Préparation au bac 2003

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

Corrigé sujet 3 

(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)

Immunologie
D'après sujet national, juin 2001, I

Montrez comment les cellules ayant phagocyté un antigène étranger à l'organisme déclenchent une réaction immunitaire aboutissant à la formation de complexes antigène-anticorps.
L'exposé sera illustré de schémas.

Corrigé

Introduction
Les réactions immunitaires acquises se déclenchent lorsqu’un antigène est détecté par une cellule spécialisée à la surface d’une cellule présentatrice d’antigène (CPA) qui l’exprime. À la suite de cette phase d’induction se produit une phase de stimulation des cellules effectrices. Dans le cas des réponses à médiation humorale qui impliquent la production d’anticorps, molécules effectrices formant avec les antigènes des complexes immuns détruits  ensuite par phagocytose, le déclenchement de la réponse résulte de l’activation de lymphocytes B (LB) à l’origine de plasmocytes sécréteurs d’anticorps. Cette activation est due à des messagers chimiques produits notamment par des lymphocytes T4 (LT4) et par des CPA. Nous examinerons les différents étapes de ce mécanisme jusqu’à la formation des complexes immuns entre antigènes et anticorps.

Présentation de l’antigène
La phase d'induction commence lorsque des phagocytes comme les macrophages, ayant phagocyté et digéré des éléments étrangers portant des antigènes (bactéries par exemple), rencontrent dans les organes lymphoïdes secondaires (ganglions lymphatiques) des cellules immunocompétentes capables de reconnaître par leur récepteur spécifique un déterminant antigénique (épitope) qu’elles leur présentent. En effet, les macrophages expriment, en association avec les molécules du CMH, les déterminants antigéniques issus des produits de la phagocytose. Les lymphocytes T4 auxiliaires (LT4) qui sont capables de se lier à l’antigène présenté par la CPA sont sélectionnés (sélection clonale).

Stimulation des LT4 et des LB
La liaison entre LT4 et CPA aboutit à la sécrétion par ces dernières de messagers chimiques, les cytokines (interleukines notamment) qui stimulent les LT4 sélectionnés. Les LT4 répondent à ces messages en proliférant et en sécrétant eux mêmes des cytokines. Ces dernières agissent sur des lymphocytes B. Toutefois, seuls les LB reconnaissant le même antigène que les LT4 sont stimulés. D’autre part, certains LT4 se transforment en lymphocytes mémoire. 

La production des anticorps
La stimulation des LB provoque leur prolifération, leur différenciation en plasmocytes et la production d’anticorps. Ce sont ces derniers qui, en se liant aux antigènes, vont former des complexes antigène anticorps permettant de les neutraliser car ils ont la même spécificité que les cellules à l’origine de la réponse. 
Le schéma ci-dessous résume l’ensemble de ces phénomènes.


Mécanismes de la production d'anticorps
Conclusion
Ainsi, les CPA ayant phagocyté un antigène étranger sont capables de déclencher une réponse aboutissant à la formation de complexes antigène anticorps selon une cascade d’interactions cellulaires par voie essentiellement chimique intéressant CPA, lymphocytes T4 et B.
Toutefois, la réponse immunitaire humorale ne se termine pas avec la formation des complexes antigène anticorps qui doivent être éliminés de l’organisme. Cette fonction est assurée également par des cellules phagocytaires comme les macrophages mais aussi les granulocytes.

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

Parenté entre les êtres vivants actuels et fossiles 
D'après sujet national, juin 2001, II

A partir des documents et des connaissances qui s'y rapportent, retrouvez les arguments en faveur de l'évolution des espèces ainsi que les mécanismes génétiques à l'origine de cette évolution.

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Corrigé

Introduction
De nombreux arguments depuis l’échelle moléculaire jusqu’à celle des organismes et des populations accréditent l’idée d’évolution. Les documents présentés illustrent notamment l’évolution des vertébrés à partir de l’anatomie comparée et à partir de l’évolution d’une famille d’hormones polypeptidiques. Comme une protéine est codée par un gène, l’étude de l’évolution moléculaire est révélatrice des mécanismes génétiques en cause.

L’évolution des espèces
Le document 1 présente le squelette du membre antérieur de six vertébrés, deux fossiles et quatre actuels. Il montre que chez chacun d’eux, le squelette du membre est formé des mêmes pièces osseuses, humérus, radius et cubitus, main. Toutefois, la forme et l’agencement des os varient selon l’espèce considérée. Bien qu’assurant des fonctions différentes, nage chez le poisson, vol chez l’archæoptéryx et l’oiseau, locomotion chez l’amphibien et le reptile, préhension chez l’homme, il s’agit d’organes homologues car ils sont formés des mêmes pièces ayant la même origine embryonnaire. Communs à tous les vertébrés tétrapodes actuels, ils montrent que ces derniers ont un ancêtre commun disparu dont le membre antérieur comportait déjà les mêmes os. Ce type de membre est apparu chez des poissons et a ensuite évolué différemment chez les amphibiens, les reptiles, les oiseaux et les mammifères. Ainsi, les espèces actuelles dérivent des espèces plus anciennes au cours de l’évolution et les vertébrés tétrapodes actuels descendent d’un poisson chez lequel les membres typiques de ce groupe sont apparus. En outre, une telle radiation évolutive est rendue possible parce que le même plan d’organisation se prête à de nombreuses variations permettant des fonctions différentes (vol, nage, etc.).
Si les structures anatomiques évoluent au cours de l’évolution, c’est qu’il en est de même des gènes. Le document 2 illustre ainsi l’évolution moléculaire.

Mécanismes génétiques
Le document 2 présente la structure primaire (séquence) de trois hormones polypeptidiques des vertébrés, la vasotocine, l’ocytocine et la vasopressine (ADH). Leur séquence est très proche puisque sur neuf acides aminés il n’y a qu’un seul acide aminé qui diffère entre la vasotocine et les deux autres. Cette similitude de séquence est interprétée comme le signe d’une origine commune de ces molécules et des gènes qui les codent. En outre, le tableau du document montre que la vasotocine est la plus ancienne des trois, apparue chez les poissons osseux où elle est seule présente. L’ocytocine et la vasopressine résulteraient d’une duplication du gène de la vasotocine. L’ocytocine, présente chez les amphibiens apparus il y a 360 Ma date donc de cette époque tandis que la duplication du gène ayant abouti à l’ADH, présente chez les mammifères date de 200 Ma. Les séquences montrent que c’est le gène de la vasotocine qui a été dupliqué deux fois car l’ocytocine et l’ADH ne diffèrent chacune de la vasotocine que par un seul acide aminé et donc que leurs gènes ne diffèrent que par un seul codon. Comme les mutations réverses sont rares, on en déduit que les gènes de l’ocytocine et de la vasopressine résultent d’une duplication du gène de la vasotocine sur deux autres chromosomes suivie dans chaque cas d’une mutation différente, la première datée de l’apparition des amphibiens, la seconde de celle des mammifères. Ce mécanisme d’évolution des gènes est connu aussi pour d’autres protéines, par exemple les hémoglobines. De tels mécanismes d’évolution génétique peuvent notamment expliquer la complexification du génome au cours de l’évolution. En effet, les gènes dupliqués peuvent évoluer indépendamment aboutissant à de nouvelles protéines sans que les fonctions de la protéine initiale soient modifiées.

Conclusion
Ainsi, non seulement les documents accréditent l’idée de parentés entre espèces différentes et d’évolution biologique mais ils montrent en outre que des mécanismes génétiques peuvent expliquer l’origine d’innovations majeures au cours de l’évolution.

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

Procréation
D'après sujet national, juin 2001, III

A partir de la mise en relation des informations apportées par les documents, discutez de la diversité des effets du microprogestatif employé par Madame A et par Madame B comme moyen de contraception.

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Corrigé

Introduction
Les microprogestatifs constituent une classe de contraceptifs chimiques caractérisés par leur faible dosage en progestatif de synthèse. La comparaison des informations tirées des documents 2 et 3 présentant l’effet de la prise quotidienne de norgestriénone sur divers paramètres du cycle de deux femmes avec celles tirées du document 1 présentant les mêmes paramètres en absence de contraception chimique va nous permettre de montrer que le microprogestatif peut agir sur différentes cibles pour exercer son action contraceptive. 

Document 1
Le document 1 va nous servir de référence car il présente les variations de quelques paramètres d’un cycle normal chez les deux femmes en l’absence de contraception chimique. Il montre que le cycle normal est caractérisé par un profil de sécrétion des hormones ovariennes présentant un pic d’œstrogènes dépassant 150 pg.mL-1 juste avant le milieu du cycle et une importante sécrétion de progestérone pendant la deuxième moitié du cycle qui dépasse 30 ng.mL-1 vers le vingt et unième jour. Ceci montre qu’il y a eu ovulation puisqu’une importante sécrétion de progestérone ne peut résulter que de la formation d’un corps jaune. En outre, le document indique que le développement de l’endomètre est normal, permettant ainsi la nidation. Enfin, les données relatives à la glaire cervicale sont caractéristiques d’un cycle normal. La glaire dont le volume varie de 0,2 à 0,4 mL est dense pendant les phases pré et postovulatoire et devient lâche au moment de l’ovulation. En conséquence, la vitesse de progression des spermatozoïdes dans la glaire cervicale qui est nulle lorsque la glaire est dense atteint 40 mm/15 min au moment de l’ovulation rendant ainsi possible la rencontre des gamètes.
Ainsi, tant chez la femme A que chez la femme B, les différents paramètres du cycle sont normaux et la fécondation est possible. Il n’en est pas de même lors de la prise d’un microprogestatif comme le montrent les documents 2 et 3.

Document 2
Le document présente les variations des paramètres précédents lorsque la femme A prend quotidiennement 350 µg de norgestriénone. Pendant tout le cycle, on constate une faible sécrétion d’œstrogènes, autour de 50 pg.mL-1, et l’absence du pic préovulatoire et, pendant la seconde partie du cycle, une faible sécrétion de progestérone atteignant au maximum 8 ng.mL-1. Ces sécrétions hormonales très inférieures aux sécrétions mesurées lors d’un cycle normal montrent que l’ovulation n’a pas eu lieu. En effet, l’absence de pic d’œstrogènes va entraîner l’absence de la décharge ovulante de LH qui déclenche normalement l’ovulation ce que confirme la faible sécrétion de progestérone qui traduit l’absence de formation d’un corps jaune fonctionnel. Ainsi, chez la femme A, la prise de 350 µg/jour de norgestriénone conduit à un cycle anovulatoire ce qui assure la contraception. En outre, le document 2 montre que la prise du microprogestatif se traduit également par un développement perturbé et insuffisant de l’endomètre. Cet effet empêcherait également une grossesse éventuelle puisque le bon développement de la muqueuse utérine est indispensable pour que la nidation puisse avoir lieu. Enfin, le document montre que la prise quotidienne du microprogestatif a aussi un effet sur la glaire cervicale qui reste dense pendant tout le cycle et rend ainsi impossible la progression des spermatozoïdes dans les voies génitales. Ainsi, chez la femme A, les effets du microprogestatif s’exercent à plusieurs niveaux. Ils rendent impossible non seulement la pénétration des spermatozoïdes dans les voies génitales mais aussi la nidation et l’ovulation. Il n’en est pas exactement de même chez la femme B.

Document 3
Le document montre le profil des hormones ovariennes de la femme B caractérisé par un pic préovulatoire d’œstrogènes de quelque 175 pg.mL-1 et une importante sécrétion de progestérone en phase postovulatoire atteignant 30 ng.mL-1 ce qui correspond aux valeurs normales observées en l’absence de contraception. Ceci montre que chez la femme B le microprogestatif n’empêche pas l’ovulation puisque le pic d’œstradiol est susceptible de provoquer le pic ovulatoire de LH et qu’en outre l’importante sécrétion de progestérone montre qu’un corps jaune s’est formé. Toutefois, le traitement permet quand même la contraception car les effets sur l’endomètre et sur la glaire cervicale sont similaires à ceux observés chez la femme A. Ainsi, même si un ovocyte fonctionnel est libéré au moment de l’ovulation, il ne pourra pas rencontrer de spermatozoïdes puisque la glaire cervicale reste dense et, même si c’était le cas, la nidation resterait impossible en raison du développement perturbé et insuffisant de l’endomètre.

Conclusion
Ces résultats montrent que les effets de la prise quotidienne de 350 µg de norgestriénone peuvent s’exercer à plusieurs niveaux et peuvent être différents selon les femmes. Si la contraception est de toute façon assurée chez les deux femmes par le développement insuffisant de l’endomètre et par la barrière opposée aux spermatozoïdes par l’état de la glaire cervicale, il peut aussi s’y ajouter une inhibition de l’ovulation comme ce qu’on observe chez la femme A.

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

Du passé géologique à l'évolution future de la planète 
D'après Polynésie, juin 2001, III (spécialité)

On se propose de reconstituer les conditions climatiques dans lesquelles l’Homme a évolué au cours du Quaternaire.
Exploiter les documents pour reconstituer l’évolution probable du climat dans l’Est de la France au cours de la période du Quaternaire considérée.

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Corrigé

Introduction
On reconstitue l’évolution des climats au cours des temps géologiques en exploitant des données de diverses origines. Nous essayerons ainsi de reconstituer l’évolution du climat de – 360 000 ans à l’actuel, période terminale de l’ère Quaternaire, en utilisant des données paléontologiques, géologiques et polliniques. Le document 2 va nous permettre d’esquisser les grands traits de l’évolution climatique sur l’ensemble de la période. Le document 3 nous permettra de préciser certains événements des 100 000 dernières années tandis que le document 1 concerne les 10 000 dernières années. On peut noter qu’au cours de cette période plusieurs hominidés ont laissé des traces fossiles en Europe comme Homo erectus, H. sapiens neanderthalensis, H. sapiens sapiens.

Document 2
Le document 2 présente des fossiles de mammifères découverts près de Strasbourg dans des terrains quaternaires constitués principalement de lœss qui s’est déposé de – 360 000 à l’actuel avec d’autres dépôts notamment d’origine fluviatile (limons). Le lœss est constitué de particules minérales très fines transportées par le vent notamment dans les steppes périglaciaires. La succession de faunes de climats froids et de climats tempérés et chauds pendant cette période reflète les changements climatiques. De – 360 000 à – 300 000 ans, dans le lœss ancien inférieur, on observe des fossiles qui témoignent d’une faune de mammifères de climats tempérés et chauds, rhinocéros de Merck, cerf, sanglier. Le climat était donc tempéré à chaud. Toutefois, à la fin de la période, l’apparition de Elephas trogontherii animal de climat froid montre que le climat a dû se refroidir. En effet, de – 300 000 à – 120 000 ans, c’est une faune de climats froids qui est présente avec le mammouth et E. trogontherii. Un bref intermède de réchauffement se produit durant les 20 000 années suivantes avec un foisonnement d’espèces de climats tempérés et chauds puisque toutes les espèces indicatrices de ces climats sont présentes. Le froid revient vers – 100 000 ans à la limite lœss ancien moyen et lœss ancien supérieur avec de nouveau le mammouth, E. trogontherii et l’apparition du renne. Il persiste ensuite jusqu’à – 10 000 où le retour de l’auroch du cerf et du sanglier témoigne de l’installation d’un climat chaud ou tempéré tel le climat actuel.

Document 3
Le document 3 permet de préciser par des indices géologiques l’avancement des glaciers au cours de la période – 100 000 à  - 10 000 ans. Le profil géologique tracé le long du flanc ouest des Vosges montre que les glaciers se sont avancés jusqu’à une altitude de quelque 600 m, alors que l’on n’en trouve aujourd’hui qu’à une altitude beaucoup plus élevée sous notre climat. Les glaciers ont dû descendre du Hohneck d’est en ouest compte tenu de son altitude (1362 m). Ceci s’est produit à deux reprises une fois jusqu’à 7,5 km, une autre fois jusqu’à 15 km. Ces données confirment les informations apportées par les fossiles de mammifères. Le Würm, de – 100 000 à – 10 000 était une époque glaciaire.

Document 1
Le diagramme pollinique permet de préciser l’évolution du climat pendant les 10 000 dernières années dans les Vosges dont les informations du document 1 montrent qu’il s’agissait d’une période chaude à tempérée. En effet, l’abondance relative des pollens d’arbres aux exigences climatiques différentes est, comme celle de fossiles d’animaux, indicatrice des climats passés. À Sewen, on observe que de – 10 000 à – 9 000 ans les bouleaux d’abord les plus abondants ont été remplacés progressivement par des pins dont la fourchette de tolérance thermique est de 1 °C plus élevée, indiquant un léger réchauffement. Puis, vers – 7 700,  ans l’apparition successive du noisetier et du chêne dont le minimum thermique est supérieur de 3 °C à celui du pin et le maximum supérieur de 2 °C indique un réchauffement qui a duré jusqu’à environ – 2 000 ans. Leur diminution puis l’augmentation du hêtre à partir d’environ – 2 000 ans jusqu’à l’actuel indique un léger refroidissement correspondant au climat tempéré actuel puisque les pollens actuels présentent les mêmes proportions.

Conclusion
De – 360 000 ans jusqu’à l’actuel, le climat a changé à plusieurs reprises. Des périodes tempérées ou chaudes attestées par les faunes de mammifères ont alterné avec des périodes froides. Entre – 100 000 et – 10 000, l’avancée des glaciers et la présence de mammifères de climats froids témoignent d’une période glaciaire. De – 10  000 jusqu’à l’actuel, le climat s’est progressivement réchauffé comme le montrent les faunes et les pollens, ces derniers indicateurs permettant de préciser que la période la plus chaude s’est produite de – 5 800 à – 2 000 ans avant que ne s’installe le climat actuel.

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