SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE
- Série S -
Sujet national, Septembre 1999

Corrigés


Partie 1

Sujet

Mécanismes de l'immunité

Montrez comment la phagocytose intervient dans la réponse immunitaire.

L'exposé sera structuré et illustré.


Avant de commencer
Définir ce que l'on entend par phagocytose et se limiter à son implication dans les réponses immunitaires spécifiques, d'abord dans l'induction d'une réponse spécifique, puis dans la destruction des complexes immuns (les réponses non spécifiques comme l'inflammation sont hors programme).

Corrigé

Introduction
La phagocytose est un mécanisme cellulaire par lequel certaines cellules, les phagocytes, ingèrent puis dégradent par digestion intracellulaire des éléments solides capturés dans le milieu extracellulaire comme des bactéries ou d'autres cellules. Elle constitue une ligne de défense non spécifique qui se déroule en n'importe quel endroit de l'organisme, mais elle est également impliquée dans les réponses spécifiques lorsqu'elle est réalisée par certains phagocytes situés dans les organes lymphoïdes périphériques. Dans ce dernier cas, la phagocytose réalisée par des cellules spécialisées, les macrophages, est impliquée d'abord dans la phase d'induction puis dans la phase effectrice. Après une présentation des macrophages et de la phagocytose, nous examinerons successivement l'intervention de la phagocytose dans ces deux phases.

Les macrophages et la phagocytose
Les macrophages sont des phagocytes. Ils ont pour origine des monocytes sanguins nés dans la moelle osseuse qui gagnent les tissus lymphoïdes périphériques où se déroulent les réponses immunitaires spécifiques. Lors de la phagocytose, les macrophages accolent leur membrane aux particules étrangères puis les font pénétrer dans leur cytoplasme à l'intérieur de vésicules membranaires (endocytose) où elles sont dégradées par digestion intracellulaire. Les déchets solides sont ensuite éliminés par exocytose. La figure ci-dessous présente de façon générale le mécanisme de la phagocytose.


La phagocytose

Phase d'induction
La phase d'induction des réponses immunitaires commence lorsque des macrophages ayant phagocyté des éléments portant des antigènes du non soi (bactéries, cellules étrangères) ou du soi modifié (cellules cancéreuses) rencontrent des cellules immunocompétentes dans les organes lymphoïdes secondaires comme les ganglions lymphatiques. Les macrophages traitent les produits de dégradation des antigènes de façon à en associer les épitopes à des molécules spécifiques de leur membrane, les molécules du système HLA (Human leucocyte antigen). Ils remplissent alors une fonction de cellule présentatrice d'antigène (CPA) permettant de sélectionner le clone spécifique de lymphocytes T auxiliaires (LT4) nécessaire au déroulement des phases suivantes de la réponse immunitaire en raison des signaux chimiques qu'il émet (cytokines). Les mécanismes de présentation de l'antigène résultant de la phagocytose sont résumés sur le schéma ci-dessous. Le schéma montre comment l'épitope est présenté en association avec les molécules du système HLA permettant une double reconnaissance par les LT4.


Présentation de l'antigène

Des mécanismes similaires interviennent pour sélectionner, le cas échéant, un clone de LT8 à l'origine des cellules tueuses nécessaires à la destruction des cibles comportant du soi modifié.

Phase effectrice
La phagocytose intervient également à la suite de la phase effectrice. Lorsqu'il s'agit d'une réponse à médiation humorale, elle aboutit à la production d'anticorps circulants par les plasmocytes. Ces molécules se fixent aux antigènes par leur double site de reconnaissance et constituent ainsi des complexes immuns qui peuvent être détruits par phagocytose. En outre, la phagocytose permet également l'élimination des débris cellulaires résultant soit de l'action du complément sur les cibles ayant fixé des anticorps (réponse à médiation humorale) soit de l'action des LT cytotoxiques sur les cellules cibles (réponse à médiation cellulaire).

Conclusion
La phagocytose par les macrophages d'éléments portant des antigènes est à l'origine du déclenchement des réponses immunitaires spécifiques en assurant la fonction de cellule présentatrice d'antigène qui permet notamment de sélectionner les LT4 et les LT8 correspondant à un antigène donné. Elle intervient également à l'issue des réponses immunitaires spécifiques en réalisant l'élimination des débris résultant de la destruction des cibles par les réponses humorales et cellulaires. Ainsi, un mécanisme non spécifique, qui est répandu chez de nombreuses cellules, est utilisé dans les organes lymphoïdes secondaires au cours des réactions immunitaires spécifiques.



Partie 2

Sujet

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

À partir des renseignements tirés de l'analyse des documents 1 et 2, précisez ce qu'est une crise biologique, puis à l'aide de vos connaissances, donnez les caractéristiques de la crise Crétacé - Paléocène.

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Avant de commencer
Une réponse en deux parties dont la première est fondée sur l'analyse des documents, la seconde sur les connaissances.

Corrigé

Introduction
On appelle crise biologique, une période courte à l'échelle géologique au cours de laquelle un grand nombre despèces séteignent simultanément dans divers milieux. L'analyse des documents va nous permettre d'en préciser les caractéristiques générales avant d'examiner plus particulièrement celles de la crise Crétacé - Paléocène (crise KT).

Document 1
Le document 1, qui montre l'évolution du nombre de familles d'animaux marins au cours des temps géologiques, met en évidence une tendance générale à l'accroissement entrecoupée de périodes de chute brusque de leur nombre, suivies d'une augmentation rapide. Ainsi, à partir d'une cinquantaine de millions de représentants au pré-Cambrien il y a 600 millions d'années (Ma), on arrive aujourd'hui à près de 900 millions de familles. Chaque famille comportant de multiples genres et espèces, la tendance générale est une augmentation continue et correspond donc à une diversification des espèces. Celle-ci s'accélère à la suite des épisodes du Dévonien (- 360 Ma), du Permien (- 270 Ma) et du Crétacé (- 65 Ma) où le nombre de familles a considérablement chuté dans le milieu marin traduisant une extinction massive des espèces marines.

Document 2
Le document 2 montre l'évolution du taux d'extinction des animaux marins du Permien à l'actuel. On constate que le taux d'extinction présente une sorte de "bruit de fond" entre 0 et 4 % entrecoupé de périodes où il atteint des pics durant une dizaine à quelque 25 Ma. Si deux de ces pics correspondent à deux périodes d'extinction massive identifiées dans le document 1, celle du Permien et celle du Crétacé, le pic à 10 % à la fin du Trias a eu moins de conséquences sur le nombre de familles que le pic du Crétacé qui atteint pourtant seulement 7 %. On en déduit que les périodes d'extinction massive identifiées dans le document 1 résultent de la conjonction d'un taux d'extinction élevé avec des causes extérieures vraisemblablement liées à l'environnement. Le milieu marin présentant des conditions relativement stables, la disparition de familles entières d'animaux révèle des changements majeurs et dramatiques de l'environnement.

Conclusion
On appelle "crise biologique" des épisodes de l'histoire de la vie au cours desquels des changements écologiques majeurs touchant les milieux les plus divers et ce à l'échelle mondiale, ont conduit à la disparition d'un grand nombre d'espèces. À la suite de ces crises, on constate une diversification rapide des espèces attribuée à la colonisation des niches écologiques libérées.

La crise KT
À la fin du Crétacé il y a 65 millions d'années, des groupes entiers comportant un grand nombre despèces ont disparu tant en milieu continental (Dinosaures) qu'en milieu marin (Ammonites) où les microorganismes ont également été atteints (Foraminifères, Coccolithophoridés) même si certaines espèces ont survécu, notamment des Foraminifères benthiques. La productivité biologique a considérablement chuté à cette période marquée également par d'importantes variations du niveau de la mer et par l'existence d'une couche géologique riche en iridium dans certaines régions. Au Paléocène, comme après les autres crises identifiées, on a constaté une diversification avec notamment l'explosion mammalienne et celle des plantes à fleurs. Ces événements vérifient les critères d'une crise exposés dans la première partie.
Conclusion
Ainsi, la crise de la fin du Crétacé est représentative des crises biologiques comme celles du Dévonien et du Permien mais ces crises n'ont pas entravé la tendance à l'expansion et à la diversification du vivant qui reprend après une crise. Cependant, le problème de leurs causes reste en discussion parmi les chercheurs.



Partie 3 (enseignement obligatoire)

Sujet

Unicité génétique des individus et polymorphisme des espèces

Durant le cycle de développement d'un champignon basidiomycète, se pose le problème du maintien du nombre de chromosomes.

Après avoir dégagé les informations des trois documents, construisez le cycle de développement du champignon et montrez que ce cycle apporte la solution au problème posé.

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Avant de commencer
Identifier dans chaque document les informations relatives au nombre de chromosomes avant de montrer que le cycle est une alternance de phases haploïde et diploïde. Il est plus simple de dégager les informations des documents dans l'ordre du cycle soit 1 - 3 - 2.

Corrigé

Introduction
Tous les organismes vivants possèdent un nombre de chromosomes déterminé et caractéristique de l'espèce. Les organismes à reproduction sexuée présentent un cycle de développement où alternent une phase haploïde (celle des cellules à n chromosomes issues de la méiose) avec une phase diploïde (celle des cellules à 2n chromosomes issues du zygote résultant de la fécondation). En dehors de la méiose et de la fécondation, les cellules se multiplient par mitose, mécanisme de reproduction conforme qui répartit également entre les cellules filles les chromatides issues de la réplication de l'ADN.

Le document 1 montre que le champignon possède deux types de mycéliums : un mycélium haploïde ayant pour origine la germination d'une spore haploïde et un mycélium dicaryotique résultant de la fusion de deux mycéliums haploïdes de type sexuel opposé.

Le document 3 nous informe que les mycéliums dicaryotiques peuvent former des fructifications, les basidiocarpes, correspondant aux champignons alimentaires, portant des lamelles où se produit la caryogamie, fusion de deux noyaux haploïdes aboutissant à une cellule diploïde. C'est la phase finale de la fécondation. Chaque baside est donc une cellule diploïde.

Le document 2 indique que chaque baside donne quatre basidiospores. Étant donné que les basidiospores sont haploïdes, cela montre qu'elles sont formées à la suite de la méiose bouclant ainsi un cycle de développement alternant phase haploïde (basidiospores et mycélium haploïde) et phase diploïde (mycélium diploïde et basidiocarpe).

Le schéma ci-dessous résume ces informations.

Cycle de développement d'un champignon basidiomycète

On constate que dans ce cycle, la phase diploïde est réduite aux basides mais qu'il existe une phase dicaryotique constituée d'un mycélium dont les cellules comportent deux noyaux haploïdes. La méiose suit immédiatement la caryogamie, rétablissant dans les basidiospores l'état haploïde. Ainsi, tous les noyaux du champignon contiennent n chromosomes à l'exception du noyau de la baside résultant de la caryogamie.

Conclusion
Les champignons basidiomycètes présentent un cycle de développement à phase haploïde prédominante où la phase diploïde se réduit au zygote.



Partie 3 (enseignement de spécialité)

Sujet

Applications et implications des connaissances modernes en génétique humaine

À partir de l'étude de l'arbre généalogique, justifiez le génotype ou les génotypes possibles de l'individu 11, puis montrez, en utilisant les résultats du test de Southern, que l'on peut prédire le génotype et le phénotype de l'enfant à naître portant le numéro 16.

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Avant de commencer
Déterminer d'abord les génotypes avérés, ceux correspondants aux génotypes a/a (homozygote récessif) et b/c (hétérozygote codominant).

Corrigé

Introduction
Les informations apportées par l'analyse d'un arbre généalogique peuvent être utilement précisées par une analyse de l'ADN.

Document 1
Parmi les parents du garçon 11, on connaît le génotype du père 12, b/c (deux allèles codominants b et c du gène S qui s'expriment simultanément) correspondant au phénotype bc noté en gris. La mère, 3, de phénotype b peut être de génotype b/b ou b/a puisque b est dominant sur a et s'exprime seul dans ce cas donnant le phénotype noté en noir. Il en est de même de ses parents 1 et 2. En conséquence, le fils 11 de phénotype b peut être homozygote b/b ou hétérozygote b/a sans que l'on puisse trancher par l'examen de l'arbre généalogique. La technique de Southern permet d'assigner précisément leur génotype aux différents membres de la famille à l'exception de la mère 15 qui est de phénotype a et donc de génotype homozygote a/a puisque a est récessif.

Document 2
Le test de Southern permet d'identifier des fragments d'ADN correspondant aux trois allèles a, b et c et donc de préciser le génotype des parents. Le profil de restriction de l'ADN du père 11 présente une seule bande correspondant à l'allèle b. L'étude de l'arbre généalogique avait montré que le père était soit de génotype b/a soit de génotype b/b. La présence d'un seul allèle b indique que le père 11 est homozygote b/b. Comme la mère 15 est homozygote a/a, l'enfant à naître 16 est nécessairement hétérozygote b/a et donc de phénotype b noté en noir puisque b est dominant sur a.

Conclusion
L'analyse de l'ADN permet d'établir directement les génotypes, sans ambiguïté. Elle confirme et complète les génotypes tirés de l'analyse de l'arbre généalogique.