Préparation au bac 2003

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE
- Série S -

Corrigé sujet 10 

(En raison de l'absence de sujet des années précédentes due au changement de programme en SVT intervenu à la rentrée 2002, les sujets ci-dessous destinés à la préparation du bac 2003 ont été reconstitués arbitrairement à partir de sujets des années précédentes ou de sujets inédits. L'équilibre des thèmes et des questions est en accord avec les instructions officielles.

Partie 1 (10 points) Exposé organisé de connaissances (obligatoire et spécialité)

La procréation 
D'après Sportifs de haut niveau, Octobre 1999 

Exposez la cause du pic de LH enregistré durant le cycle hormonal féminin et ses conséquences directes et indirectes sur l'ensemble de l'organisme
féminin. 
Un schéma fonctionnel est attendu. 

Corrigé

Introduction
Le fonctionnement de l'appareil reproducteur des Mammifères est cyclique et il a, chez la femme, une durée moyenne de 28 jours. On distingue deux phases d'une durée moyenne de 14 jours séparées par l'ovulation. L'ovulation est déclenchée par un pic de sécrétion des gonadostimulines, notamment LH. Mais les gonadostimulines, elles-mêmes contrôlées par l'hypothalamus, stimulent la sécrétion des hormones sexuelles, œstrogènes et progestérone, qui préparent l'organisme à recevoir un éventuel embryon en agissant sur les cibles périphériques et elles exercent en outre des rétroactions sur l'axe hypothalamo-hypophysaire. 

Le pic de LH et ses causes
Le profil de sécrétion cyclique des gonadostimulines hypophysaires, FSH et LH est caractérisé par un pic qui se produit en moyenne au quatorzième jour du cycle. À ce moment, la sécrétion de l'hormone lutéinisante (LH) est considérablement augmentée pendant une courte durée. Comme ce pic est responsable du déclenchement de l'ovulation, on le qualifie également de décharge ovulante. La sécrétion de LH par les cellules de l'hypophyse antérieure est contrôlée par une hormone d'origine hypothalamique, la gonadolibérine ou Gn-RH. La Gn-RH est produite par des neurones hypothalamiques. Les terminaisons axonales de ces neurones libèrent leurs neurosécrétions sur un mode pulsatile au niveau des vaisseaux du système porte hypophysaire par où elles gagnent l'hypophyse antérieure. Au moment de l'ovulation, la fréquence et l'amplitude des décharges pulsatiles de Gn-RH augmente ce qui provoque une augmentation de la fréquence et de l'amplitude des décharges pulsatiles de LH aboutissant au pic de la décharge ovulante. L'augmentation d'activité des neurones hypothalamiques à Gn-RH et donc le pic de LH ont pour origine un rétrocontrôle positif exercé par les œstrogènes sur l'axe hypothalamo-hypophysaire. La concentration croissante d'œstrogènes qui exerce le reste du temps un rétrocontrôle négatif devient activatrice pour l'axe hypothalamo-hypophysaire aboutissant alors à une augmentation considérable de la sécrétion de Gn-RH et de LH. Quelles en sont les conséquences directes ?

Conséquences directes
Le pic de LH est d'abord à l'origine de l'ovulation qui se produit environ 24 h plus tard. L'ovulation correspond à la rupture d'un follicule ovarien arrivé à maturité et à l'émission de l'ovocyte qu'il contient, rendant ainsi possible la fécondation. À ce moment, l'ovocyte qui était bloqué en première division de prophase de la méiose reprend son activité méiotique ce qui se traduit par l'émission du premier globule polaire. La LH provoque également la transformation des restes du follicule en corps jaune, véritable glande endocrine temporaire nécessaire à l'établissement d'une grossesse. Sous l'action de la LH, le corps jaune produit de la progestérone. Les conséquences indirectes du pic de LH sont principalement liées à cette action. 

Conséquences indirectes
Les conséquences indirectes du pic de LH sont liées à la transformation des restes du follicule en corps jaune sécréteur d'hormones sexuelles, notamment de progestérone qui a des actions sur divers organes de la sphère sexuelle où elle favorise la grossesse. Elle agit en particulier sur la muqueuse utérine où elle induit la phase sécrétoire caractérisée par le développement des glandes utérines et des vaisseaux spiralés conduisant à la formation de la dentelle utérine. Elle exerce parallèlement une action sur le myomètre dont les contractions sont inhibées, ce qui favorise la nidation éventuelle de l'embryon, et sur les sécrétions du col utérin qui deviennent difficilement perméables aux spermatozoïdes. Son action se traduit aussi par une élévation de la température centrale d'environ 0,5 °C. Enfin, la progestérone exerce un rétrocontrôle négatif sur l'axe hypothalamo-hypophysaire qui inhibe la production des gonadostimulines.
Le schéma suivant résume la cause et les conséquences du pic de LH.

Conclusion
Le pic de LH, qui résulte des conséquences de l'élévation de la concentration en œstrogènes dans le sang, déclenche l'ovulation en milieu de cycle chez la femme. Il a pour conséquence directe la formation d'une glande endocrine temporaire, le corps jaune, dont les principales sécrétions constituées de progestérone, achèvent la préparation de la sphère génitale à l'implantation et au développement d'un embryon. Si aucune grossesse ne se produit, le corps jaune involue, ce qui provoque indirectement les règles, et un nouveau cycle démarre.

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Partie 2-1 (4 points) Exploitation de documents et connaissances (obligatoire et spécialité)

Histoire de la Terre
D'après Sujet national, groupements 1 & 4, juin 1997

À partir des informations tirées du document, expliquez ce qu’est une crise et quelles en sont les conséquences.

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Corrigé

Introduction
L’histoire de la biosphère a été marquée par la succession des espèces, disparition et apparition d'espèces se succédant au cours du temps. Toutefois, certaines périodes ont été caractérisées par des phénomènes d'extinction beaucoup plus brutaux conduisant à les considérer comme des crises majeures. Quelles sont les caractéristiques de ces crises et leurs conséquences ?

Les caractéristiques d’une crise

Le document montre que des disparitions massives ont affecté un grand nombre de taxons différents à la limite entre le Crétacé supérieur et le Paléocène il y a 65 millions d’années. À cette période, les dinosaures qui dominaient de nombreux milieux de la planète ont été totalement éliminés de façon brusque, certains foraminifères, protozoaires marins, ont disparu et de nombreux mammifères ont également disparu. En raison de l’importance de ces disparitions qui touchent des taxons divers occupant des milieux différents et qui se produisent sur une courte période (à l’échelle des temps géologiques), on les considère comme la conséquence d’une crise écologique. Toutefois, malgré la crise, des taxons se sont maintenus, certains foraminifères et certains mammifères se diversifiant largement à la suite de la crise. Ainsi, les extinctions ont été sélectives : les différentes espèces sont inégalement touchées même si la crise touche tous les milieux. La notion de crise en géologie recouvre ainsi des extinctions massives quantitativement, largement répandues dans l’espace (à l’échelle planétaire), brèves à l’échelle des temps géologiques, touchant tous les milieux mais affectant sélectivement les espèces. Ceci a des conséquences sur l’évolution ultérieure de la biosphère.

Conséquences d’une crise

La disparition de nombreuses espèces a pour effet de déséquilibrer ou de faire disparaître de nombreux écosystèmes en interrompant les chaînes alimentaires. Le document montre que les mammifères se sont diversifiés tout au long de l’ère tertiaire après la crise Crétacé - Paléocène de même que certains foraminifères. On interprète ces diversifications comme des radiations adaptatives rendues possibles par la libération de diverses niches écologiques à la suite de la crise. 
En outre, les crises sont mises à profit par les géologues pour établir des repères chronologiques. Leur caractère mondial et leur brièveté à l’échelle des temps géologiques en font un outil de datation relative, le repérage de leurs traces géologiques et paléontologiques permettant d’établir des corrélations temporelles entre régions éloignées du globe. On a ainsi divisé les couches sédimentaires et les temps géologiques dont elles sont le témoin, en périodes successives et les grandes divisions, les ères, sont séparées en fonction des crises majeures. Ainsi, la limite Permien - Trias qui correspond à la coupure ère primaire - ère secondaire est fondée sur les signes d’une crise comme la limite Crétacé - Paléocène qui correspond à la coupure ère secondaire - ère tertiaire. 

Conclusion
Ainsi, les extinctions massives qui se sont produites plusieurs fois au cours de l’histoire de la vie sont le résultat de bouleversements écologiques majeurs et ont eu pour conséquence une augmentation de la biodiversité. Elles laissent des traces identifiables dans les roches et permettent ainsi d'établir des repères chronologiques universels dans l’histoire de la Terre.
 


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Partie 2-2 (6 points) Exploitation de documents et méthodes (enseignement obligatoire) 

Immunologie 
D'après Asie, juin 2001 

Chez un très jeune enfant souffrant d’une maladie immunitaire rare, on a fait un essai de thérapie génique. 
À partir de l’analyse des documents fournis, indiquez les causes de la maladie et discutez l’efficacité du traitement effectué.

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Corrigé

Introduction
Lorsqu’un déficit immunitaire d’origine génétique se traduit par l’absence de lymphocytes T (LT), il est particulièrement grave puisque, parmi les LT, les LT CD4 (LT4) sont à l’origine de l’induction et de l’amplification de l'ensemble des réponses immunitaires acquises et les LT CD8 sont nécessaires à l’immunité cellulaire. Nous verrons qu’un tel déficit a pu être corrigé chez un enfant par thérapie génique en introduisant le gène adéquat dans des cellules souches des LT déficientes.

Nature du déficit immunitaire
Le document 1 présente le tableau d’un déficit immunitaire sévère associant affections parasitaires (P. carinii, mycoses) et infections diverses. En effet, l’immunité cellulaire comme l’immunité humorale sont absentes puisqu’il n’y a ni lymphocytes T, ni anticorps. Cependant, la présence de LB à une concentration normale montre que l’absence d’anticorps est liée au déficit en LT4, lymphocytes auxiliaires qui sont nécessaires à l’activation des LB lors des réponses humorales. L’immunité cellulaire, qui nécessite également des LT4, est en outre privée de cellules effectrices, les LT8 ou LT cytotoxiques. Le tableau d’infections multiples, notamment opportunistes, est donc dû à l’immunodépression résultant de l’absence de LT sans lesquels il n'y a pas de réponses immunitaires acquises.

Traitement et résultat clinique
Le document 2 présente le principe de la thérapie génique utilisée. Le gène codant la synthèse d’une protéine membranaire nécessaire à la formation des LT à partir de leurs cellules souches et destiné à suppléer le gène inactif chez l’enfant malade a été introduit dans des cellules souches de façon à en modifier le génome. Les cellules transformées, c’est à dire exprimant la protéine, vraisemblablement un récepteur de signaux de différenciation, sont réinjectées chez l’enfant malade. Le document 3 montre que le traitement a été efficace et a restauré une immunité normale. En effet, la concentration en anticorps chez l’enfant traité atteint 323 mg.dL-1 six mois après le traitement, à peine inférieur au taux d’anticorps chez un enfant qui en a toujours fabriqué (> 400 mg.dL-1, document 1). En outre, à la suite de trois vaccinations différentes, le taux d’anticorps atteint des valeurs très élevées montrant que les LT "restaurés" se sont multipliés chez l’enfant traité et sont désormais capables de stimuler les LB aboutissant à une forte production d’anticorps, de 2 à 4 fois plus, selon le vaccin, que chez un enfant ayant un système immunitaire normal.

Discussion
Le document 2 montre que le nombre de LT dans le sang du malade traité a augmenté rapidement après le traitement, atteignant le taux pratiquement normal de 1 800 LT/µL au bout des six premiers mois. Ceci correspond à un nombre total de LT égal à 9.109 pour 5 litres de sang alors que 108 cellules transformées ont été injectées, soit près de 20 fois plus. Les LT se sont donc multipliés. Ils se sont également différenciés puisque les niveaux d’anticorps mesurés sont devenus quasi normaux et qu’il existe désormais une réponse immunitaire acquise aux germes de l’environnement. En outre, après les vaccinations, le nombre de LT augmente encore pour atteindre une valeur physiologique (3 100/µL). Ceci montre que des réponses humorales acquises avec production de LT4, stimulation des LB, formation de plasmocytes et production d’anticorps se produisent après les stimulations vaccinales. Ainsi, la restauration du système immunitaire a réussi au moins pour les réponses humorales (LT4, LB). Si les LT sont restaurés, il y de fortes chances que les réponses cellulaires soient restaurées également puisque, outre les LT4, elles mettent en jeu d’autres LT, les LT8. Cependant, avec seulement six mois de recul, on ne sait pas si la thérapie va rester efficace à long terme. Toutefois, le fait qu’on ait utilisé des cellules souches qui sont immortelles peut le laisser espérer.

Conclusion 
Ainsi, il s’avère possible de traiter un défaut immunitaire sévère par introduction d’un gène « réparateur » dans le patrimoine génétique de cellules souches de façon à restaurer des LT fonctionnels capables à la fois de répondre aux signaux de différenciation émis par d’autres cellules et de stimuler notamment les LB à produire des anticorps. Les résultats ne précisent cependant pas ce qu’il en est de l’immunité cellulaire

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Partie 2-2 (6 points) Exploitation de documents et méthodes (enseignement de spécialité)

Diversité et complémentarité des métabolismes
 Sujet inédit

La photosynthèse, dont l'équation bilan est rappelée dans le document 1, comporte deux séries de réactions chimiques complémentaires, des réactions photochimiques, qui dépendent de la lumière, et des réactions non photochimiques qui n'en dépendent pas. Les réactions photochimiques (phase claire) apportent de l'énergie, sous forme d'ATP, et du pouvoir réducteur, sous forme d'électrons et de transporteurs réduits. Énergie et pouvoir réducteur sont nécessaires pour réduire le carbone minéral du CO2 atmosphérique en carbone organique lors des réactions non photochimiques (phase sombre).
Exploiter les documents proposés pour justifier les affirmations précédentes et localiser les fonctions impliquées sur le schéma du document 1.

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Corrigé

Introduction
La photosynthèse est la biosynthèse de substances organiques à partir de l'eau et du dioxyde de carbone par les organismes chlorophylliens placés à la lumière. Elle se déroule dans les chloroplastes, organites riches en chlorophylle qui sont le siège de deux types de réactions chimiques couplées, des réactions photochimiques et des réactions sombres, thermochimiques. Au cours des premières, des molécules d'eau sont dissociées (photolyse) en oxygène moléculaire et pouvoir réducteur comme l'indique l'équation bilan.

Des réactions photochimiques redox
Le document 4 montre que des chloroplastes placés à la lumière dans un tampon approprié en présence d'un indicateur d'oxydoréduction sont le siège de réactions rédox puisque l'indicateur change de couleur uniquement à la lumière. Ceci confirme qu'il y a libération de pouvoir réducteur (arraché aux molécules d'eau) sous l'action de la lumière. En outre, l'expérience montre que ces réactions dépendent d'enzymes puisqu'elles ne se produisent plus après chauffage.

Deux types de réactions
L'expérience du document 2 montre que chez des algues unicellulaires semblables à celle du document 1, l'intensité photosynthétique ne dépend pas uniquement de l'intensité lumineuse mais aussi de l'intervalle entre les éclairs lorsque l'éclairement est intermittent. L'intensité maximale est atteinte pour des intervalles d'obscurité de 0,08 s alors même que l'intensité lumineuse est la plus faible de l'expérience. Ceci montre que les réactions photochimiques sont saturables et qu'il existe également des réactions indépendantes de la lumière. Les premières se déroulent au niveau des thylakoïdes où se trouvent la chlorophylle et les systèmes associés et fournissent le pouvoir réducteur comme on l'a vu plus haut. En outre, l'expérience confirme l'existence de réactions qui ne nécessitent pas de lumière et dont le rendement maximal est atteint pour des intervalles entre les éclairs de 0,08 s. Toutefois, ces réactions , dites sombres, qui se déroulent dans le stroma des chloroplastes, utilisent des métabolites formés à la lumière (ATP, transporteurs réduits).

Des réactions complémentaires
Le document 3 permet de préciser les transformations chimiques de la phase sombre. Le dioxyde de carbone se fixe sur un sucre à 5 carbones (Ru di P) pour donner deux sucres à 3 carbones en consommant l'énergie et le pouvoir réducteur fournis par les réactions photochimiques. Ces sucres servent de précurseurs pour la biosynthèse de sucres à 6 carbones qui constituent les unités de construction de l'amidon et pour régénérer le Ru di P. Lorsque l'éclairement est interrompu expérimentalement, on constate en effet que la concentration du sucre à 5 C chute, car il continue à être consommé sans être régénéré tandis que la concentration en APG augmente en conséquence pendant une dizaine de minutes. Ensuite, la concentration d'APG diminue car il est utilisé pour la formation d'hexoses mais n'est plus régénéré car il n'y a plus de Ru di P. 

Conclusion
Ainsi, les réactions de la phase photochimique dues à l'interaction entre la lumière et la chlorophylle dans les thylakoïdes fournissent du pouvoir réducteur arraché à l’eau sous l’action de l’énergie lumineuse qui sert à réduire le dioxyde de carbone dans le stroma des chloroplastes tout en le couplant à un sucre à 5 C. Une partie des sucres qui en résultent polymérisent en amidon, le reste régénère les intermédiaires. 
 


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