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

Corrigés


Partie 1 (8 points)

Sujet

Aspects du fonctionnement des centres nerveux

Expliquez comment un motoneurone peut élaborer, en fonction des informations qui lui arrivent, des messages différents.



Avant de commencer
Détailler les mécanismes synaptiques expliquant la réception des informations par le motoneurone puis leur intégration aboutissant à la naissance de messages efférents.


Corrigé

Introduction
Les motoneurones médullaires commandent la contraction des muscles volontaires au niveau des synapses neuromusculaires. Leurs axones sont parcourus par des messages nerveux constitués de potentiels d’action dont la fréquence est liée à l’activité du motoneurone. Cette dernière dépend des variations du potentiel membranaire du neurone qui sont contrôlées par l’ensemble des messages, excitateurs et/ou inhibiteurs, reçus en permanence. Ces message sont reçus par le motoneurone au niveau de synapses établies entre les axones d’autres neurones et le corps cellulaire et les dendrites du motoneurone.
Après une présentation de la transmission synaptique et de l’action individuelle des neurones inhibiteurs et excitateurs sur le potentiel membranaire du motoneurone, nous examinerons comment les messages nerveux efférents résultent de l’intégration de ces différents signaux.
Transmission synaptique excitatrice et inhibitrice
Le corps cellulaire et les dendrites des motoneurones reçoivent les terminaisons synaptiques d’un très grand nombre d’axones provenant d’autres neurones (neurones en T, neurones corticaux, interneurones inhibiteurs). Lorsqu’un message nerveux parvient à la terminaison présynaptique d’un de ces axones, il induit la libération par exocytose du neurotransmetteur contenu dans les vésicules synaptiques. Le neurotransmetteur diffuse alors dans l’espace synaptique et va se lier à des récepteurs postsynaptiques inclus dans la membrane du motoneurone. La liaison neurotransmetteur - récepteur induit alors une modification du potentiel membranaire du motoneurone. Le schéma ci-dessous résume les principes de la transmission synaptique.

Selon la nature des neurotransmetteurs émis par les neurones présynaptiques et celle des récepteurs présents dans la membrane du motoneurone, l’action des différents neurones présynaptiques peut être opposée ou de même sens. Ainsi, des interneurones médullaires exercent une action inhibitrice tandis que les neurones en T impliqués dans le réflexe myotatique ou les neurones corticaux impliqués dans le mouvement volontaire exercent une action stimulatrice.
Lorsque les neurones excitateurs sont stimulés, la liaison du neurotransmetteur avec les récepteurs postsynaptiques correspondants provoque une dépolarisation du motoneurone appelée potentiel postsynaptique excitateur (PPSE). L’amplitude des PPSE est graduable et dépend de la quantité de neurotransmetteur libéré dans la fente synaptique. Comme le potentiel de membrane se rapproche du seuil de dépolarisation du motoneurone, l’émission de potentiels d’action est facilitée.
En revanche, lorsque les neurones inhibiteurs sont stimulés, la liaison du neurotransmetteur avec les récepteurs postsynaptiques correspondants provoque une hyperpolarisation du motoneurone. Il s’agit d’un potentiel postsynaptique inhibiteurs (PPSI). L’amplitude des PPSI est également graduable et dépend comme précédemment de la quantité de neurotransmetteur libéré dans la fente synaptique. Le potentiel de membrane du motoneurone s’éloigne alors du seuil de dépolarisation.
L’intégration nerveuse et l’émission des messages efférents
À tout moment, le motoneurone reçoit des milliers de messages activateurs et inhibiteurs qu’il intègre sous forme d’un signal de sortie. En effet, si les potentiels postsynaptiques sont graduables, ils sont aussi sommables. Ainsi, les potentiels postsynaptiques s’additionnent algébriquement comme illustré par le schéma ci-dessous où sont indiquées les variations du potentiel membranaire du motoneurone en fonction de l’activité de deux neurones antagonistes, l’un excitateur, l’autre inhibiteur.
Il s’agit de sommation spatiale, sommation des signaux provenant de différentes synapses au même moment qui peut aussi concerner des signaux de même sens aboutissant alors à une dépolarisation plus importante du motoneurone dont le potentiel membranaire se rapproche du seuil ou le dépasse.
Il existe une autre modalité d’intégration, la sommation temporelle. Si un potentiel postsynaptique est généré alors que le potentiel membranaire du motoneurone n’a pas encore retrouvé son niveau de base à la suite d’un message précédent, son effet s’ajoute à celui de ce dernier et le potentiel membranaire du motoneurone se rapproche du seuil ou le dépasse comme le montre le schéma ci-dessous.
L’intégration des messages afférents par le neurone postsynaptique se traduit par des variations permanentes du potentiel membranaire autour de sa valeur de repos. Le corps cellulaire d’un neurone est relié à l’axone par une région particulièrement excitable appelée cône d’émergence de l’axone. Tant que les variations de potentiel n’atteignent pas le seuil de dépolarisation, le neurone postsynaptique reste silencieux. En revanche, si la dépolarisation atteint cette valeur critique, le segment initial donne naissance à un potentiel d’action. En outre, les messages nerveux sont codés en fréquence et la fréquence d’émission du motoneurone dépend également des messages activateurs et inhibiteurs reçus.
Conclusion
Ainsi, un motoneurone élabore des messages différents en réalisant la sommation spatiale et temporelle des signaux qui lui parviennent. Lorsque les signaux inhibiteurs prévalent, le neurone est silencieux et n’émet pas de message ce qui se traduit par l’absence de stimulation des fibres musculaires correspondantes. Au contraire, lorsque les signaux excitateurs prévalent, le motoneurone émet des potentiels d’action et la fréquence d’émission dépend des signaux reçus.

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Partie 2 (7 points)

Sujet

Unicité génétique des individus et polymorphisme des espèces

On recherche chez le Moustique la position relative des gènes de la couleur du corps et de la couleur de l’œil.
En vous appuyant sur les informations extraites du document proposé, complétées par vos connaissances, expliquez comment les résultats obtenus permettent d’établir la localisation chromosomique des gènes étudiés.

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Avant de commencer
Mener une analyse classique des résultats de croisements. Donner des symboles adéquats aux allèles et déterminer leur caractère dominant ou récessif. En déduire les génotypes possibles. Les proportions de gamètes recombinés formés lors de la méiose permettent de localiser les deux gènes sur un même chromosome et de déterminer leur distance.


Corrigé

Introduction
L’analyse des résultats de croisements peut permettre d’établir la localisation des gènes sur les chromosomes. Les croisements dont les résultats sont indiqués dans le document 1 concernent des souches de moustiques qui diffèrent par deux caractères, la couleur du corps et celle de l’œil. L’hypothèse la plus simple est que chacun des caractères dépend d’un gène qui existe sous deux formes alléliques, sauvage et mutante, que nous appellerons n+, n et p+, p respectivement..
Première série d’expériences
On croise une souche sauvage au corps gris et à œil prune avec une souche à corps noir et à œil clair. Selon l’hypothèse initiale, le croisement s’écrit:
Phénotypes des parents :  [n+ p+]         x       [n p]
Phénotype des descendants F1 :       [n+ p+]
Comme les descendants F1 présentent tous le phénotype sauvage, les allèles n et p ne s’expriment pas dans la descendance. Ils sont donc récessifs et les allèles sauvages qui s’expriment sont dominant. On peut alors écrire les génotypes de la façon suivante :
Génotypes des parents :            n+ p+// n+ p+       x        n  p//n  p
Génotype des descendants F1 :                     n+ p+//n  p
Dans ce cas, les descendants F1 sont hétérozygotes pour les deux gènes. Le croisement suivant permet de le confirmer.
Deuxième série d’expériences
On croise des femelles F1 avec des mâles à corps noir et à œil clair. Si nos hypothèses sont justes, il s’agit d’un croisement test permettant de déterminer les caractères et les proportions des gamètes formés par les hétérozygotes F1. Ce croisement s’écrit :
Phénotypes des parents  :            ? [n+ p+]       x   ? [n  p]
Génotypes des parents :               n+ p+//n p        x        n  p//n  p
La descendance présente quatre phénotypes différents en proportions sensiblement égales deux à deux : [n+ p+] (35,2 %) ; [n p] (35,9 %) ; [n+ p] (14,6 %) ; [n p+] (14,3 %). À ces phénotypes devraient donc correspondre les génotypes suivants :
[n+ p+] : n+ p+//n+ p+ ; [n p] : n p//n p ; [n+ p] : n+ p//n p ; [n p+] : n p+//n p
Dans ce croisement, on observe deux phénotypes nouveaux qui diffèrent de ceux des parents, [n+ p] et [n p+] qui représentent 28,9 % des descendants. Si les gènes étaient situés sur des chromosomes différents, la proportion des quatre types de gamètes serait la même et il y aurait des proportions voisines pour les quatre phénotypes. On en déduit que les deux gènes sont liés, c’est à dire situés sur le même chromosome. Ceci montre que près de 30 % des gamètes sont issus d’un processus de recombinaison lors de la prophase de la première division méiotique. Comme, par convention, un pourcentage de recombinaison de 1 % entre deux gènes correspond à une distance de 1 centimorgan sur un même chromosome, les locus des gènes n et p sont distants de 28,9 centimorgan. Cette distance est en général sous évaluée car elle ne prend pas en compte les double crossing-over.
Conclusion
Les résultats des croisements sont en accord avec les hypothèses formulées : les allèles sauvages sont dominants et les locus des deux gènes sont situés sur un même chromosome à une distance de 28,9 centimorgan.



Partie 3 (enseignement obligatoire, 5 points)

Sujet

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

À partir de l’analyse méthodique et de la mise en relation des documents 1 à 3, dégagez quelques grands traits de l’histoire des êtres vivants.

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Avant de commencer
Identifier dans les documents ce qui montre une évolution à partir d’un ancêtre commun (documents 1 et 3) et la radiation (document 3) ainsi que l’existence de crises biologiques marquées par des extinctions (document 2) suivies de diversification (document 1 et 2a).


Corrigé

Introduction
L’histoire des êtres vivants est marquée par quelques grands traits, évolution non seulement des espèces mais aussi des grands groupes à partir d’un ancêtre commun, extinctions brutales suivies de la diversification de groupes survivants, radiations adaptatives, que nous allons essayer d’identifier à partir de l’analyse des documents présentés.
Évolution des groupes et des espèces
Le document 1 présente l’évolution quantitative des reptiles, des oiseaux et des mammifères depuis -355 Ma (ère primaire) jusqu’à l’actuel. Il montre que tous ces vertébrés, actuels comme disparus, sont issus d’un ancêtre commun qui vivait au Carbonifère. Le document 3 qui présente l’arbre phylogénétique des ammonoïdés montre qu’il en est de même chez les invertébrés. En outre, ces documents montrent qu’au cours de l’évolution se produit une diversification aux différents niveaux de la classification : espèces, familles, groupes entiers. Enfin, au cours de l’évolution on observe des extinctions qui peuvent affecter une espèce comme un groupe entier.
Les crises biologiques
Si la disparition d’espèces est un phénomène commun, comme le montre l’évolution des ammonoïdés (document 3), la disparition de groupes entiers attribuée à des crises de grande ampleur ne s’est produite qu’à cinq reprises depuis 600 Ma. Les documents 2a et 2b montrent que le nombre de familles a considérablement chuté à la fin de l’Ordovicien, au Dévonien, au Permien, à la fin du Trias et du Crétacé. Les taux d’extinction atteignent aux mêmes périodes des valeurs de deux à quatre fois plus élevées que la moyenne, suggérant des causes extérieures. On considère ces épisodes comme de véritables crises biologiques car ces extinctions touchent à la même époque des groupes divers occupant des milieux différents. Ainsi, à la fin du Crétacé disparaissent des invertébrés marins comme les ammonoïdés (document 3), des dinosaures terrestres, saurischiens et ornithischiens, des reptiles aquatiques comme les plésiosaures et ichtyosaures, des reptiles volants comme les ptérosaures (document 1).
Diversification et radiations
Bien que des groupes entiers puissent disparaître, certains de leurs représentants sont à l’origine de nouveaux groupes qui peuvent se diversifier à la suite d’une crise. Ainsi, le document 1 montre que les reptiles thécodontes sont à l’origine des dinosaures mais ces derniers ne se sont diversifiés qu’à partir du Jurassique après la disparition des thécodontes lors de la crise de la fin du Trias. De même, si les premiers mammifères sont apparus dès le Trias, ils sont restés en petit nombre jusqu’au Tertiaire, époque à laquelle ils se sont diversifiés. Il en est de même des oiseaux, descendants des dinosaures apparus au Jurassique. On considère que la diversification des oiseaux et des mammifères a été rendue possible par la libération de nombreuses niches écologiques due à l’extinction des dinosaures. Le document 2a qui montre une augmentation rapide du nombre de familles à la suite des cinq grandes crises confirme la diversification qui suit ces périodes d’extinctions. En outre, le document 3 montre qu’il existe aussi une diversification au sein de chaque famille qui correspond à une radiation adaptative, chaque espèce occupant une niche écologique déterminée.
Conclusion
Ces documents montrent que l’histoire des êtres vivants est caractérisée par une évolution phylogénétique, les espèces actuelles descendant d’espèces passées disparues et qu’elle a été marquée à plusieurs reprises par des crises biologiques suivies de périodes de diversification et de radiation adaptative des groupes ou espèces survivants.



Partie 3 (enseignement de spécialité, 5 points)

Sujet

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

Mettez en relation les informations apportées par les documents 1 à 3 pour proposer des hypothèses explicatives des variations de la température de l’air au cours des derniers 150 000 ans.

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Avant de commencer
S’attacher à montrer des corrélation entre les différents phénomènes et proposer plusieurs hypothèses.


Corrigé

Introduction
L’atmosphère piège le rayonnement infrarouge provoquant un échauffement de la planète appelé effet de serre. Certains gaz qui absorbent le rayonnement infrarouge, comme le dioxyde de carbone, contribuent à cet effet de serre. Le dioxyde de carbone est présent non seulement dans l’atmosphère mais aussi dans les océans. Les variations de sa répartition entre océans et atmosphère sont susceptibles de modifier l’effet de serre et donc la température de la planète mais plusieurs autres paramètres peuvent influer sur la température de l’air comme la température de surface des océans.
Document 1
Le document 1 présente en parallèle les variations de la température de l’air et de la teneur de l’air en dioxyde de carbone pendant les 160 000 dernières années. Il montre une corrélation assez étroite entre ces deux paramètres puisque la plupart des variations significatives d’un des deux tracés s’accompagnent d’une variation de même sens de l’autre tracé qui apparaît pratiquement parallèle. Cette constatation s’explique si la température de l’air dépend de la teneur de l’atmosphère en dioxyde de carbone. Examinons cette hypothèse.
Document 3
On sait en effet que la température de la planète dépend notamment de l’effet de serre selon des mécanismes illustrés par le document 3. Ce dernier rappelle que le CO2 fait partie des gaz à effet de serre, gaz atmosphériques qui piègent le rayonnement infrarouge réémis par l’atmosphère et le sol qui ont absorbé le rayonnement solaire. Il en résulte une élévation de la température moyenne de la planète, notamment de son atmosphère. Ainsi, il pourrait exister une relation de cause à effet entre variations de la teneur en CO2 et variations de la température de l’air. Toutefois, le CO2 n’est pas le seul gaz à effet de serre et l’augmentation d’autres gaz (méthane, vapeur d’eau), voire d’autres causes (activité solaire), pourraient être responsables d’une augmentation de la température terrestre. On peut ainsi faire l’hypothèse que la température de l’atmosphère dépend en partie de la température de surface des océans et que la teneur de l’atmosphère en dioxyde de carbone n’en est qu’une conséquence. Le document 2 montre qu’on ne peut exclure cette hypothèse.
Document 2
Le document 2 présente les échanges de CO2 entre deux de ses réservoirs, l’atmosphère et l’océan sur une brève période entre 1980 et 1990. On constate que les variations du dégazage de l’océan suivent les variations de la température de l’océan de sorte que les variations de la teneur de l’atmosphère en CO2 suivent les variations de la température de surface de l’océan. Ainsi, la corrélation entre teneur atmosphérique en CO2 et température de l’air observée dans le document 1 pourrait être une relation de cause à effet inverse de celle formulée dans la première hypothèse puisque le dégazage de l’océan dépend de sa température. Les variations de température s’accompagneraient ainsi de toute façon de variations du dioxyde de carbone atmosphérique.
Conclusion
Ainsi, il n’est pas possible de trancher entre les deux hypothèses qui ne s’excluent d’ailleurs pas mutuellement. Les variations de la teneur de l’atmosphère en CO2 peuvent être aussi bien une des causes des variations de température de la planète en raison des variations de l’effet de serre qu’une conséquence de ces variations en raison de l’effet, quelle qu’en soit la cause, qu’elles entraînent sur le dégazage des océans. Dans les phénomènes passés, il est souvent difficile de distinguer causes et conséquences.

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