CORRIGES

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SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE

- Série S -

Asie, juin 1998

Durée de l’épreuve : 3 h 30

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



PARTIE I : (8 points)

Unicité génétique des individus et polymorphisme des espèces

Montrez comment, grâce à la méiose, s'effectue le brassage de l'information génétique.

L'exposé sera illustré par des schémas montrant l'évolution de la distribution de 3 couples d'allèles Aa, Bb, Ee, dont deux sont liés.



Avant de commencer

Faites d’abord au brouillon le schéma de la méiose avec 2 paires de chromosomes, l'une portant deux gènes liés (Aa, Bb), l'autre portant Ee. Les gènes indépendants permettent d'illustrer le brassage interchromosomique, les gènes liés le brassage intrachromosomique.



CORRIGE

Introduction

Chez les espèces à reproduction sexuée, chaque individu résulte de la rencontre d’un gamète mâle et d’un gamète femelle produits par ses parents. Les gamètes sont des cellules reproductrices haploïdes dont la fusion reconstitue le stock diploïde de chromosomes caractéristique de l’espèce.

La répartition des chromosomes homologues (et donc des allèles qu’ils portent) dans les cellules haploïdes à l’origine des gamètes, s’effectue lors de la méiose et aboutit au brassage de l'information génétique qui maintient la diversité du vivant.

En prenant un exemple simple, celui de trois couples d’allèles dont deux sont portés par le même chromosome (gènes liés), nous montrerons que le brassage génétique lors de la méiose comporte deux mécanismes complémentaires, le brassage interchromosomique et le brassage intrachromosomique.

I- La méiose et le brassage interchromosomique

La méiose est un ensemble de deux divisions précédé d’une seule synthèse d’ADN et intervient chez les animaux au cours de la gamétogenèse. Elle conduit à la formation de quatre cellules haploïdes à partir d’une cellule-mère diploïde.

Nous prendrons l’exemple des spermatocytes I qui sont les cellules subissant la méiose dans les tubes séminifères des testicules.

On considère 3 couples d’allèles Aa, Bb et Ee disposés sur 2 paires de chromosomes, Aa et Bb correspondant aux allèles des deux gènes liés, donc situés sur la même paire de chromosomes, Ee étant localisés sur l’autre paire. Le schéma 1 montre la configuration choisie.

Les spermatocytes I subissent la duplication de leur ADN lors de la phase S du cycle cellulaire puis entament la première division de la méiose en entrant en prophase I. A ce stade, les chromosomes sont constitués de 2 chromatides identiques résultant de la duplication de l'ADN et reliées par le centromère. Au cours de cette phase, les chromosomes homologues sont réunis en bivalents (schéma 2).

Lorsque les chromosomes homologues se séparent à l’anaphase, chaque centromère migre aux pôles de la cellule indépendamment des centromères des autres chromosomes. On parle de ségrégation indépendante des chromosomes. Les spermatocytes II formés à l’issue de la première division et donc les gamètes, pourront présenter, dans l’exemple choisi, 4 génotypes différents correspondant à 4 types de combinaisons d'allèles en proportions identiques puisque ne dépendant que de la ségrégation au hasard des chromosomes. (schéma 3).





Ce premier mécanisme de brassage interchromosomique lié à la ségrégation indépendante des chromosomes s'accompagne d'un autre mécanisme assurant un brassage intrachromosomique.

II- Le brassage intrachromosomique

Lors de la prophase I de la méiose, lorsque se forment les bivalents, les quatre chromatides de chaque bivalent (" tétrades ") sont étroitement accolées et entremêlées. Il peut alors se produire des échanges de segments homologues entre elles, au niveau de chiasmas, conduisant à la formation de chromatides portant une combinaison d’allèles différente de celles des chromosomes des parents (schéma 4).

La fréquence de ces échanges (appelés aussi " crossing-over ") dépend de la position des locus sur le chromosome : plus ils sont éloignés, plus la probabilité d’échanges est importante. Le schéma 4 montre que si l’on tient compte de ce brassage intrachromosomique, ce n’est plus 4, mais 8 types de gamètes différents qui peuvent se former.

Conclusion

La méiose constitue donc un mécanisme générateur de diversité en raison du brassage génétique réalisé par un double mécanisme : brassage interchromosomique lors de la ségrégation indépendante des chromosomes et brassage intrachromosomique réalisé par les crossing-over. Au cours de ce brassage, les allèles venant des parents sont redistribués conduisant à de nouvelles combinaisons alléliques dans les gamètes. En outre, lors de la fécondation, la rencontre au hasard des parents, et donc celle des gamètes, constitue un facteur supplémentaire de brassage de l'information génétique.


PARTIE II : (7 points)

Fonctionnement d'un système de régulation

Expliquez, en exploitant les documents 1 et 2 et en utilisant vos connaissances, comment les relations entre l'hypothalamus, l'hypophyse et l'ovaire peuvent conduire à l'ovulation.

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Avant de commencer

Les informations apportées par les documents sont partielles et doivent donc être complétées par des connaissances pour répondre à la question posée.


CORRIGE

Introduction

L'ovulation, libération d'un ovocyte de son follicule ovarien à la fin de la phase folliculaire du cycle, dépend d'interactions précises entre hypothalamus, hypophyse et ovaires qui s'effectuent par voie hormonale.

Document 1

La courbe a montre que le taux plasmatique de LH varie régulièrement ce qui correspond à une sécrétion pulsatile. Lorsque l'hypothalamus d'un animal d'expérience a subi une lésion localisée, on constate que la sécrétion de LH devient presque nulle. Ceci montre que la sécrétion de LH dépend de l'hypothalamus dont nous savons qu'il sécrète la gonadolibérine (Gn-RH), hormone hypothalamique qui stimule la sécrétion des gonadostimulines par l'hypophyse.

Le graphique b montre une corrélation entre la fréquence de décharge des neurones hypothalamiques et la sécrétion de LH. En effet, les neurones hypothalamiques sont des cellules neurosécrétrices et la quantité de Gn-RH qu'ils sécrètent dépend de leur activité. En conséquence, les "bouffées" d'activité correspondent à une sécrétion accrue de Gn-RH qui provoque une sécrétion parallèle de LH ce qui explique l'allure du tracé.

Ces deux expériences illustrent donc le contrôle exercé par des groupes de neurones hypothalamiques sur l'hypophyse par l'intermédiaire de la Gn-RH.

Document 2

L'expérience a du document 2 montre que l'activité électrique des neurones hypothalamiques peut être modifiée par les oestrogènes. Chez une lapine castrée, la fréquence de décharge des neurones hypothalamiques varie entre 25 et 30 Hz. Lorsque des oestrogènes sont injectés à l'animal, on constate un arrêt immédiat de l'activité des neurones hypothalamiques suivi d'un phénomène d'échappement, l'activité électrique de l'hypothalamus revenant à un niveau proche du niveau initial en une quinzaine de minutes. Ceci montre que les oestrogènes sont en mesure d'inhiber les neurones hypothalamiques. En conséquence, la sécrétion de LH qui dépend de l'activité de l'hypothalamus peut aussi être inhibée par les oestrogènes. Étant donné que les oestrogènes sont sécrétés par l'ovaire lorsqu'il est stimulé par les gonadostimulines, il s'agit d'une rétroaction négative.

L'expérience b du document 2 confirme ce point de vue. Lorsqu'un implant d'oestradiol, le principal œstrogène, est introduit sous la peau de guenons castrées, la libération d'oestradiol dans le milieu intérieur entraîne une diminution progressive de la sécrétion de LH. Ceci montre que la concentration plasmatique d'oestrogènes d'environ 60 pg.mL-1 qui correspond au taux physiologique en début de cycle exerce une rétroaction négative sur la sécrétion de LH. En revanche, une injection effectuée 17 jours plus tard et aboutissant à des taux plasmatiques équivalents à ceux de la période préovulatoire du cycle a un effet opposé : on constate l'apparition d'un pic de LH similaire à celui qui déclenche l'ovulation lors d'un cycle normal. Ce résultat correspond à une rétroaction positive puisqu'ici l'augmentation artificielle de la concentration en oestradiol aboutit à une stimulation hypophysaire.

Conclusion

L'ovulation dépend d'interactions par l'intermédiaire d'hormones entre hypothalamus, hypophyse et ovaire : l'activité des neurones hypothalamiques se traduit par la sécrétion de Gn-RH qui stimule l'hypophyse. En réponse, celle-ci sécrète les gonadostimulines qui stimulent à leur tour la sécrétion des oestrogènes par l'ovaire. En début de cycle, les oestrogènes freinent la sécrétion de LH car ils exercent un rétrocontrôle négatif sur l'activité électrique des neurones hypothalamiques. Au contraire, un peu avant l'ovulation, cette rétroaction change de sens et l'augmentation de la sécrétion d'oestrogènes se traduit par une forte stimulation de l'axe hypothalamo-hypophysaire qui se traduit par un pic sécrétoire des gonadostimulines déclenchant l'ovulation.


PARTIE III : Enseignement obligatoire (5 points)

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

Mettez en évidence, en confrontant les informations tirées des documents proposés, les principales caractéristiques de l'évolution de la lignée humaine.

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Avant de commencer

Identifiez les composantes biologiques (morphologique et anatomique) et culturelles (outillage, feu, art etc.) de l'évolution humaine dans les documents proposés.


CORRIGE

Introduction

L'évolution de la lignée humaine comporte, comme celle de tous les êtres vivants, des caractéristiques biologiques, mais il s'y ajoute des caractéristiques particulières de nature culturelle qui sont propres à cette lignée. Leur apparition et leur développement ont été conditionnés par l'évolution biologique.

Évolution biologique

Le document 1 montre que l'une des principales caractéristiques de la lignée humaine, la bipédie, a été acquise très tôt puisque des Hominidés du genre Australopithèque ont laissé des traces de pas fossiles en Afrique il y a 3.6 à 3.8 millions d'années (Ma).

L'évolution de la lignée humaine a été marquée ensuite par une augmentation progressive du volume cérébral illustrée dans le document 2 par les crânes de trois représentants des Hominidés. Alors que les Australopithèques avaient un volume cérébral moyen de 440 cm3, proche de celui des grands singes, Homo sapiens, l'espèce la plus récente à laquelle nous appartenons, possède un volume cérébral de 1230 cm3 tandis que les espèces intermédiaires comme H. habilis puis H. erectus présentaient un volume cérébral intermédiaire (640 et 940 cm3 respectivement). En outre, le développement de la boîte crânienne s'est accompagné de transformations de la face comme la réduction du prognathisme et la disparition des bourrelets sus-orbitaires. Ces différents types de données pourraient être liés. En effet, l'acquisition de la bipédie implique un port vertical de la tête permettant l'augmentation du volume crânien. En outre, la bipédie a libéré la main de la locomotion permettant son utilisation pour d'autres tâches comme la fabrication d'outils, caractéristique propre à la lignée humaine.

L'augmentation de taille du cerveau et la libération de la main ont permis de meilleures performances comportementales et intellectuelles qui se sont traduites par une évolution culturelle.

Évolution culturelle

Le document 3 présente les principales étapes de l'évolution culturelle au cours du Paléolithique. Des outils de pierre taillée ont été fabriqués par H. habilis dès - 2 Ma, ce qui témoigne déjà de l'existence d'une pensée réfléchie. De plus, leur perfectionnement implique une forme de communication élaborée, le langage articulé. En outre, la carte 4a montre que des migrations ont eu lieu précocement dans l'histoire humaine puisque dès H. erectus les Hominidés ont colonisé leur continent d'origine, l'Afrique, avant de le quitter et de gagner le continent eurasiatique. Ce comportement exploratoire s'est maintenu chez H. sapiens qui a gagné l'ensemble de la planète. Il témoigne d'une intelligence suffisante pour faire face aux contraintes de l'environnement (bien que l'espèce humaine soit plutôt adaptée, sur le plan physiologique, à un climat intertropical) et pour traverser des bras de mer. Avec la domestication du feu, la maîtrise de l'environnement s'est encore améliorée, ce dont témoigne la persistance de l'espèce humaine au cours des dernières périodes glaciaires. Enfin, la structuration de l'habitat, l'amélioration des techniques de fabrication des outils (lames et éclats au lieu de nucleus) et l'apparition de manifestations artistiques et religieuses illustrent également cette évolution culturelle caractéristique de la lignée humaine.

Conclusion

Ainsi, l'évolution de la lignée humaine a d'abord été biologique avec, notamment, l'acquisition de la bipédie et le développement du cerveau. Mais cette évolution biologique, par ses caractéristiques, a rendu possible une rapide évolution de nature culturelle, transmissible par le langage, qui a permis à l'homme de conquérir l'ensemble de la planète et de s'affranchir, au moins en partie, des contraintes environnementales par ses activités réfléchies. Aucune autre lignée d'êtres vivants n'a présenté de telles caractéristiques au cours de l'évolution.



PARTIE III : Enseignement de spécialité (5 points)

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

Les roches produits et témoins du temps

Identifiez, en confrontant les informations tirées des documents fournis, les événements géologiques qui se sont produits dans la région du Boulonnais entre le Silurien et le Crétacé. Vous préciserez la chronologie de ces événements.

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Avant de commencer

Mise en application des principes classiques relatifs aux relations géométriques entre terrains sédimentaires, déformations, etc.


CORRIGE

Introduction

Par leurs relations géométriques, les couches de roches nous renseignent sur la chronologie des événements géologiques qu'elles ont subis tandis que leur lithologie apporte des informations sur leurs conditions de formation, la présence éventuelle de fossiles dans les roches sédimentaires permettant de reconstituer les paléoenvironnements.

Primaire

Les terrains les plus anciens datent de l'ère Primaire et appartiennent au Silurien (- 440 à - 410 Ma). Les schistes à graptolites témoignent d'une puissante sédimentation marine à cette époque (3 km d'épaisseur). La sédimentation marine s'est poursuivie au Dévonien inférieur (- 400 à - 385 Ma) déposant une épaisseur équivalente. Tous ces dépôts sédimentaires marins ont été ultérieurement métamorphisés lors d'une phase d'activité tectonique qui s'est produite au Dévonien supérieur (- 370 à - 360 Ma) avec le début du cycle orogénique hercynien et dont témoignent, d'une part, la structure complexe plissée affectant les terrains du Dévonien supérieur et, d'autre part, la faille f3 qui correspond au charriage des terrains du Silurien et du Dévonien inférieur sur ceux du Dévonien supérieur conduisant à un contact anormal entre eux (couches plus récentes en dessous des couches plus anciennes).

Secondaire

On observe ensuite une lacune de sédimentation qui couvre le Trias (- 245 à - 208 Ma). Toutefois, la surface plane des terrains primaires et la présence de quelques poches de Jurassique inférieur continental (Lias, - 208 à - 178 Ma) montre que les terrains primaires ont été soumis à l'érosion et aplanis alors qu'au début du Jurassique la région était continentale. Il y a donc eu régression et érosion.

Les terrains du Jurassique moyen et supérieur sont épais d'un peu moins de 1 km pour une durée de dépôt de 30 Ma environ. Il y a eu transgression. Les failles f1 et f2 qui traversent tous les terrains au Nord montrent qu'une activité tectonique de faible ampleur s'est manifestée après le Jurassique supérieur, peut-être une conséquence de l'orogenèse alpine. Elle a été suivie d'une phase d'érosion donc de régression marine.

Au Crétacé inférieur (- 145 à - 97 Ma), la ligne de rivage s'est rapprochée au Sud avec des dépôts continentaux ou côtiers, la transgression s'accentuant au Crétacé supérieur (- 97 à - 65 Ma) lors de l'expansion de la mer de Craie, mer épicontinentale. L'érosion qui a suivi témoigne d'une régression à la fin du Crétacé.