SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE
- Série S -
National, septembre 2000

Corrigés


Partie 1 (8 points)

Sujet

Unicité génétique des individus et polymorphisme des espèces

En utilisant vos connaissances, expliquez, dans le cas d’une espèce diploïde, comment la reproduction sexuée assure le maintien du nombre de chromosomes au cours du cycle de développement.
Votre exposé sera structuré et illustré


Avant de commencer
Définir les notions d’équipement chromosomique et de cycle de développement avant de détailler les mécanismes (fécondation et méiose) qui permettent le maintien du nombre de chromosomes au cours des générations.


Corrigé

Introduction
On appelle cycle de développement la succession des étapes suivies par les organismes depuis la formation de l'œuf jusqu'à l'état adulte et la formation d'une nouvelle génération à partir des gamètes parentaux. Chaque espèce est caractérisée par un nombre déterminé de chromosomes et chez les espèces diploïdes à reproduction sexuée, ce nombre est pair car tous les individus sont issus d’un œuf formé par la fusion des gamètes mâle et femelle qui apportent un même nombre haploïde de chromosomes. Le nombre de chromosomes est maintenu constant par deux mécanismes complémentaires, la méiose qui assure la production de gamètes haploïdes et la fécondation qui aboutit à la formation d’un zygote diploïde. Après une présentation générale du cycle de développement et du cycle chromosomique, nous examinerons plus en détails ces deux événements fondamentaux.
Cycle de développement et cycle chromosomique
Tous les organismes à reproduction sexuée sont formés de cellules diploïdes descendant de l’œuf ou zygote dont le noyau comporte 2n chromosomes, homologues deux à deux car ils proviennent pour moitié du gamète mâle et du gamète femelle, cellules haploïdes, c’est à dire qui possèdent n chromosomes. Au cours de la vie d'un organisme on peut donc distinguer 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. 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. Le schéma ci-dessous résume le cycle de développement d'un mammifère.

Les deux événements fondamentaux qui modifient l'équipement chromosomique sont donc la méiose et la caryogamie dont nous allons examiner les mécanismes.
Fécondation et caryogamie
Les deux lots de chromosomes homologues sont réunis dans un même noyau au moment de la caryogamie (n + n = 2n). Chez les animaux, elle se produit lors de la fécondation à la suite de la pénétration du noyau du spermatozoïde dans le cytoplasme de l'ovule selon le schéma ci-dessous.
Si aucun mécanisme compensateur n'existait, le nombre de chromosomes doublerait à chaque génération. Mais il existe un mécanisme cellulaire, la méiose, conduisant à la réduction par deux du nombre de chromosomes dans les cellules à l’origine des gamètes.
Méiose
Au cours de la méiose, une cellule diploïde donne naissance à quatre cellules haploïdes à la suite de deux divisions cellulaires dont seule la première est précédée d'une synthèse d'ADN. La première division de la méiose est réductionnelle : elle fait passer le nombre de chromosomes de 2n à n dans les deux cellules filles tandis que chaque chromosome est alors formé de deux sous unités identiques, les chromatides, résultant de la réplication du matériel génétique lors de l’interphase. La seconde division, qui intéresse les deux cellules précédentes est équationnelle : elle donne naissance à quatre cellules filles dans lesquelles se répartissent également les chromatides précédentes. Chez les organismes à diplophase prédominante, 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.
Conclusion
Au cours du cycle de développement, le maintien du nombre de chromosomes résulte de la succession de la méiose et de la fécondation qui assurent respectivement la transition entre les états diploïde et haploïde et inversement. Quelle que soit l'importance respective de l'une ou l'autre phase, c'est à dire que l'organisme soit haploïde ou diploïde, la reproduction sexuée nécessite ces deux mécanismes fondamentaux responsables également du maintien du polymorphisme génique.

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Partie 2 (7 points)

Sujet

Fonctionnement d’un système de régulation

À partir de l’étude des documents suivants et de vos connaissances, montrez comment le taux de LH est régulé au cours de la phase folliculaire d’un cycle sexuel normal chez une femelle de mammifère.

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Avant de commencer
Montrer l’existence au cours du cycle de deux boucles de régulation, l’une négative, l’autre positive expliquant respectivement la variation tonique (continue) et phasique (brusque) du taux de LH.


Corrigé

Introduction
Les variations du taux des gonadostimulines hypophysaires, en particulier celui de l’hormone lutéinisante (LH) dont le pic sécrétoire déclenche l'ovulation, sont contrôlées par un mécanisme fondé sur des boucles de régulation hormonale entre l’ovaire et l’axe hypothalamohypophysaire. Nous montrerons que la sécrétion tonique de LH est maintenue à un taux sensiblement constant par une boucle de rétroaction négative entre ovaire et hypophyse tandis que le pic sécrétoire (sécrétion phasique) résulte d’une rétroaction positive.
Document 1
Le document 1 montre les variations de la concentration plasmatique de LH (gonadostimuline hypophysaire), et d’œstrogènes (hormones ovariennes) au cours d’un cycle chez le Macaque femelle. La phase folliculaire est marquée par une lente diminution du taux de LH qui passe de 5 ng.mL-1, au premier jour des règles (correspondant au premier jour du cycle) à une valeur proche de zéro à J11. Parallèlement, le taux d’œstrogènes passe d’une valeur proche de zéro à 100 pg.mL-1. À J12, on constate que la sécrétion des deux hormones présente un pic atteignant 38 ng.mL-1 et 300 pg.mL-1 respectivement.
La lente diminution du taux de LH avant le pic de sécrétion est due à l’action inhibitrice exercée par les oestrogènes sur l’activité de l’axe hypothalamohypophysaire tandis que le pic sécrétoire est dû à une rétroaction positive exercée par ces mêmes oestrogènes lorsque leur concentration dépasse le seuil de 100 pg.mL-1. Le document 2 en apporte la démonstration expérimentale.
Document 2
La perfusion d'œstradiol chez une femelle ovariectomisée maintient de t0 à t1 une concentration plasmatique d'environ 60 pg.mL-1. On observe au cours de la perfusion une diminution progressive de la concentration plasmatique en LH similaire à celle observée physiologiquement. Ceci confirme que des concentrations modérées d'œstradiol exercent un rétrocontrôle négatif sur l'axe hypothalamohypophysaire aboutissant à une diminution de la sécrétion de gonadolibérine hypothalamique (Gn-RH) et de LH. En revanche, l'injection d'une forte dose d'œstradiol au temps t1 se traduit par 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 atteignant 35 ng.mL-1, valeurs proches des valeurs des pics physiologique. En effet, la rétroaction négative exercée par l'œstradiol sur l'axe hypothalamohypophysaire s'inverse au moment où sa concentration augmente brusquement et l'œstradiol exerce alors une rétroaction positive qui active considérablement l’axe hypothalamohypophysaire et donc l’ovaire. Il y a alors amplification brusque de la sécrétion de LH.
Conclusion
Les variations cycliques de la concentration de LH chez le Macaque comme chez les autres Primates sont contrôlées par les interactions entre axe hypothalamohypophysaire et ovaires. Par leur action, notamment sur la sécrétion de Gn-RH par l'hypothalamus et sur l’hypophyse, les hormones ovariennes contrôlent la sécrétion de LH par l'hypophyse. Les œstrogènes en concentration modérée l'inhibent avant l’ovulation tandis qu’une forte augmentation stimule la sécrétion de LH ce qui déclenche l'ovulation.



Partie 3 (enseignement obligatoire, 5 points)

Sujet

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

En mettant en relation les informations apportées par l’étude des documents 1 à 4, argumentez l’existence d’une crise à la limite entre le Permien et le Trias.

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Avant de commencer
Définir ce qu’est une crise et ses conséquences et en identifier les caractéristiques qui apparaissent en analysant chaque document.


Corrigé

Introduction
On qualifie de crise en géologie de courtes périodes (par rapport aux temps géologiques) au cours desquelles les indices paléontologiques montrent une disparition massive d’espèces dans des milieux différents à l’échelle mondiale. Ces extinctions massives résulteraient d’importantes modifications écologiques incompatibles avec la survie de nombreuses espèces.
Document 1
Le document 1 montre que le taux d’extinction des animaux marins a varié relativement régulièrement avec de brusques augmentations correspondant aux grandes divisions des temps géologiques et qu’il diminue globalement depuis l’ère primaire. La limite Permien – Trias, notamment, est marquée par le plus fort taux d’extinction observé entre le Primaire et le Tertiaire. Ce taux global correspond à l’extinction de groupes entiers vivant dans des milieux différents comme le montrent les documents suivants.
Document 2
Parmi les principaux groupes d’invertébrés, certains disparaissent totalement comme les trilobites (100 %), d’autres presque totalement comme les crinoïdes et les coraux (environ 70 %), d’autres sont moins affectés comme les brachiopodes et les bryozoaires (environ 50 %) ou moins rapidement (ostracodes, ammonoïdes, foraminifères). Même si la majorité des invertébrés montre une augmentation du pourcentage d’extinction à la fin du Permien, certains groupes ne semblent pas particulièrement affectés comme les bivalves et les spongiaires. En revanche, les documents 3 et 4 montrent que tous les milieux sont touchés.
Document 3
L’évolution du nombre de genres de plantes terrestres du Dévonien au Crétacé est marquée par une augmentation globale de 0 à 30 malgré quelques périodes de recul. À la limite Permien Trias, il y a 248 millions d’années, on constate une chute d’un tiers du nombre de genre de 15 à 10. Cette disparition de plantes terrestres est donc contemporaine de celle de nombreux groupes d’invertébrés suggérant qu’elles peuvent résulter d’une cause commune. Le document 4 apporte un argument supplémentaire.
Document 4
L’évolution du nombre de genres de vertébrés terrestres montre une chute de 38 à 18 de la fin du Permien au début du Trias sur une période d’une vingtaine de millions d’années. Celle du nombre de reptiles passe de 28 à 12 sur cette période tandis que celle des amphibiens passe de 10 à 4 en un temps moitié moins long. Ainsi, non seulement de nombreuses espèces d’invertébrés marins et de plantes terrestres disparaissent mais aussi des vertébrés terrestres sur une période courte à l’échelle géologique.
Conclusion
La disparition au cours d’une même période, relativement brève à l’échelle des temps géologiques, de nombreuses espèces dans les milieux les plus divers est interprétée comme l’indice d’une crise majeure pour le monde vivant. Ce type d’événement sert à marquer les grandes divisions des temps géologiques car on les observe à l’échelle mondiale. Ceci permet d’obtenir des points de repère universels dans les temps géologiques.



Partie 3 (enseignement de spécialité, 5 points)

Sujet

Les roches, produits et témoins du temps

En mettant en relation les informations apportées par les documents, montrez que les phénomènes actuels permettent de mieux comprendre les phénomènes anciens.
Votre explication s’appuiera sur l’exploitation des données chiffrées.

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Avant de commencer
Définir ce que l’on entend par actualisme et utiliser les données sédimentaires et tectoniques du document 1 pour interpréter celles des documents 2 et 3 en mesurant les vitesses de sédimentation.


Corrigé

Introduction
L’actualisme, appelé aussi théorie des causes réelles, postule que certains phénomènes géologiques anciens résultent des mêmes causes que les phénomènes géologiques comparables qui se produisent aujourd’hui. C’est pourquoi nous nous appuierons sur les phénomènes géologiques actuels présentés dans le document 1 pour expliquer les phénomènes géologiques passés présentés dans les documents 2 et 3 qui correspondent respectivement à des phénomènes sédimentaires et tectoniques.
Phénomènes sédimentaires
Le document 2 présente deux colonnes stratigraphiques établies à Thouars et Montalembert, deux localité des Deux-Sèvres distantes d’une centaine de km. Ces deux colonnes reconstituent les archives sédimentaires formées au cours d’une période de quelque 2,6 millions d’années (Ma) de l’ère secondaire alors que la région était recouverte par la mer au niveau du plateau continental. Cette période correspond à une partie du Toarcien, un étage du Jurassique dont le stratotype doit son nom à la localité de Thouar.
Bien que les deux colonnes correspondent à une même durée et comportent les mêmes horizons biostratigraphiques, elles diffèrent par la nature des roches et par l’épaisseur des dépôts (3,5 m à Thouars, 10 m à Montalembert) ce qui amène à se poser la question des conditions de leur formation.
Les quatre premiers horizons (VIII à XII) qui correspondent au Toarcien moyen sont formés de calcaires dans les deux localités. À Thouars, il s’agit de calcaires à oolithes ferrugineuses déposés en environ 1 Ma sur une épaisseur d’un peu plus d’un mètre et formant des couches bien distinctes. En revanche, à Montalembert, les horizons VIII, d’une part, et IX et X, d’autre part, se réduisent à deux couches de calcaires argileux de 30 cm et de 10 cm d’épaisseur respectivement. Les informations du document 1 permettent d’interpréter ces différences. Si l’on considère que les mêmes causes produisent les mêmes effets quelle que soit l’époque géologique, les oolithes présentes dans les calcaires de Thouars indiquent que ces derniers se sont formés dans une eau agitée à une profondeur inférieure à 12 m, c’est à dire à proximité du rivage ou de hauts fonds. L’épaisseur des couches de calcaires oolithique varie autour de 20 à 50 cm par 260 000 ans et représente globalement 1,5 m en 1 Ma ce qui correspond à 1,5 à 2 mm de calcaire en 1 000 ans selon les couches. À Montalembert, la faible épaisseur des horizons (40 cm) indique une vitesse de sédimentation encore plus faible correspondant à des apports sédimentaires encore plus limités qu’à Thouars vraisemblablement parce que la zone était plus éloignée de la côte et plus profonde.
Les conditions de sédimentation se modifient ensuite de l’horizon XIII à l’horizon XVIII. À Thouars, on observe des bancs marneux et des bancs calcaires qui se succèdent au cours d’une période de quelque 1,5 Ma sur une épaisseur de 2 m correspondant à une vitesse de formation du calcaire quasiment équivalente (1,3 mm/1 000 ans) à celle des horizons précédents. La présence d’oolithes montre que la zone reste proche de la ligne de rivage mais les sédiments argileux qui conduiront à la formation de marnes deviennent proportionnellement plus importants ce qui traduit une diversification des apports liée à l’érosion sur le continent ou aux courants. En revanche, à Montalembert, les couches sont cinq fois plus puissantes puisqu’elles représentent une épaisseur globale de 10 m. Ceci correspond à une vitesse de formation des roches cinq fois plus rapide qu’à Thouars. S’agissant essentiellement de marnes intercalées avec quelques bancs de calcaire argileux, les informations du document 1 montrent que des boues argilocalcaires ont dû se déposer sur 40 m d’épaisseur en 1,5 Ma soit 3,3 cm/1 000 ans, une vitesse compatible avec celle de la sédimentation calcaire actuelle. On peut supposer que les sédiments issus de l’érosion continentale, d’abord calcaires puis argilocalcaires ne se déposant que peu à faible profondeur à proximité du rivage en raison de l’agitation de l’eau et des courants se sont déposés pour la plus grande partie à une centaine de km de Thouars vers le large (absence d’oolithes).
La brusque augmentation des sédiments argileux pose un problème. Un relief dont l’érosion pourrait expliquer les apports argileux peut-il apparaître en un laps de temps aussi bref à l’échelle géologique ?
Phénomènes tectoniques
Le document 3 montre que par le passé, on a pu observer la surrection rapide d’un dôme, celui de Ventura Avenue, constitué en 200 000 à 300 000 ans, qui s’est soulevé de 20 m en 5 500 ans puisque le niveau de la mer n’a pas varié et que la plus ancienne terrasse se trouve 20 m au dessus de lui. L’érosion au niveau de la ligne de rivage a entraîné un apport de sédiments sur le plateau continental. On observe des vitesses équivalentes dans les phénomènes actuels dans certains cas puisque entre 1880 et 1970 le massif alpin s’est soulevé de 20 cm. Sur une période de 5 500 ans, cela représenterait 12 m, une valeur compatible avec celle estimée pour Ventura Avenue. En outre, l’érosion d’un massif comme les Alpes produit des sédiments argileux comme ceux de Thouars et Montalembert qui s’ajoutent aux calcaires à partir de l’horizon XIII.
Conclusion
Ainsi, les phénomènes géologiques actuels obéissent à des mécanismes qui ont l’air semblable à ceux gouvernant les phénomènes passés. Le cycle des roches qui comporte leur mise en place, leur érosion, le transport et le dépôt des sédiments, en particulier en milieu marin, et leur transformation en roches sédimentaires (diagenèse) est aussi ancien que la Terre elle-même.

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