CORRIGES

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SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE

- Série S -

Inde - Avril 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 la méiose conduit à des gamètes génétiquement différents en partant d'un schéma d'une cellule diploïde à 4 chromosomes et 3 gènes (chacun sous deux formes alléliques).

Chaque étape essentielle du brassage génique sera illustrée par un schéma.



Avant de commencer

Faites d’abord au brouillon le schéma de la méiose avec 2 paires de chromosomes, l'une portant deux gènes, l'autre en portant un. Les gènes indépendants permettent d'illustrer le brassage interchromosomique, les gènes liés le brassage intrachromosomique. N’oubliez pas qu’il existe environ 100 000 gènes dans l’espèce humaine et que le choix de 3 couples d’allèles est destiné à simplifier la démonstration.



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.

En prenant un exemple simple, celui de trois couples d’allèles portés par deux paires de chromosomes différents, nous montrerons d’abord les conséquences du brassage interchromosomique, puis celles du brassage intrachromosomique de façon à illustrer les conséquences génétiques de ces mécanismes lors de la formation des gamètes.

I- La méiose et le brassage interchromosomique

La méiose est un ensemble de deux divisions précédé d’une seule synthèse d’ADN et intervient 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.

Si l’on considère 3 couples d’allèles Aa, Bb et Cc disposés sur 2 paires de chromosomes, 2 couples d’allèles seront disposés sur une même paire chromosomique et le troisième 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 et reliées par le centromère. Au cours de cette phase, les chromosomes homologues sont réunis en bivalents (schéma 2).





Considérons en premier lieu un cas simple. 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 en proportions identiques puisque ne dépendant que de la ségrégation au hasard des chromosomes. (schéma 3).

Toutefois, ce premier facteur de diversité des gamètes est accentué par la possibilité de 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 celle des chromosomes du parent (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 interchromosomique réalisé par la ségrégation indépendante des chromosomes et du brassage intrachromosomique réalisé par les crossing-over. Dans l’exemple choisi, il n’y a que 3 couples d’allèles conduisant à 23 gamètes possibles. En réalité, la diversité des gamètes chez les êtres vivants est considérablement plus importante car, non seulement, le nombre de gènes est beaucoup plus important (estimé à environ 100 000 dans l’espèce humaine), mais aussi parce que chaque gène peut présenter plus de 2 formes alléliques. Aussi, la répartition aléatoire des allèles parentaux dans les gamètes conduit à une gigantesque diversité des gamètes. De plus, leur rencontre au hasard lors de la fécondation est un facteur supplémentaire de formation d’individus originaux, uniques sur le plan génétique. Compte tenu du nombre de gènes et du nombre d’allèles, souvent important pour chacun d’eux, on estime que la probabilité d’obtenir un génotype identique chez deux individus est quasi nulle chez l’Homme. La reproduction sexuée est véritablement un mécanisme produisant du différent.


PARTIE II : (7 points)

Les mécanismes de l'immunité

A partir de l'exploitation des documents 1 et 2 et à l’aide de vos connaissances, expliquez la réponse immunitaire observée chez les souris du lot C.

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Avant de commencer

Identifiez le type de réponse immunitaire mise en jeu (réponse humorale) et mobilisez vos connaissances pour interpréter les résultats expérimentaux.



CORRIGE

Introduction

Une réaction immunitaire à médiation humorale se déclenche lorsque du non soi, comme des globules rouges de mouton (GRM), sont détectés par le système immunitaire.

Réponse immunitaire chez les Souris C

Lorsque des Souris n'ont subi aucun traitement particulier et reçoivent une injection de GRM, leur sérum devient capable d'agglutiner des GRM. Il contient donc des anticorps, molécules solubles sécrétées par des plasmocytes, capables de former des complexes immuns en se liant à des antigènes des GRM. Chez des Souris irradiées et thymectomisées, aucune réponse immunitaire n'est possible car ce sont les deux organes lymphoïdes centraux. En injectant des cellules issues du thymus et/ou de la moelle osseuse, on constate que seules les Souris du lot C, celles ayant reçu des cellules des deux origines, retrouvent la capacité de sécrétion d'anticorps puisque leur sérum reste capable d'agglutiner les GRM. Ces deux types cellulaires sont donc nécessaires simultanément pour que la sécrétion d'anticorps ait lieu. Ceci implique qu'il existe des interactions entre ces deux types cellulaires.

Rôle du thymus

On sait que les anticorps sont produits par des plasmocytes, cellules issues de la stimulation de lymphocytes B. Ces dernières sont produites dans la moelle osseuse avant de gagner les organes lymphoïdes périphériques comme la rate. Toutefois, une réponse immunitaire nécessite également des lymphocytes T auxiliaires, cellules nées dans la moelle mais "éduquées" dans le thymus qui gagnent ensuite elles aussi les organes lymphoïdes périphériques. Dans l'expérience décrite par le document 2, l'agglutination des GRM est observée lorsque le milieu, outre les cellules spléniques de Souris nude, contient du surnageant de culture de cellules spléniques de Souris normale. Les Souris nude étant caractérisées par l'absence de thymus et donc de lymphocytes T, leur rate en est dépourvue et ne contient que des lymphocytes B. En l'absence de lymphocytes T, il n'y a pas sécrétion d'anticorps anti-GRM. En revanche, le surnageant de la culture de cellules spléniques de Souris normale (lymphocytes B et lymphocytes T) déclenche la production d'anticorps puisqu'il y a agglutination. Comme le surnageant ne contient pas, par définition, de cellules, ce résultat peut s'expliquer en supposant qu'il contient des substances solubles issues de lymphocytes T et capables de stimuler les lymphocytes B. Ces caractéristiques correspondent à la définition des cytokines comme les interleukines.

Conclusion

Ces résultats illustrent la nécessité d'une coopération cellulaire entre lymphocytes B et T lors d'une réponse immunitaire à médiation humorale.


PARTIE III : Enseignement obligatoire (5 points)

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

A partir de l'exploitation des documents, expliquez l'évolution du taux de l'oxygène atmosphérique, de - 4.5 à - 1.5 milliards d'années.

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Avant de commencer

Les documents permettent de dater l'apparition de la photosynthèse et d'expliquer le décalage entre la production de dioxygène et son accumulation dans l'atmosphère.


CORRIGE

Introduction

La composition chimique de l’atmosphère terrestre a profondément changé depuis la formation de la Terre. L'oxygène atmosphérique, en particulier, qui représente aujourd'hui une proportion d'environ 21 %, était quasiment absent de l'atmosphère primitive. Comment explique-t-on cette évolution ?

L'atmosphère primitive

L’atmosphère primitive de la Terre, produite par le dégazage qui s’est produit après la formation de la planète il y a 4.5 milliards d'années (Ga) comportait seulement des traces de dioxygène (10-14 du taux actuel) comme le montre le document 1. C'est seulement vers - 2 Ga que la concentration en oxygène a commencé à augmenter beaucoup plus rapidement atteignant en 500 millions d'années (Ma) une valeur proche du taux actuel. Cette augmentation considérable est liée à l'apparition d'organismes capables de réaliser une photosynthèse aérobie.

Les stromatolithes

Le document1 indique que les plus anciens stromatolithes sont apparus à l'Archéen il y a environ 3.5 Ga. S'agissant de constructions calcaires dues à l'activité photosynthétique de cyanobactéries, micro-organismes aquatiques comme l'indique le document 2, l'existence de ces fossiles permet de dater l'apparition de la photosynthèse à - 3.5 Ga. On peut donc supposer que dès - 3.5 Ga, de l'oxygène gazeux était produit par ces micro-organismes. Les stromatolithes sont devenus abondants vers - 2.5 Ga comme l'indique le document 1 ce qui suppose une abondante production de dioxygène. Pourtant, son taux n'a augmenté significativement dans l'atmosphère que 500 Ma plus tard. Qu’est devenu entre-temps le dioxygène gazeux produit par les cyanobactéries ?

Piégeage du dioxygène en milieu marin

Produit en milieu marin, le dioxygène diffuse dans l’eau. Le document 1 montre que des dépôts sédimentaires marins contenant de l’hydroxyde ferrique se sont formés abondamment il y a 2.5 Ga. Comme l'indique le document 3, le fer précipite sous forme d'hydroxyde ferrique dans les eaux riches en oxygène. On interprète ces données en considérant que le dioxygène produit en milieu marin à cette époque a été piégé sous forme d'hydroxyde ferrique ce qui explique son absence de l'atmosphère à cette époque.

Accumulation de dioxygène dans l'atmosphère

Vers - 2 Ga, les gisements de fer rubané diminuent comme si le fer n'était plus suffisamment disponible pour former de nouveaux dépôts d'oxydes. En revanche, le document 1 montre que des sols oxydés de couleur rouille apparaissent à cette époque et deviennent de plus en plus abondants avec le temps. Compte tenu que la rouille se forme dans l'air par oxydation du fer ferreux en oxyde ferrique sous l'action de l'oxygène (document 3), le dioxygène s’est donc trouvé présent dans l’atmosphère terrestre il y a un peu plus de 2 Ga. L’augmentation de la quantité des sols contenant de l’oxyde de fer montre en outre que le taux d'oxygène atmosphérique a continuellement augmenté depuis le Précambrien atteignant sa valeur actuelle dès le début du Phanérozoïque (temps fossilifères).

Conclusion

Le dioxygène présent dans l’atmosphère a donc pour origine l’activité photosynthétique de micro-organismes procaryotes apparus il y a environ 3.5 Ga. Ce n’est que vers - 2 Ga que l’oxygène a pu se retrouver à l’état gazeux dans l’atmosphère après avoir été piégé dans des sédiments marins et s’y accumuler jusqu'à atteindre sa concentration actuelle.



PARTIE III : Enseignement de spécialité (5 points)

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

Pour un géologue, la mesure de la durée ou de la vitesse des événements géologiques anciens peut se faire grâce à l'étude de la durée ou de la vitesse des événements géologiques actuels.

Or, on constate que les événements actuels, tel le jeu d'une faille, montrent une alternance de phénomènes rapides séparés par des périodes de calme relatif.

En utilisant les documents fournis, montrez les limites du principe évoqué pour évaluer la durée d'un événement géologique tel la formation d'un fossé d'effondrement.

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Avant de commencer

Il s'agit d'exercer votre esprit critique en montrant les limites du principe de l'actualisme sur un exemple concret.


CORRIGE

Introduction

Les phénomènes géologiques anciens peuvent souvent s'interpréter à la lumière des phénomènes géologiques actuels car les géologues considèrent que les causes responsables des phénomènes géologiques actuels sont identiques à celles des phénomènes géologiques passés de même nature. C'est le principe de l'actualisme. Nous montrerons ici certaines limites de ce principe concernant la durée de formation d'un fossé d'effondrement.

Formation du fossé d'effondrement

Le fossé d'effondrement étudié est situé dans la corne de l'Afrique en bordure du golfe d'Aden, dans la région de Djibouti. C'est une partie du rift est-africain dont la formation a débuté il y a environ 35 Ma. Le fossé est marqué par une série de failles normales de direction nord-ouest sud-est, parallèles entre elles, qui délimitent des compartiments grossièrement symétriques par rapport au fond du fossé. Ces compartiments parallèles ont des altitudes croissantes du fond du fossé vers ses bords ce qui correspond à l'ouverture d'un rift liée à l'écartement des zones situées de part et d'autre du fossé. Dans le secteur étudié, la dénivellation entre le compartiment le plus élevé et le fond du fossé va de 240 m au centre de la zone jusqu'à près de 500 m au niveau du fond du lac Goubbet.

Vitesse de formation

Les documents présentés montrent que la vitesse des phénomènes tectoniques responsables de la formation du fossé d'effondrement n'est pas constante, à la fois dans l'espace et dans le temps.

Horizontalement, l'écartement annuel des repères marquant les bords du fossé est de 53 mm entre EP et DF alors qu'il est de 47 mm entre BY et LS au bord du lac Goubbet. Verticalement, le jeu des failles diffère également selon les repères. Ainsi, la faille qui sépare les repères 43b et 43 a rejoué de 3 cm entre 1979 et 1983 alors que la faille symétrique entre les repères 11 et 15 n'a rejoué que de 2 cm dans la même période.

En outre, l'activité tectonique peut aussi varier très largement au cours du temps. Ainsi, lors du séisme de 1978 dont l'épicentre se trouvait sous le lac Goubbet, le rejet des failles a pu atteindre 80 cm tandis que l'écartement des bords du fossé atteignait 2 m.

Comparaisons

En se fondant sur ces données, le mouvement vertical des failles observé lors du séisme de 1978 est 10 à 40 fois plus important que celui mesuré en quatre ans entre 1979 et 1983 ce qui correspond à une vitesse de rejet plusieurs milliers de fois plus rapide. Horizontalement, il en est de même. L'écartement des bords du fossé qui est d'environ 5 cm par an a été de 2 m en trois jours lors du séisme soit 40 fois plus grand. En tenant compte de la durée (5 cm en 365 jours contre 2 m en 3 jours), ceci correspond à une vitesse 4000 fois plus élevée.

Conclusions

Les mesures réalisées entre 1978 et 1983 montrent donc que la vitesse d'écartement des bords du fossé et celle de rejet des failles normales qui en découle varie considérablement au cours du temps. Lors des périodes de forte activité tectonique marquées par des séismes, les traces laissées dans la géométrie de la croûte sont équivalentes à celles qui s'impriment pendant plusieurs milliers d'années de calme relatif. En outre, la vitesse n'est pas identique en tous points. Ces résultats rappellent aux géologues la nécessité d'être prudents dans l'application du principe de l'actualisme, notamment lorsqu'il s'agit de déterminer la durée de phénomènes géologiques.