CORRIGES

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SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE

- Série S -

Antilles - Guyane. Septembre 1997

Durée de l’épreuve : 3 h 30

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



PARTIE I : (7 points)

Aspects du fonctionnement des centres nerveux

Expliquez comment un stimulus est codé en un message nerveux au niveau d'un récepteur sensoriel.



Avant de commencer

Étudiez un exemple et faites ressortir ce qui est commun à tous les récepteurs sensoriels.



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Introduction

Les messages nerveux qui circulent entre organes récepteurs et centres nerveux sont, comme tous les messages nerveux, constitués d'unités, les potentiels d'action. La fréquence des potentiels d'action émis par les cellules neurosensorielles des organes récepteurs est proportionnelle à l'intensité du stimulus. Pour examiner les mécanismes de ce codage, nous étudierons l'exemple du corpuscule de Pacini mais les principes mis en jeu restent les mêmes pour tous les récepteurs sensoriels.

Transduction

Les corpuscules de Pacini sont des mécanorécepteurs tactiles situés sous l'épiderme.

Lorsque le corpuscule est soumis expérimentalement à une pression, sa membrane se dépolarise. Il apparaît ainsi brièvement un potentiel de récepteur dont l'amplitude est proportionnelle à la pression exercée. L'amplitude d'un potentiel de récepteur est donc graduable. En outre, les potentiels de récepteurs sont sommables dans l'espace et dans le temps mais ils ne sont pas propageables. Si la valeur du potentiel de récepteur atteint une valeur critique, le seuil, la dépolarisation devient explosive. Il apparaît alors un potentiel d'action, brève inversion (quelques millisecondes) du potentiel de membrane de la cellule neurosensorielle. Contrairement au potentiel de récepteur le potentiel d'action se propage le long de la fibre nerveuse sensitive avec la même amplitude.

Les messages nerveux

Les messages nerveux circulant le long d'une fibre nerveuse sont constitués de "trains" de potentiels d'action. Leur propagation le long de la fibre est due au caractère autorégénératif de chaque potentiel d'action. Si on enregistre avec un oscilloscope les messages nerveux au niveau de la fibre nerveuse issue du corpuscule de Pacini, on constate que la fréquence des potentiels d'action émis par le corpuscule est proportionnelle à la pression qu'il subit. Le codage du message se fait donc par modulation de fréquence. Ainsi, plus l'intensité du stimulus est élevée et plus la fréquence des potentiels d'action qui arrivent aux centres nerveux est élevée. De cette façon, les centres nerveux sont informés de l'arrivée d'un stimulus au niveau du récepteur sensoriel par l'arrivée de potentiels d'action au niveau de neurones du centre nerveux tandis que la fréquence de ces potentiels d'action traduit l'intensité du stimulus. Il s'agit donc d'un système de codage permettant au système nerveux d'être informé de l'intensité du stimulus.

Conclusion

Le fonctionnement du corpuscule de Pacini est analogue à celui des autres récepteurs sensoriels : toute cellule sensorielle soumise à un stimulus spécifique présente une variation du potentiel de membrane appelée potentiel de récepteur, graduable, sommable, non propageable. La transformation du stimulus physique (lumière, son, pression, etc.) en variation du potentiel membranaire de la cellule neurosensorielle constitue la transduction. Selon les caractéristiques du stimulus, ces potentiels locaux peuvent ou non donner naissance à des messages nerveux afférents constitués de potentiels d'action émis le long des fibres constituant le nerf sensitif. La modulation de la fréquence de ces potentiels d'action est le système de codage utilisé par le système nerveux pour traduire l'intensité du stimulus. C'est également le "langage" universel du système nerveux.


PARTIE II : (8 points)

Unicité génétique des individus et polymorphisme des espèces. Génétique humaine.

Madame et monsieur A ont deux enfants, un garçon sourd-muet et daltonien et une fille qui ne présente pas ces anomalies d'origine génétique. La naissance du garçon les a conduits à effectuer des recherches généalogiques approfondies. Ces recherches tendent à montrer une parenté éloignée entre Madame et Monsieur A. On sait que le daltonisme est une anomalie liée au sexe.

Par une exploitation rigoureuse de l'arbre généalogique de Madame et Monsieur A, accompagnée de schémas chromosomiques, montrez comment le couple A a pu donner naissance à un garçon présentant les deux anomalies.

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Avant de commencer

Déterminez d'abord le mode de transmission du gène responsable de la surdi-mutité en justifiant votre démonstration par une analyse de l'arbre généalogique. N'oubliez pas les schémas demandés.



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Introduction

Les anomalies génétiques se transmettent de génération en génération mais ne se manifestent pas nécessairement dans le phénotype si le gène responsable est un allèle récessif puisque dans ce cas seuls les homozygotes sont atteints. Si un homme et une femme sont apparentés, la probabilité d'apparition d'une anomalie héréditaire due à un allèle récessif d'un gène est plus élevée car la probabilité qu'il soit présent simultanément chez les deux parents est plus élevée.

Mode de transmission des deux gènes

Deux couples d'allèles sont ici en jeu. Nous appellerons s et s+ respectivement les allèles muté (surdi-mutité) et normal d'un gène et nous appellerons d et d+ respectivement, les allèles muté (daltonisme) et normal de l'autre gène. Les individus II 2, 3 et 4 sont sourds-muets alors que leurs parents I 1 et I 2 ne sont pas atteints. On en déduit que l'allèle responsable de la surdi-mutité est récessif par rapport à l'allèle normal. En outre, le locus du gène est situé sur un autosome car s'il était situé sur le chromosome X, le père I 1 serait atteint puisqu'il a une fille atteinte. La fille II 4 étant homozygote, son père serait hémizygote si le gène était sur X, ce qui n'est pas le cas car sinon il serait atteint.

Le daltonisme correspond à un allèle muté d'un gène lié au sexe intervenant dans la vision des couleurs. L'allèle est récessif puisque des enfants atteints (II 1' et 3') sont issus de parents non atteints (I 1' et 2').

Origine de la double anomalie

Dans la famille de M. A, l'allèle de la surdi-mutité est présent chez certains individus, soit à l'état homozygote (As/As : II 2, 3, 4) soit à l'état hétérozygote (A+/As). Puisque M. A a un fils sourd-muet (IV 2) et qu'il n'est pas atteint, c'est qu'il est hétérozygote et qu'il a transmis à son fils l'allèle que lui-même a reçu de son père, hétérozygote, qui l'avait reçu de son père II 2 homozygote.

Dans la famille de Mme A, l'allèle du daltonisme est présent soit à l'état homozygote (Xd/Xd : fille III 4'), soit hémizygote (Xd/Y : garçons II 1', 3' ; III 2'), soit hétérozygote (Xd/X+). Puisque Mme A a transmis l'allèle à son fils IV 2 et qu'elle n'est pas atteinte, c'est qu'elle est hétérozygote et qu'elle a transmis à son fils l'allèle du daltonisme reçu de son père II 1, hémizygote Xd/Y. Comme l'enfant IV 2 est un garçon, il est daltonien car lui aussi est hémizygote Xd/Y. De plus, puisqu'il est également sourd-muet et donc homozygote As/As, c'est que sa mère lui a transmis l'allèle s. Elle est donc hétérozygote As/A+.

La figure 1 montre sur des schémas chromosomiques comment les anomalies se sont transmises (les autosomes sont représentés par la lettre A, les hétérochromosomes par les lettres X et Y).

Figure 1 : transmission des anomalies.



PARTIE III : Enseignement obligatoire (5 points)

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

Les temps géologiques sont marqués par un certain nombre de crises après lesquelles l'évolution prend un nouvel élan.

En vous appuyant sur une étude méthodique des documents 1 à 4 portant sur le milieu continental, vous direz dans quelle mesure cette affirmation est justifiée à la limite Crétacé-Tertiaire.

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Avant de commencer

Deux parties à développer : crise et évolution post-crise sans oublier de dater les faits identifiables sur les documents.


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Introduction

La "crise" Crétacé-Paléocène correspond à la disparition d'un grand nombre d'espèces vivantes, notamment les Dinosaures, il y a environ 65 millions d'années. Plusieurs autres crises marquées par des extinctions massives ont été identifiées au cours des temps géologiques A l'issue de telles crises certains groupes d'êtres vivants qui ont survécu présentent un phénomène de radiation adaptative correspondant à un "nouvel élan" de l'évolution.

La crise Crétacé-Paléocène

Le document 2 permet d'apprécier les conséquences de la crise Crétacé-Paléocène en milieu continental. Selon les groupes d'êtres vivants considérés, les conséquences sont très différentes. Certains groupes ne semblent pas affectés par la crise (Multituberculés, Monotrèmes, Crocodiliens). En revanche, des groupes entiers disparaissent totalement tant chez les végétaux (Bennettitales) que chez les animaux (Dinosaures et autres grands reptiles de l'ère secondaire). D'autres végétaux régressent quelque peu après la crise (Gymnospermes). Enfin, certains groupes comme les Oiseaux présentent une remarquable expansion après la crise, mais cette expansion avait commencé le plus souvent bien avant la crise comme le montre le cas des Marsupiaux, des Placentaires et des Angiospermes.

Le document 4 montre que les premiers Mammifères apparus peu après le début de l'ère secondaire appartiennent à deux lignées indépendantes : celle des Allothériens à l'origine des Multituberculés qui disparaissent à l'Oligocène et celle des Thériens qui partagent une origine commune avec les Monotrèmes (au Jurassique) et les Marsupiaux (au Crétacé) et sont à l'origine de tous les autres Mammifères. A la fin du Crétacé, les Mammifères se diversifient en quelques groupes qui au Paléocène sont à l'origine des groupes actuels et de quelques groupes disparus. A la fin du Crétacé, les Mammifères sont peu diversifiés car chaque groupe présente peu d'espèces comme le montre le document 4.

Le document 1 illustre lui aussi la faible diversification des Mammifères à la fin du Secondaire et leur expansion au Tertiaire. Au Crétacé supérieur, ils sont principalement présents en Asie et en Amérique du nord comme le montre le nombre limité de gisements et d'espèces sur les autres continents. A cette époque ils sont sans doute absents d'Afrique où aucun gisement n'a été découvert à ce jour.

La radiation des Mammifères au Tertiaire

Au Paléocène, le nombre de gisements est beaucoup plus important partout sauf en Europe et le nombre d'espèces a considérablement augmenté partout comme le montre le document 1. On trouve alors des Mammifères en Afrique. Ceci est confirmé par la carte du document 3 : on assiste à une expansion des Mammifères si on se réfère aux nombres de gisements et d'espèces.

Le document 4 montre que l'ère tertiaire, notamment à l'Eocène, est marquée par une véritable explosion des groupes de Mammifères. Le nombre de "branches" de l'arbre passe de 15 à 22 tandis que le nombre d'espèces augmente considérablement dans la plupart des branches (en particulier les placentaires comme le montre le document 2) même si certains groupes comme les Multituberculés, les Proteuthériens, les Embrithopodes et les Créodontes disparaissent entre l'Oligocène et le Pliocène après une "courte" période de diversification. La plupart des espèces actuelles apparaissent dès l'Eocène même si l'origine exacte de plusieurs familles reste inconnue. Cette diversification est confirmée par le document 1 qui montre une expansion géographique des Mammifères.

Conclusion

Ainsi, après la crise, les Mammifères ont pu se diversifier considérablement et conquérir la plupart des milieux. On considère que la radiation des Mammifères au Tertiaire est une conséquence de la crise Crétacé-Paléocène. Ayant commencé à se diversifier "discrètement" à la fin du Crétacé (augmentation du nombre de gisements et d'espèces, nouvelles familles), c'est la disparition des Dinosaures qui a rendu possible l'explosion évolutive des Mammifères en éliminant la concurrence pour une grande variété de niches écologiques jusque là occupées par des Reptiles.



PARTIE III : Enseignement de spécialité (5 points)

Les roches produits et témoins du temps

En utilisant les documents, montrez en quoi les roches R1, R2, R3, R4, R5 témoignent des conditions de pression et de température qui ont présidé à leur formation ; matérialisez l'évolution de ces conditions par un tracé porté sur le document 4, à rendre avec la copie.

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Avant de commencer

Coloriez sur la carte les différents terrains pour mieux les distinguer. Repérez sur le diagramme PT les zones dans lesquelles les conditions de pression et de température sont favorables à la formation des minéraux repères des cinq échantillons et reliez les par un trait.


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Introduction

Les roches constituent des témoins du temps. Les roches métamorphiques, qui ont pour origine la transformation à l'état solide de roches préexistantes sous l'action de modifications de la pression et de la température, contiennent des minéraux et des associations minérales qui témoignent des conditions qui ont présidé à leur formation. Les roches métamorphiques du dôme du Lévezou en sont un exemple.

Les informations de la carte

Le dôme, de forme grossièrement arrondie, est déformé par de nombreuses failles. Il est constitué principalement de gneiss qui sont des roches métamorphiques. Le centre du massif est constitué surtout de gneiss migmatitiques (R5) mais il comporte également de l'orthogneiss, et des métarhyolites, laves volcaniques métamorphisées. Les gneiss migmatitiques sont bordés par une sorte d'auréole, le complexe leptyno-amphibolitique, qui comporte deux autres gneiss, R4 au niveau de la transition et R3 au centre de ce complexe. Vers la périphérie, on retrouve d'abord de l'orthogneiss (R2) puis un gneiss à deux micas (métapélite, R1). Le degré de métamorphisme diminue donc du centre (gneiss migmatitique, donc refondu) vers la périphérie du dôme (métapélites, roches sédimentaires argileuses métamorphisées).

Les informations des roches

Lorsque l'on considère successivement les roches de R5 à R1, on constate qu'à côté de minéraux communs (quartz, micas et plagioclases), ces gneiss comportent de moins en moins de minéraux néoformés. Ces derniers, dont les champs de stabilité sont indiqués au document 4, se forment dans des conditions de pression et de température définies qui permettent ainsi d'identifier les conditions de pression et de température subies par les roches métamorphiques qui les contiennent.

Le gneiss migmatitique (R5) est un gneiss qui a commencé à refondre partiellement à température élevée (près de 700°C) et à une pression de 0.7 GPa comme le montre le document 4 où R5 est situé à droite de la courbe de fusion des matériaux et à gauche de celle du quartz et de la muscovite. Parmi toutes les roches du dôme, c'est celle qui a subi la plus forte transformation sans atteindre cependant la courbe de fusion du quartz et de la muscovite qui correspond à 700°C pour une pression de 0.7 GPa.

Le gneiss R4, situé à la périphérie du précédent, comporte de la sillimanite, minéral formé à des températures élevées (supérieures à 550°C), mais contrairement au précédent il n'a pas atteint la température de fusion partielle puisqu'il comporte de la sillimanite et du grenat. L'absence de staurotide et de cordiérite montre qu'il s'est formé vers 650°C et 0.6 GPa.

Le gneiss R3 du complexe leptyno-amphibolitique comporte de la staurotide et du disthène avec ou sans grenat. Il a donc subi une pression supérieure à 0.3 GPa et des températures de 450 à 600°C. L'absence de sillimanite permet de le positionner plus précisément sous la frontière sillimanite-disthène.

Le gneiss R2 présente seulement du grenat (visible sur le document 3) comme minéral néoformé et une foliation caractéristique de roche métamorphique. Comme le grenat ne se forme pas en dessous de 450°C, on peut en déduire que ce gneiss s'est formé au dessus de 450°C sans que l'on puisse préciser la pression.

Enfin le gneiss R1 est le moins transformé par le métamorphisme et a donc subi les conditions de température les moins élevées comprises entre celles d'apparition de la biotite et du grenat (400 à 450°C) puisqu'il est dépourvu de grenat et des pressions comprises entre 0.2 et 0.8 GPa.

L'évolution des conditions de pression et température qui ont présidé à la formation de ces roches est résumée par une flèche sur le diagramme ci-dessous. Elle correspond au gradient métamorphique, évolution des conditions de pression et de température dans l'espace et/ou dans le temps.

Evolution des conditions de pression et de température