH, chez le Macaque comme chez les autres Primates, sont contrôlées par les interactions entre axe hypothalamo-hypophysaire et ovaires. Par leur action sur l'axe hypothalamo-hypophysaire, notamment sur la sécrétion de Gn-RH par l'hypothalamus, les hormones ovariennes contrôlent la sécrétion de LH par l'hypophyse. Les ústrogènes, en forte concentration, stimulent l'axe hypothalamo-hypophysaire au moment de l'ovulation et l'inhibent pendant le reste du cycle comme le fait aussi la progestérone.



Partie 3 (enseignement obligatoire, 5 points)

Sujet

La lignée humaine

D'après l'étude des homologies moléculaires, l'Homme actuel et le Chimpanzé sont de proches parents dont les lignées se seraient séparées, il y a 8 millions d'années (- 8 Ma). Les restes fossiles, bien que fragmentaires et disparates, permettent de valider cette hypothèse de séparation à partir d'une souche commune.
Les fossiles se succédant au cours du temps suggèrent une acquisition progressive des caractéristiques de l'Homme actuel à partir de cette souche commune : c'est l'hominisation.

À partir de l'étude des documents proposés, dégagez quelques caractéristiques de l'hominisation et situez-les dans le temps quand cela est possible.

Accès au sujet complet (documents)



Avant de commencer
N'utiliser le document 1 que pour affecter une date aux étapes de l'hominisation. Les autres documents peuvent être exploités dans l'ordre pour caractériser l'acquisition de la bipédie et le développement du cerveau.


Corrigé

Introduction
L'hominisation, acquisition des caractéristiques de l'espèce humaine, semble avoir été progressive comme en attestent les fossiles de cette lignée issue d'un ancêtre commun avec les singes anthropomorphes. Les documents proposés permettent de caractériser deux grandes étapes de l'hominisation, l'acquisition de la bipédie et le développement du cerveau que nous examinerons successivement.

Document 1
Le document 1 présente la datation de quelques fossiles de la lignée humaine. Nous l'utiliserons pour dater les étapes de l'hominisation identifiées par l'exploitation des documents 2 à 4.

Document 2
Le document présente des fragments d'humérus (os du bras) et de tibia (os de la jambe) chez trois Primates, le chimpanzé, un australopithèque et l'homme actuel. L'articulation du coude chez le chimpanzé montre une structure caractéristique de la marche de ces animaux qui se déplacent à quatre pattes en appuyant les phalanges des mains sur le sol. Au contraire, chez l'australopithèque et l'homme, cette structure est absente, ce qui indique l'absence d'utilisation des bras pour la marche. De même, chez l'australopithèque et l'homme, la largeur de l'extrémité supérieure du tibia avec sa plus grande épaisseur d'os spongieux est caractéristique de la bipédie car elle indique que tout le poids du corps est porté par les jambes. Ces données suggèrent que l'acquisition de la bipédie, première caractéristique de l'hominisation à être apparue, était réalisée chez l'australopithèque, A. anamensis, il y a 4,2 Ma.

Document 3
Le document 3 présente les têtes osseuses des trois espèces précédentes. On constate que le volume crânien de l'australopithèque restait du même ordre de grandeur que celui du chimpanzé mais les dents présentaient déjà des caractéristiques humaines avec des petites canines alors que le chimpanzé a de grandes canines qui dépassent de la mâchoire. Ainsi, outre la bipédie, l'australopithèque présentait un autre caractère humain, les dents, indiquant une alimentation plus proche de celle de l'homme que de celle du chimpanzé dès - 4,2 Ma.

Document 4
Ce document montre la relation entre volume cérébral et poids du corps chez les Primates. On constate que chez les singes anthropomorphes (chimpanzé, orang-outan, gorille), quel que soit le poids du corps, le volume du cerveau se situe autour de 400 cm3. Ce dernier ne semble donc pas dépendre du volume corporel. Le volume cérébral des australopithèques par rapport au poids du corps est légèrement supérieur à celui des grands singes mais il est difficile d'affirmer que la différence est significative. En revanche, le premier représentant du genre Homo, H. habilis, avait un volume cérébral de près de 700 cm3 pour un poids du corps à peine supérieur à celui du chimpanzé. Comme le montrent les données pour H. erectus et H. sapiens, l'hominisation est aussi caractérisée par un important développement du cerveau. Cette caractéristique est nette chez H. habilis, c'est à dire qu'elle était déjà engagée entre - 2 Ma et - 1,2 Ma mais elle a continué à s'accentuer progressivement jusqu'à H. sapiens, apparu il y a 200 000 ans, dont le volume cérébral atteint 1 350 cm3. Cette caractéristique est également essentielle car elle est liée au développement d'une autre caractéristique humaine fondamentale, la culture.

Conclusion
Les données proposées suggèrent que les caractéristiques de l'hominisation, comme la bipédie, la denture et le développement du cerveau ne sont pas apparues simultanément dans la lignée humaine. La bipédie et les premiers signes de denture humaine étaient déjà présents chez les australopithèques comme A. anamensis il y a au moins 4,2 Ma tandis que le volume du cerveau, peu différent chez les australopithèques et chez les grands singes, était en revanche déjà significativement augmenté chez H. habilis, il y a 2 Ma et a continué à augmenter jusqu'à notre espèce, H. sapiens.



Partie 3 (enseignement de spécialité, 5 points)

Sujet

L'environnement de l'Homme

.../
Utilisez les données concernant les sites et les tableaux relatifs aux préférences écologiques des animaux et végétaux actuels pour reconstituer les environnements dans lesquels ont vécu chacun de ces trois groupes d'hommes, H1, H2 et H3.

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Avant de commencer
Mettre en correspondance pour les trois groupes humains les espèces citées dans les textes et les diagrammes avec leurs préférences écologiques données dans le document 3 de façon à reconstituer les environnements passés.


Corrigé

Introduction
L'identification des restes des espèces animales et végétales associés à des populations humaines anciennes permet de reconstituer les environnements dans lesquels ces homme vivaient car l'on considère que les espèces anciennes avaient les mêmes préférences écologiques que les espèces actuelles. C'est le principe de l'actualisme. C'est ce principe que nous allons mettre en úuvre pour reconstituer l'environnement dans lequel vivaient les groupes humains H1, H2 et H3.

Groupe H1
Le groupe H1, le plus ancien, vivait il y a 700 000 ans dans des huttes. Le diagramme pollinique montre majoritairement du châtaignier associé à du pin, à du bouleau, à du chêne et à du saule parmi les arbres et, parmi les plantes herbacées, une majorité de graminées associées à des composées. Ce profil pollinique est caractéristique d'un climat tempéré. Les pollens sont également caractéristiques d'un milieu de steppes sèches puisque la présence simultanée des graminées et des composées est caractéristique d'un climat chaud et sec. Le groupe H1 devait donc vivre dans un environnement tempéré chaud marqué par un paysage de forêts et de steppes sèches. Leurs abris, de simples huttes, étaient compatibles avec un tel climat.

Groupe H2
Le groupe H2, qui connaissait le feu comme l'indique le texte, occupait une caverne. Dans son environnement vivaient des grands mammifères (bisons, chamois, chevaux, hémiones, aurochs) et des hyènes des cavernes. La présence simultanée du bison, du chamois, du cheval et de l'hémione caractérise un climat tempéré froid. L'auroch et l'hyène des cavernes sont également caractéristiques d'un climat froid. La grotte devait ainsi servir d'abri, le feu permettant de lutter contre le froid. En outre, les grands mammifères dont on a retrouvé les restes fossiles sont caractéristiques d'un milieu ouvert, steppes et prairies.

Groupe H3
Le diagramme de répartition des proies des rapaces, connu par leurs pelotes de réjection, permet de connaître les petits animaux qui existaient dans l'environnement du groupe H3. Il montre majoritairement du lemming à collier et du campagnol des steppes associés à du campagnol des champs, du rat taupier, du mulot sylvestre et de la marmotte, beaucoup moins abondants. Pour certaines de ces espèces, leur rareté dans les pelotes ne signifie pas nécessairement qu'elles étaient peu abondantes mais peu refléter leur mode de vie (rat taupier, marmotte). Le groupe H3 vivait dans un climat froid comme le montrent l'abondance des lemmings et des marmottes. En outre, le lemming et les autres espèces sont caractéristiques de milieux ouverts (prairies et steppes) tandis que la présence des marmottes est liée à la configuration locale avec ses rochers.

Conclusion
Ainsi, entre - 700 000 ans et - 200 000 ans, l'environnement de l'homme s'est considérablement modifié. D'abord formé de forêts et de prairies dans un climat tempéré chaud, il y a 700 000 ans, il est passé ensuite, il y a 200 000 ans, à un paysage ouvert de steppes et de prairies dans un climat nettement plus froid. Le paysage ne s'est guère modifié ensuite lorsque le groupe H3 était présent mais le climat était alors encore plus froid.