Préparation au bac 2003

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

Corrigé sujet 12

(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)


Méiose et fécondation ; stabilité et variabilité des génomes ; évolution
D'après centres étrangers groupe 1, juin 2001

En vous appuyant sur un exemple de cycle biologique, montrez comment est assuré le maintien de la formule chromosomique d’une génération à l’autre chez un organisme diploïde. 
Votre exposé sera illustré de schémas explicatifs en choisissant, pour simplifier, 2n = 6.

Corrigé

Introduction
On appelle cycle biologique la succession des étapes suivies par les organismes depuis la formation de l'œuf jusqu'à l'état adulte caractérisé par la production de gamètes à l’origine d’une nouvelle génération. Chaque espèce possède une formule chromosomique déterminée qui, chez les organismes diploïdes, comporte un nombre pair de chromosomes symbolisé par la formule 2n. Après avoir présenté le cycle biologique des mammifères, nous montrerons dans le cas d’une formule chromosomique 2n = 6 que le nombre de chromosomes est maintenu constant au cours des générations par deux mécanismes complémentaires, la méiose qui assure la production de gamètes haploïdes et la fécondation qui rétablit l’état diploïde dans l’œuf.

Un exemple de cycle biologique
Chez les mammifères, tous les individus sont formés de cellules diploïdes issues par mitoses de l’œuf ou zygote dont le noyau comporte 2n chromosomes, homologues deux à deux. En effet, les chromosomes du zygote proviennent pour moitié du gamète mâle et pour moitié du gamète femelle qui sont des cellules haploïdes, c’est à dire à n chromosomes. Au cours de la vie d'un mammifère on peut donc distinguer deux phases successives, une phase haploïde, représentée par les gamètes et une phase diploïde qui commence avec la formation de l’œuf. La transition entre diplophase et haplophase se fait lors de la méiose, mécanisme assurant la réduction de moitié du nombre de chromosomes dans les gamètes tandis que la transition entre haplophase et diplophase se fait lors de la fécondation qui se termine par la fusion des noyaux des gamètes rétablissant ainsi l’état diploïde dans l’œuf. 
Le schéma ci-dessous résume le cycle biologique d'un mammifère.


 
Les deux événements fondamentaux qui permettent de maintenir la formule chromosomique au cours des générations sont donc la méiose et la caryogamie dont nous allons examiner maintenant les modalités.

La fécondation
Si toutes les cellules d’un mammifère à l’exception des gamètes comportent 2n chromosomes, c’est parce qu’elles dérivent toutes de l’œuf, cellule à 2n chromosomes formée lors de la fécondation par la fusion cytoplasme à cytoplasme et noyau à noyau de deux gamètes haploïdes selon le schéma ci-dessous.


 
Si les gamètes provenaient de l’œuf par de simples mitoses, ils comporteraient 2 n chromosomes et le nombre de chromosomes doublerait à chaque génération. Mais il existe un mécanisme compensateur, la méiose, qui conduit à la réduction par deux du nombre de chromosomes dans les gamètes. Ainsi, la fécondation se produit entre cellules haploïdes et rétablit l’état diploïde dans l’œuf. 

Méiose
La méiose se déroule dans les gonades lors de la gamétogenèse. Au cours de la méiose, une cellule diploïde donne naissance à quatre cellules haploïdes à la suite de deux divisions cellulaires précédées d'une seule synthèse d'ADN. La première division de la méiose est réductionnelle : elle fait passer le nombre de chromosomes de 2 n 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 la phase S 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. Ainsi, les cellules formées ne comportent que n chromosomes. 
La figure ci-dessous montre l'évolution des cellules et des chromosomes contenus dans les noyaux au cours de la méiose.

Conclusion
Le maintien de la formule chromosomique au cours du cycle biologique des mammifères et des autres organismes à phase diploïde prédominante résulte de la succession de deux phénomènes, la méiose qui divise par deux le nombre de chromosomes et assure la formation de gamètes haploïdes et la fécondation qui rétablit l’état diploïde lors de la formation de l’œuf à l’origine d’un nouvel organisme.

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

Histoire de la Terre 
D'après Inde, Avril 2000

Identifier une crise biologique suppose que l'on repère dans les couches géologiques des modifications synchrones affectant, sur l'ensemble du globe, les espèces du milieu continental et du milieu marin. 
Relevez de tels faits rapportés dans le document proposé et expliquez pourquoi on peut parler de crise Crétacé-Paléocène.

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Corrigé

Introduction
On parle de crise biologique quand des indices existent dans les couches géologiques d'une disparition massive d'espèces, à l'échelle mondiale et dans différents milieux, ce qui suppose de profonds changements écologiques, rapides à l'échelle des temps géologiques puisque ne laissant pas aux espèces affectées le temps de s'adapter. L'histoire de la Terre a été marquée par de nombreuses crises biologiques à l'issue desquelles diverses espèces ont disparu tandis que de nouvelles prenaient leur place en se diversifiant à partir des espèces survivantes. La crise Crétacé-Paléocène en est un exemple dont nous rechercherons les indices dans le document.

Analyse du document
Des sites géographiquement différents montrent des indices de changements écologiques majeurs au même moment, à la limite Crétacé-Paléocène. Ainsi, dans le Nord de l'Amérique (Dakota) et dans le Sud de l'Europe (Espagne), un changement de sédimentation intervient à la même période. En Espagne, une couche d'argile remplaçant des sédiments riches en carbonates d'origine biologique est l'indice d'une chute de la productivité biologique due à la disparition de micro-organismes marins comme les Foraminifères. Dans le Dakota, la présence d'une couche de charbon intercalée entre des sédiments crétacés de plaine côtière et des sédiments marins atteste, elle aussi, d'un changement écologique important et de variations du niveau de la mer. En effet, les deux régions seront recouvertes simultanément par la même mer au début du Paléocène car une même espèce de Foraminifères, Globigerina pseudobulloïdes, a été fossilisée dans les deux sites. Ceci suppose l'existence d'une transgression marine puisque l'un des deux sites était continental avant la fin du Crétacé. D'autre part, certaines espèces de Foraminifères ont survécu à la crise et se répandent sur de grandes distances.
Le document montre également que la crise a affecté à la fois le milieu continental et le milieu marin. En milieu continental, les Triceratops du Dakota disparaissent après la limite Crétacé-Paléocène. De plus, aucun fossile de Dinosaure postérieur au Crétacé n'est connu. Un groupe entier de Vertébrés a donc disparu. Le milieu marin est lui aussi affecté puisque de nombreux Foraminifères, animaux planctoniques, disparaissent à la même période. En outre, la sédimentation carbonatée cesse à la limite Crétacé-Tertiaire où elle est remplacée par des argiles, comme on l'a vu, traduisant l'impact dramatique des changements écologiques, le milieu marin présentant en général des variations plus lentes que le milieu continental. La sédimentation calcaire ne reprendra qu'au Paléocène. Enfin, on sait que le changement de conditions a été relativement bref à l'échelle géologique même si aucun repère de temps n'est disponible sur le document.
Des changements de cette ampleur affectant les milieux les plus divers dans des régions éloignées de la planète supposent une variation brusque à l'échelle géologique des conditions écologiques subies par les organismes. En effet, bien que des extinctions se soient produites en permanence au cours de l'histoire de la vie, les extinctions massives sont des événements rares (une dizaine) et brefs.

Conclusion
Ainsi, des indices concordants montrent que s'est produite une crise biologique majeure à la limite Crétacé-Paléocène. Marquée par la disparition de 60 à 75 % des espèces vivantes, elle est considérée comme liée à des changements écologiques majeurs à l'échelle de la planète.

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


Parenté entre les êtres vivants actuels et fossiles, phylogenèse, évolution 
D'après centres étrangers, groupe 1, juin 2000

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.

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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 grands singes. 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 autres documents.

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'appui sur les bras lors de la marche. De même, chez l'australopithèque et chez 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. Cependant, son volume crânien n'était pas plus élevé que celui du chimpanzé et l'augmentation du volume cérébral n'est devenue notable qu'à partir de Homo habilis il y a quelque 2 Ma pour se poursuivre jusqu'à H. sapiens actuel avec environ 1 400 cm3.

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 aujourd'hui en même temps que se développait la culture (pierre taillée, feu, art).

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

Du passé géologique à l'évolution future de la planète
D'après centres étrangers, juin 2000

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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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 correspondantes. C'est le principe de l'actualisme. C'est ce principe que nous allons mettre en œuvre 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 et de cuire la nourriture. En outre, les grands mammifères dont on a retrouvé les restes fossiles sont caractéristiques d'un milieu ouvert, steppes et prairies, comme il en existe en milieu froid. 

Groupe H3
Le diagramme de répartition des proies des rapaces, connu par leurs pelotes de réjection, permet d'identifier 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 peut 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 caractéristique d’une zone de montagne. 

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.

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