Préparation au bac 2003

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

Corrigé sujet 9 

(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)

Parenté entre les êtres vivants actuels et fossiles, phylogenèse, évolution 
D'après Asie, juin 2001

Le Chimpanzé est le grand singe avec lequel l’Homme est le plus étroitement apparenté. Ces deux primates partagent un ancêtre commun daté d’environ – 5 à – 6 millions d’années. L’hominisation est l’acquisition, à partir de cet ancêtre commun, de caractères propres à l’Homme. 
Exposez les arguments chromosomiques et moléculaires qui permettent d’établir cette étroite parenté et présentez les caractères morphologiques et anatomiques spécifiques à l’espèce humaine.

Corrigé

Introduction
La lignée humaine est considérée comme une des branches de l’arbre phylogénétique des primates ayant divergé de celle des grands singes à partir d’un ancêtre commun daté de 5 à 6 millions d’années (Ma). Cette divergence est la conséquence d’innovations génétiques détectables au niveau moléculaire accompagnées de modifications chromosomiques. Elles ont entraîné des modifications morphologiques et anatomiques caractéristiques avec des conséquences remarquables (langage articulé, outils, organisation sociale). Le chimpanzé n’a pas subi une telle évolution et ses caractéristiques morpho-anatomiques sont plus proches de celles de l’ancêtre commun. Nous examinerons successivement ces différents points.

Arguments moléculaires
Toutes les molécules informatives apportent des arguments prouvant la parenté de l’homme et des grands singes, en particulier du chimpanzé, le plus proche génétiquement. On estime en effet à plus de 98 % l’identité génétique entre homme et chimpanzé et le séquençage des génomes devrait permettre de connaître très précisément cette valeur. Une telle similitude génétique se traduit dans les protéines. L’homme et le chimpanzé expriment un répertoire protéique quasi identique comme le montre l’électrophorèse de liquides biologiques (sang) ou d’extraits de tissus. Il s’agit de protéines homologues (hémoglobine, enzymes, etc.), c'est à dire issues d'une même molécule ancestrale, qui présentent un degré élevé d’homologie de séquences. En outre, la distance immunologique est faible entre les deux espèces. C’est à dire que les réactions immunitaires croisées sont moins intenses entre homme et chimpanzé qu’avec tout autre primate. Il existe donc une très forte identité moléculaire entre les deux lignées. Les faibles différences entre les séquences des protéines homologues montrent que les gènes correspondant ont accumulé peu de mutations différentes en raison de la courte durée d’évolution depuis que les mêmes gènes ont été hérités de l’ancêtre commun. 

Les enseignements des caryotypes
L’examen des caryotypes, photographie ordonnée des chromosomes, montre que le nombre diploïde de chromosomes est de 48 chez le Chimpanzé et de 46 chez l'Homme. L’aspect des chromosomes lorsqu’ils sont colorés par bandes montre que l’un des chromosomes humains résulte de la fusion de deux chromosomes de Chimpanzé en un seul. D'autre part, plus de la moitié des chromosomes sont identiques chez les deux espèces et les autres résultent pour la plupart de simples remaniements de segments homologues parfaitement identifiables par la coloration des bandes. C’est un exemple du « bricolage » réalisé au cours de l'évolution, les  mêmes éléments étant arrangés différemment chez des espèces proches. Ainsi, des modifications majeures conduisant à une nouvelle lignée ayant connu un grand succès évolutif ne correspondent pas nécessairement à des différences génétiques majeures. Les différences morpho-anatomiques entre les deux espèces sont d’ailleurs limitées comme on va le voir.

Caractères morphologiques et anatomiques spécifiques
Les deux traits majeurs de l’hominisation sont la bipédie et le développement du cerveau.
Station bipède 
Contrairement au chimpanzé qui utilise deux modes de locomotion hérités de l’ancêtre commun, la brachiation dans les arbres et une marche quadrupède sur le sol, l’homme a une station bipède. Le chimpanzé est capable de se tenir debout momentanément, mais il ne peut pas maintenir cette position. La bipédie est liée aux caractéristiques du squelette marqué par une colonne vertébrale à 4 courbures, une structure élargie du bassin, les articulations du fémur avec le bassin et avec le genou assurant une posture verticale et le pied supportant tout le poids du corps et ayant en outre perdu son caractère préhensile. Ces caractéristiques permettent la station debout, la marche et la course. Elles s’accompagnent d’une position du trou occipital déplacée vers l’avant par rapport au chimpanzé et de membres de longueur différente (longues jambes, bras plus courts). La main est ainsi libérée de la locomotion. 

Volume cérébral
L’homme est caractérisé aussi par un cerveau beaucoup plus gros que celui du Chimpanzé (1500 cm3 contre 450 cm3). Cet accroissement, progressif au cours de l'histoire humaine, est parallèle à une réduction du prognathisme et a été à l’origine de bien d’autres caractéristiques humaines, notamment la culture. Une des caractéristiques essentielles de l’homme est en effet sa capacité à fabriquer des outils et à transmettre son savoir-faire au cours des générations. Ceci n’a été possible qu’en raison du développement d’un langage articulé, autre caractéristique humaine liée notamment à une anatomie particulière du larynx et élément essentiel de la vie sociale. 

Conclusion
L’homme et le chimpanzé sont étroitement apparentés comme le montre leur quasi identité génétique et chromosomique. Pourtant, même si les différences morphologiques et anatomiques qui les séparent, bipédie et développement du cerveau, sont quantitativement mineures, elles ont eu des conséquences majeures comme le langage, la pensée logique et la culture. 

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

Procréation 
D'après Asie, juin 2001

Chez les femmes, le début de chaque cycle est marqué par l’apparition des règles. 
En vous appuyant sur l’analyse des résultats expérimentaux du document 2, expliquez les phénomènes hormonaux qui assurent la reprise d’un cycle ovarien (partie encadrée du document 1).

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Corrigé

Introduction
Chaque nouveau cycle ovarien commence quand apparaissent les règles. En effet, celles-ci sont la conséquence de l’effondrement de la muqueuse utérine qui se produit si aucun embryon ne s’y développe et qui marque le début d'un nouveau cycle utérin. 

Modifications  hormonales en fin de cycle
Le document 1 montre l’évolution de la sécrétion des hormones hypophysaires et ovariennes au cours d’un peu plus de deux cycles. À la fin de la phase lutéale du cycle, à partir de J23, par exemple, on constate que la concentration des gonadostimulines hypophysaires, FSH et LH, tend vers une valeur minimale, environ 8 mIU.mL-1 atteinte à J26 pour la FSH et à J27 pour LH. En même temps la concentration en hormones ovariennes, œstradiol et progestérone, tend vers zéro. Dès le dernier jour du cycle, on observe une reprise de la sécrétion des gonadostimulines qui se poursuit pendant les premiers jours de la phase folliculaire pour atteindre quelque 15 mIU.mL-1 vers J9. La simultanéité de l’arrêt des sécrétions ovariennes et de la reprise des sécrétions hypophysaires se répète à chaque cycle ovarien. On peut penser qu’il y a une relation de cause à effet entre les deux.

Origine hormonale de la reprise des gonadostimulines
On sait que les hormones ovariennes, la progestérone mais aussi des concentrations modérées d’œstradiol, exercent une rétroaction négative sur l’activité de l’axe hypothalamo-hypophysaire. Or, à la fin du cycle, leur concentration chute ce qui pourrait expliquer la reprise de l’activité de sécrétion de FSH et LH par l’hypophyse en raison de la levée de l’inhibition. Le document 2 en apporte la preuve expérimentale. On supprime le corps jaune trois jours avant la fin d’un cycle et on le remplace dans un lot d’animaux par un implant de progestérone et dans un autre lot par un implant vide. On constate dans le premier cas une sécrétion très faible de LH (environ 1 ng.mL-1) associée à un niveau de progestérone de 4 ng.mL-1 dû à l’implant tandis que, quand la capsule est vide, la chute de la concentration en progestérone due à l'ablation du corps jaune s’accompagne d’une augmentation rapide de LH jusqu’à 5 ng.mL-1 en deux jours. Ceci confirme que la reprise de la sécrétion de LH est due à la chute de la progestérone. En fait, il en est de même pour la FSH et l’œstradiol dont les profils de sécrétion sont similaires à ce stade. Ainsi, que ce soit expérimentalement (ablation du corps jaune) ou physiologiquement (involution du corps jaune à la fin du cycle), la chute de la sécrétion de progestérone induit la reprise de la sécrétion des gonadostimulines.

Conclusion
La reprise d’un cycle ovarien au moment des règles est donc provoquée par la levée de l’inhibition exercée jusqu’à ce moment par les hormones ovariennes sur l’axe hypothalamo-hypophysaire. Lorsque le corps jaune involue en raison de la diminution de la sécrétion de LH, il cesse de sécréter de la progestérone. Il en résulte une reprise d’activité de l’axe hypothalamo-hypophysaire avec sécrétion de Gn-RH hypothalamique et de gonadostimulines hypophysaires. Un nouveau follicule est dès lors activé entamant un nouveau cycle.
 
 

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

Histoire de la Terre
d'après Amérique du Nord, juin 2000 (4 points)

Les coupes du Crétacé-Paléocène de la côte basque française (Bidart et Loya), montrant des séries de roches marneuses et calcaires, sont considérées comme les plus complètes en Europe. Ces roches contiennent de nombreux fossiles de taille inférieure à 50 micromètres, les nannofossiles. La plupart des nannofossiles font partie du groupe des Coccolithophoridés. 
Par la confrontation des documents, discutez la pertinence des informations apportées par ces fossiles pour établir une limite géologique. 

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Corrigé

Introduction
Les microorganismes fossiles constituent de bons fossiles stratigraphiques quand ils sont abondants, présentent une vaste aire de répartition et quand les espèces ont une extension limitée dans le temps. Dans ces conditions, ils peuvent être utilisés pour établir des corrélations stratigraphiques. Est-ce le cas des nannofossiles comme les Coccolithophoridés de la côte basque ?

Les Coccolithophoridés, des fossiles stratigraphiques ?
Le document 3 présente les Coccolithophoridés. Il s'agit d'algues unicellulaires d'une dizaine de micromètres de diamètre. Elles appartiennent au phytoplancton marin et puisqu'elles sont transportées passivement par les courants océaniques, elles occupent de vastes aires de répartition. À leur mort, les plaques calcaires dont elles sont couvertes, les coccolithes, peuvent s'accumuler au fond de la mer en épaisses formations sédimentaires. Les dépôts de coccolithes constituent la craie, dans laquelle la succession des espèces est enregistrée. Le document 1 montre de plus que les espèces de Coccolithophoridés présentées ont une extension dans le temps limité. L'ensemble de ces caractères en font de bons fossiles stratigraphiques.

L'établissement d'une limite géologique
La colonne stratigraphique de la série de Bidart présentée dans le document 2 montre que la limite Crétacé-Paléocène, qui marque la transition entre l'ère secondaire et l'ère tertiaire, est caractérisée par une modification de la sédimentation. Le dernier étage du Crétacé, le Maastrichtien, est caractérisé par des marnes puis par une abondante sédimentation de plateforme, marno-calcaire. Brusquement, elle est suivie d'un fin dépôt d'argile marquant l'arrêt de la sédimentation calcaire, donc une chute du nombre de microorganismes. Dès le début du Danien, des conditions nouvelles se traduisent de nouveau par une sédimentation marno-calcaire. Ainsi, aux transitions des couches géologiques sont associées des variations du niveau de la mer traduisant des modifications climatiques. Elles peuvent être également corrélées à la disparition d'espèces vivantes, notamment les nannofossiles comme les Coccolithophoridés, justifiant leur utilisation pour compléter les données lithologiques dans l'établissement d'une limite géologique. Le document 1 montre en effet que de nombreux fossiles disparaissent simultanément des couches sédimentaires à la fin du Maastrichtien, il y a 65 Ma, et que les quelques espèces restées présentes au Danien donnent naissance à des espèces nouvelles. La disparition simultanée d'un grand nombre d'espèces corrélée au changement de sédimentation confirme qu'un changement majeur s'est produit à cette époque. Comme on le retrouve sur toute la planète, cela permet de considérer cette période comme une limite géologique.

Conclusion
Les limites des couches géologiques sont établies sur des critères lithologiques et paléontologiques (modification de la sédimentation, disparition et apparition d'espèces) qui marquent des coupures dans l'histoire de la Terre. Les traces fossiles laissées dans les roches par des organismes planctoniques à vaste aire de répartition comme les Coccolithophoridés permettent en outre une datation relative précise sur une vaste surface.
 


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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 Polynésie française, septembre 2000

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

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Corrigé

Introduction
Le rayonnement solaire absorbé par la planète est réémis sous forme de rayonnement infrarouge. Ce dernier est piégé par l'atmosphère de notre planète ce qui provoque son échauffement. C'est l'effet de serre. Les gaz qui absorbent le rayonnement infrarouge, comme le dioxyde de carbone, contribuent à l'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 cette dernière peut aussi influencer les flux de dioxyde de carbone.

Document 1
Le document 1 présente en parallèle les variations de la température de l’atmosphère et de sa concentration 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’atmosphère dépend de sa teneur en dioxyde de carbone mais aussi si la teneur de l’atmosphère en dioxyde de carbone dépend de la température de l’air. Examinons la première hypothèse. 

Document 3
On sait 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, ces gaz atmosphériques qui piègent le rayonnement infrarouge émis par l’atmosphère et le sol chauffés par 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 aussi en partie de la température de surface des océans et que la teneur de l’atmosphère en dioxyde de carbone n’est qu’une conséquence du dégazage océanique. 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 qu’elles entraînent sur le dégazage des océans. Dans les corrélations entre les phénomènes passés, il est souvent difficile de distinguer causes et conséquences.

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