CORRIGES

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SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE

- Série S -

Antilles - Guyane, juin 1998

Durée de l’épreuve : 3 h 30

Coefficient : 6 (enseignement obligatoire) ou 8 (enseignement de spécialité en SVT)



PARTIE I : (8 points)

Aspects du fonctionnement des centres nerveux

Expliquez comment naît et se propage le message nerveux en réponse à la stimulation physiologique d'un neurone sensitif.

Votre réponse sera illustrée de schémas clairs et légendés.



Avant de commencer

Choisissez un exemple précis et suivez le plan en deux parties indiqué dans le sujet.

Deux ou trois schémas sont nécessaires.



CORRIGE

Introduction

Pour étudier la naissance et la propagation du message nerveux dans un neurone sensitif stimulé, nous prendrons comme exemple le récepteur d'étirement du muscle, le fuseau neuromusculaire, dont la fibre sensitive est une dendrite de neurone en T. Ces neurones sensitifs transmettent les informations relatives à la longueur des muscles vers la moelle épinière qui les traite et ajuste la tension musculaire en conséquence (réflexe myotatique).

Naissance du message nerveux

Fuseau neuromusculaire

Les muscles striés comportent des récepteurs d'étirement spécialisés, les fuseaux neuromusculaires. Ils sont constitués de fibres musculaires particulières autour desquelles s'enroule une fibre nerveuse, prolongement dendritique d'un neurone en T dont le corps cellulaire est situé dans un ganglion spinal annexé à la racine dorsale d'un nerf rachidien (voir schéma 1).
 
 

Schéma 1 : fuseau neuromusculaire et fibre afférente

Transduction et potentiel de récepteur

Lorsque le fuseau est étiré à la suite du relâchement ou de l'allongement du muscle qui le contient, il y a dépolarisation de la membrane de la fibre nerveuse, ce qui peut produire un message nerveux capable de se propager le long de la fibre.

C'est la transduction : le potentiel transmembranaire de la fibre nerveuse fusoriale est modifié par la stimulation mécanique, la différence de potentiel entre l'extérieur et l'intérieur de la membrane étant d'autant plus élevée que la stimulation est plus importante. Ce potentiel de récepteur a pour caractéristiques d'être graduable en amplitude, sommable et non propageable. Si la valeur du potentiel atteint un seuil critique, le phénomène devient explosif et le potentiel atteint brièvement un pic positif avant de revenir plus lentement à sa valeur de repos (moins quelques dizaines de mV). C'est un potentiel d'action qui se propage alors le long de la fibre nerveuse. (voir schéma 2).
 
 

Schéma 2 : potentiels de récepteur

Propagation

Des potentiels d'action sont produits en permanence par le fuseau neuromusculaire, mais leur fréquence est d'autant plus élevée que la stimulation est plus forte. Ils sont propagés le long de la fibre dendritique du neurone ganglionnaire.

Un phénomène autorégénératif

Contrairement au potentiel de récepteur, les potentiels d'action se propagent sans diminution de leur amplitude. On dit qu'ils obéissent à la loi du tout ou rien. En effet, chaque potentiel d'action né au niveau du fuseau correspond à une brusque inversion du potentiel de membrane. A son voisinage, dans les zones non dépolarisées, la membrane présente des charges de signe opposé, ce qui conduit à la formation de courants locaux. Ces courants ont pour effet de dépolariser la membrane à proximité, provoquant l'inversion du potentiel de membrane et donc la propagation de proche en proche du potentiel d'action. Pour cette raison, on dit que le potentiel d'action est un phénomène autorégénératif.

Propagation saltatoire

Dans les fibres myélinisées, les courants locaux ne peuvent se fermer qu'entre deux nœuds de Ranvier successifs, seule région où la membrane du neurone n'est pas isolée par la myéline du milieu aqueux et conducteur qui l'entoure (schéma 3). Dans ces conditions, la propagation est plus rapide dans les fibres myéliniques que dans les fibres amyéliniques.
 
 

Schéma 3 : conduction saltatoire

Conclusion

Ainsi, la naissance et la propagation des messages nerveux mettent en jeu deux catégories de potentiels membranaires : potentiels de récepteur qui naissent au niveau des terminaison nerveuses fusoriales et potentiels d'action qui se propagent le long de la fibre nerveuse afférente. Les premiers sont des potentiels locaux non propageables, graduables et sommables ; les seconds sont des potentiels d'amplitude constante, propageables parce qu'autorégénératifs, dont la conduction est saltatoire dans les fibres myélinisées et qui sont codés en fréquence.


PARTIE II : (7 points)

Mécanismes de l'immunité

Expliquez l'évolution de la réponse immunitaire consécutive à la pénétration du VIH dans un organisme, en exploitant les documents proposés et en utilisant vos connaissances.

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Avant de commencer

Étudier les manifestations des réponses immunitaires (anticorps, lymphocytes T4) et distinguer différentes phases dans leur évolution en les mettant en relation avec les phases de l'infection.



CORRIGE

Introduction

Lors de la pénétration d'un antigène dans l'organisme, il y a stimulation du système immunitaire. Dans le cas du VIH (virus de l'immunodéficience humaine), l'infection finit par aboutir au SIDA (Syndrome d'immunodéficience acquise), maladie caractérisée par l'effondrement des défenses immunitaires conduisant à l'installation de maladies opportunistes variées. L'effondrement des défenses immunitaires est dû à l'action du virus sur le système immunitaire dont nous suivrons l'évolution à partir des informations tirées des documents.

Infection et réponse de l'organisme

Le document 2 présente l'évolution de trois paramètres lors d'une infection par le VIH : la quantité de virus dans l'organisme est un marqueur de la progression de l'infection, la concentration en anticorps anti-VIH et le taux sanguin de lymphocytes T4 (LT4) traduisent l'intensité de la réponse immunitaire et permettent de suivre l'évolution du système immunitaire. Même si l'évolution est progressive, nous la découperons en trois phases pour en faciliter l'étude.

Phases de l'infection et de la réponse immunitaire

L'infection montre trois phases de durées différentes que l'on peut définir à partir de l'évolution des paramètres précédents : une phase aiguë, d'une durée de quelques mois qui suit immédiatement la contamination par le virus, une phase asymptomatique qui peut durer plusieurs années (5 ans dans l'exemple présenté) et pendant laquelle le patient ne présente pas de signes cliniques apparents et enfin une phase de SIDA déclaré au cours de laquelle on observe le développement de maladies opportunistes.

Phase aiguë

La phase aiguë est marquée par la multiplication rapide du virus, dont la production atteint un pic en quelques mois, par le déclenchement de la production d'anticorps anti-VIH (séroconversion) et par la multiplication des LT4. Ceci montre que le système immunitaire réagit à la présence du virus. Cependant, à la suite du pic de la charge virale observé environ six mois après l'infection, on observe une brève diminution de la concentration des LT4. Or, comme le montre le document 1, la culture in vitro de LT en présence de VIH se traduit par la diminution puis la disparition des LT4 sans que les LT8 soient affectés. Le virus infecte donc principalement les LT4 ce qui aboutit à leur destruction mais tant que la concentration en LT4 reste supérieure à 500 par mm3, la quantité de virus reste faible.

Phase asymptomatique

Après la phase aiguë, la concentration en anticorps continue à augmenter jusqu'à atteindre un maximum deux ans après l'infection. Aussi, au cours de la phase asymptomatique, le diagnostic peut être établi en détectant la séropositivité, c'est à dire la présence d'anticorps anti-VIH dans le sang même si le virus est "silencieux", intégré dans le génome de l'hôte. Toutefois, ces anticorps ne sont pas neutralisants et lorsque le virus se multiplie, le système immunitaire est impuissant à empêcher l'augmentation progressive de la quantité de virus dans l'organisme. En outre, le système immunitaire continue à se dégrader malgré l'absence de symptômes, comme en témoigne la diminution progressive de la concentration en LT4. Elle est due à leur destruction continue par des virus de plus en plus nombreux.

Phase des maladies opportunistes

La dégradation du système immunitaire s'aggrave au cours de la dernière phase puisque le taux de LT4 continue à chuter jusqu'à devenir nul et que la concentration en anticorps anti-VIH diminue elle aussi. En effet, les LT4 sont des lymphocytes auxiliaires dont l'activité est nécessaire au bon déroulement des réponses immunitaires spécifiques. Par les cytokines qu'ils sécrètent en réponse à la détection d'un antigène, ils assurent l'amplification de la réponse immunitaire en stimulant la sécrétion des anticorps par les plasmocytes et la multiplication des lymphocytes cytotoxiques. La destruction des LT4 par le virus qui continue à se multiplier restreint de plus en plus les capacités de réponse du système immunitaire. La disparition totale des LT4 finit par rendre impossible toute réponse immunitaire spécifique privant le patient de toute protection contre les agents infectieux et le soi modifié (tumeurs).

Conclusion

Le VIH est donc à l'origine d'une évolution morbide du système immunitaire. Elle est due au fait que le virus se multiplie notamment dans les LT4, lymphocytes auxiliaires qui interviennent dans les réponses immunitaires spécifiques en stimulant les réponses humorale et cellulaire. Leur destruction aboutit à l'immunodéficience qui rend possible l'installation de maladies opportunistes



PARTIE III : Enseignement obligatoire (5 points)

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

En quoi la confrontation des données fournies par les documents présentés permet-elle d'éclairer l'idée d'évolution de la vie ?

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Avant de commencer

Les documents permettent d'illustrer divers aspects de l'évolution : succession des lignées, diversification et extinctions ; succession chronologique des formes au sein d'un groupe ; isolement géographique et spéciation.



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Introduction

L'évolution de la vie est considérée comme un fait en raison du faisceau d'arguments de différentes natures qui concourent à en accréditer l'idée et qui permettent d'en comprendre certains mécanismes. Nous examinerons ici des données relatives à la succession des formes vivantes au cours des temps géologiques et à certains des mécanismes qui l'expliquent.

La succession des formes vivantes

Le document 3 montre que le nombre de familles d'animaux marins à squelette a considérablement varié au cours des temps géologiques. Le nombre de familles de ces animaux apparus au Vendien il y a 600 Ma a augmenté progressivement jusqu'à la fin de l'Ordovocien, est resté grossièrement stable pendant le reste de l'ère primaire et a repris sa croissance depuis le début de l'ère secondaire. Au cours de ces 600 Ma, l'évolution du nombre de familles a été également marquée par quelques brefs épisodes d'extinctions massives notamment entre l'Ordovicien et le Silurien, au Dévonien, à la fin du Permien et entre le Crétacé et le Tertiaire, pour ne citer que les plus importantes de ces crises.

Le document 1 montre que les crises sont marquées par deux phénomènes : extinction de groupes entiers suivie de la diversification des groupes survivants. Ainsi, après la crise de la fin de l'ère Primaire, les Pélycosaures, les Dinocéphales, les Eothériodontes etc. disparaissent définitivement tandis qu'après la crise Crétacé-Tertiaire les Dinosaures, les Ptérosaures, les Ichtyosaures, etc. s'éteignent. En revanche, après la crise de la fin du Permien, on constate que les Reptiles se diversifient en groupes multiples (Dinosaures, Crocodiliens, Sauriens etc.) qui dominent la faune des Vertébrés au Secondaire tandis qu'après la crise Crétacé-Tertiaire, ce sont les Mammifères et les Oiseaux qui deviennent prédominants. En outre, les rameaux survivants sont à l'origine de nouveaux groupes. Les Oiseaux et les Mammifères ont ainsi pour origine des groupes de reptiles aujourd'hui disparus, Saurischiens et Cynodontes respectivement.

En fait, tous les groupes d'êtres vivants montrent un tel profil d'évolution à quelques exceptions près. Ainsi, comme le montre le document 2, les limules, un groupe d'Arthropodes marins de l'Océan Pacifique, sont apparues il y a 590 Ma. Après avoir évolué en présentant des formes successives et variées au Primaire et au Secondaire, une seule espèce s'est maintenue depuis le Secondaire sans présenter de changement évolutif et existe encore actuellement. On appelle "fossiles vivants" ces êtres vivants qui ont été peu modifiés au cours de l'évolution, bien qu'ils existent depuis des millions d'années. Ainsi, dans certains cas, des espèces semblent "échapper" à l'évolution pendant une longue période.

Cependant, au sein d'un groupe, la diversification suppose l'apparition d'espèces nouvelles, c'est à dire la spéciation.

Isolement, hybridation, spéciation

On définit l'espèce comme l'ensemble des individus potentiellement interféconds et dont les descendants sont interféconds. Lorsque des populations d'une même espèce sont séparées, elles peuvent évoluer indépendamment jusqu'à ne plus être interfécondes. C'est la spéciation dont le document donne un exemple.

Au cours des temps géologiques, le Pouillot a étendu son aire de répartition cantonnée à l'origine dans la région 3 le long de l'Himalaya. Son expansion géographique s'est accompagnée de sa divergence en nouvelles espèces puisqu'on connaît aujourd'hui cinq espèces asiatiques. On constate que parmi elles, P.ludlowi et P.obscuratus, situées aux extrémités de l'aire de répartition de P.trochiloides, restent interfécondes avec elle mais pas entre elles. En outre, P.viridanus et P.plumbeitarsus, dont les aires de répartition se recoupent au Sud de la Sibérie, ne sont pas interfécondes entre elles. La dernière a également suffisamment divergé pour ne pas pouvoir non plus se croiser avec les autres. Ceci montre que l'expansion géographique du Pouillot s'est accompagnée de la formation de nouvelles espèces matérialisée par leur isolement reproducteur. Ce phénomène se réalise graduellement puisque les espèces encore proches de l'aire initiale de répartition restent capables de s'hybrider dans les zones de contact avec P. trochiloides qui l'occupe. Au contraire, celles qui présentent le plus de divergence peuvent partager des territoires communs sans pouvoir s'hybrider.

Conclusion

Les documents éclairent donc les notions de succession des formes, d'extinctions massives, de diversification et de spéciation qui témoignent largement de l'évolution même si le cas des fossiles vivants constitue une exception.



PARTIE III : Enseignement de spécialité (5 points)

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

Les roches, produits et témoins du temps

Dans le Massif de l'Arize (au Sud de Saint-Girons dans le département de l'Ariège), les roches de l'auréole de métamorphisme traduisent la montée, à une époque géologique passée, d'un pluton granitique qui constitue aujourd'hui le massif granitique de Lacourt.

Les roches de la série A à F désignées sur la carte sont les témoins d'un autre événement géologique ayant affecté la région. En utilisant les documents proposés, précisez de quel événement il s'agit, dans quel contexte géodynamique il s'inscrit et situez-le dans l'histoire de la région.

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Avant de commencer

Mettre en parallèle les trois documents pour montrer un gradient métamorphique en accord avec le géotherme "collision".


CORRIGE

Introduction

Dans les zones de collision de deux plaque lithosphériques, les roches sont soumises à des conditions de pression et de température qui donnent notamment naissance à des minéraux néoformés et à des transformations structurales qui constituent ainsi des témoins des conditions de leur formation.

Des indices d'une collision

Les roches de la série A à F sont un exemple de métamorphisme. Depuis des roches sédimentaires comme les schistes jusqu'au granite de Boussenac, on constate les signes d'une transformation plus ou moins poussée sans modification importante de la composition chimique, un gradient métamorphique.

Les micaschistes montrent le premier degré de la transformation. Ce sont des roches à schistosité marquée qui témoignent d'une transformation peu poussée des schistes sédimentaires. La chlorite des schistes A y a donné la biotite des micaschistes B. La transformation s'est effectuée à basse pression (0.2 GPa) vers 400°C.

La présence d'andalousite dans les micaschistes C montre une transformation sous une pression et une température un peu plus élevées.

Les gneiss sont des roches métamorphiques dont les minéraux témoignent d'une transformation plus poussée que les micaschistes. Les micaschistes C ont donc conduit aux gneiss D comme la présence de sillimanite et de feldspath potassique le confirme indiquant que la pression a atteint 0.4 GPa et la température 650°C.

L'augmentation de pression et de température se poursuivant, la limite solide - liquide a été franchie avec une fusion partielle conduisant aux migmatites. Le caractère partiel de la fusion explique la présence de certains minéraux présents également dans les gneiss D.

Enfin, les valeurs de pression et de température les plus élevées du gradient ayant été atteintes, la fusion totale a conduit à un granite d'anatexie.

Lors de l'arrêt des contraintes tectoniques, les minéraux néoformés n'ont pas subi les transformations inverses puisqu'ils sont encore présents. Ceci est dû à la déshydratation associée aux transformations indiquée par le document 1. L'absence d'eau a rendu ces réactions irréversibles.

Les données minéralogiques permettent de tracer un graphique représentant les variations de température et de pression, c'est à dire le gradient métamorphique. Il est représenté par un tracé allant de (0.2 GPa, 400°C) à (0.8 GPa, 800°C). La courbe obtenue correspond au géotherme calculé pour une zone de collision. Les transformations enregistrées témoignent de conditions de température et de pression liées à une collision entre plaques ce qui indique qu'elle se sont produites lors de la mise en place des Pyrénées. Les transformations métamorphiques résultent donc ici de contraintes tectoniques lors de la mise en place d'une chaîne de montagnes, contrairement à l'auréole de métamorphisme qui résulte de la mise en place du pluton granitique de Lacourt.

Du fait que le granite intrusif de Lacourt recoupe les schistes A et les micaschistes B et C, sa mise en place est postérieure au métamorphisme ayant conduit au granite de Boussenac. Cependant, aucun repère chronologique n'étant disponible, seule la datation relative de ces deux événements est possible.