CORRIGES

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SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE

- Série S -

Sujet national - 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

Dans tout centre nerveux, chaque neurone élabore des messages à partir des informations issues des différents autres neurones avec lesquels il est connecté.

Montrez comment se réalise la transmission synaptique et l'intégration des différents messages nerveux reçus par un neurone.

L'exposé s'appuiera sur des schémas clairs et soigneusement annotés

Les mécanismes ioniques ne sont pas attendus.



Avant de commencer

Le plan vous est indiqué dans la question : transmission synaptique puis intégration des messages nerveux. Un bon schéma valant mieux qu'un long discours, soignez les schémas de la transmission synaptique. N'oubliez pas qu'il existe des synapses excitatrices et inhibitrices. L’intégration (sommation spatiale et temporelle) détermine le signal de sortie au niveau de l’axone.



CORRIGE

Introduction

Les neurones reçoivent en permanence des messages afférents en provenance des axones d'autres neurones au niveau de synapses axosomatiques et axodendritiques. Les messages qu’ils émettent dépendent de l’intégration dans l'espace et dans le temps des signaux reçus par ces synapses. Après avoir examiné les modalités de la transmission synaptique nous verrons comment le neurone postsynaptique réalise l’intégration des signaux afférents.

I. Transmission synaptique

Principes

Le corps cellulaire et les dendrites de tout neurone reçoivent les terminaisons synaptiques d’un très grand nombre d'axones provenant d’autres neurones. Le premier est qualifié de postsynaptique, les seconds de présynaptiques en raison du sens de transmission de l'information qui se fait à sens unique par voie chimique à travers chaque synapse.

Les messages circulant le long des axones sont des trains d’onde, codés en fréquence, dont l’unité de signalisation est le potentiel d’action. Ce dernier correspond à une brève dépolarisation de la membrane axonale d’amplitude constante qui se propage le long de l’axone. Lorsque le message nerveux parvient à la terminaison présynaptique de l’axone, il induit la libération par exocytose du neurotransmetteur contenu dans les vésicules synaptiques. Le neurotransmetteur diffuse alors dans l’espace synaptique et va se lier à des récepteurs membranaires postsynaptiques. La liaison neurotransmetteur - récepteur induit alors une modification du potentiel membranaire du neurone postsynaptique (voir schéma 1).
 
 


Schéma 1.

Diversité des synapses

Si les messages afférents sont toujours des potentiels d’action, l’effet induit sur le neurone postsynaptique par la libération du neurotransmetteur dépend des récepteurs présents dans la membrane de ce dernier. Ainsi, certaines synapses sont excitatrices car elles induisent une dépolarisation de la membrane postsynaptique alors que d’autres sont inhibitrices car elles induisent au contraire une hyperpolarisation. En outre, l’amplitude de la variation de potentiel de la membrane postsynaptique est proportionnelle à la quantité de neurotransmetteur libéré qui dépend elle-même de la fréquence des potentiels d’action afférents. Ainsi, le message nerveux est transformé en message chimique au niveau de chaque synapse. Comment réagit le neurone postsynaptique à l’ensemble des messages reçus, excitateurs et inhibiteurs ?

II- L’intégration des messages

Caractéristiques des potentiels postsynaptiques

Les variations de potentiel membranaires provoquées par les neurotransmetteurs présentent des caractéristiques particulières. Contrairement aux potentiels d’action, leur amplitude n’est pas constante. Elle dépend comme on l’a vu de la quantité de neurotransmetteur libéré : les potentiels postsynaptiques, qu’ils soient excitateurs ou inhibiteurs, sont donc graduables. De plus, ils sont sommables à la fois dans l’espace et dans le temps : si deux potentiels postsynaptiques sont générés par deux synapses différentes, leurs effets s’ajoutent algébriquement. De même, si un potentiel postsynaptique est généré alors que le potentiel membranaire n’a pas encore retrouvé son niveau de base à la suite d’un message précédent, son effet s’ajoute algébriquement à celui de ce dernier. On parle de sommation spatiale et de sommation temporelle respectivement (voir schéma 2). Enfin, les potentiels postsynaptiques ne sont pas propageables contrairement aux potentiels d’action. Toutefois, ils peuvent être à l’origine d’un nouveau message nerveux dans l’axone du neurone postsynaptique.

Schéma 2.

La génération du message nerveux postsynaptique

Au niveau du corps cellulaire postsynaptique, les variations de polarisation de la membrane s’additionnent algébriquement comme on l’a vu ci-dessus. C’est l’intégration des messages afférents par le neurone postsynaptique. Il en résulte des variations permanentes du potentiel membranaire autour de sa valeur de repos. Le corps cellulaire d’un neurone est relié à l’axone par une région particulièrement excitable appelée cône d’émergence de l’axone. Tant que les variations de potentiel n’atteignent pas un seuil de dépolarisation, le neurone postsynaptique reste silencieux. En revanche, si la dépolarisation atteint cette valeur critique, différente selon les neurones, le segment initial donne naissance à des potentiels d’action. Leur fréquence dépend de l'intensité de la stimulation (voir schéma 3).

Schéma 3.

Conclusion

Ainsi, le neurone postsynaptique ne reproduit pas de façon inchangée les messages circulant le long des axones présynaptiques : il traite l’ensemble de ces informations qu’il intègre en un signal de sortie. Le neurone postsynaptique fonctionne donc comme une unité de traitement des informations afférentes. Le schéma 3 illustre cette fonction.


PARTIE II : (7 points)

Mécanismes de l'immunité

Au cours de sa vie, un organisme subit de multiples agressions à partir d'antigènes divers, à l'origine d'une réponse immunitaire. Cette réponse met en jeu différentes populations cellulaires. Les expériences relatées dans les documents 1 et 2 explicitent le rôle de certaines d'entre elles lors de la réponse immunitaire.

A partir des informations apportées par l'étude des documents 1 et 2 et à l’aide de vos connaissances, montrez qu'une réponse immunitaire à médiation humorale nécessite une coopération fonctionnelle entre cellules et précisez le rôle du complément.

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Avant de commencer

Une analyse des expériences doit apparaître dans votre copie et pas seulement les conclusions. Réfléchissez à l'ordre d'analyse des deux documents en fonction de ce qu'ils montrent.



CORRIGE

Introduction

Une réponse immunitaire à médiation humorale, comme toute réponse immunitaire spécifique, nécessite la coopération fonctionnelle de différentes populations cellulaires., Une coopération entre macrophages et lymphocytes T auxiliaires (LT4) est nécessaire lors de la phase d'induction tandis qu'une coopération entre LT4 et lymphocytes B assure la transformation de ces derniers en plasmocytes sécréteurs d'anticorps lors de la phase d'amplification. Les molécules du complément interviennent lors de la phase effectrice. Nous verrons en quoi l'analyse des documents permet d'illustrer ces différents points.

Document 1

Dans l'expérience du document 1 la formation de plages de lyse sur un tapis de globules rouges de mouton (GRM) met en évidence la sécrétion d'anticorps anti GRM qui, en présence de complément, provoquent la lyse des GRM. Ceci suppose la stimulation antigénique de lymphocytes qui se transforment en plasmocytes sécréteurs d'anticorps. Dans l'expérience du document 1, une réponse est observée seulement si les macrophages et les lymphocytes ont été cultivés ensemble en présence de GRM ou si des cellules spléniques sont cultivées en présence de GRM ce qui revient au même puisque la rate contient ces deux types de cellules. Ceci montre la nécessité d'une coopération fonctionnelle entre macrophages et lymphocytes pour qu'une réponse humorale ait lieu.

Document 2

Les souris thymectomisées et irradiées ne possèdent plus aucune cellule immunitaire, l'irradiation détruisant la moelle osseuse productrice de toutes les cellules immunitaires. En conséquence, on teste dans cette expérience les capacités de réponse de deux types cellulaires : des cellules prélevées dans le thymus et des cellules prélevées dans la moelle osseuse. Ici encore, les cellules issues du thymus ne donnent lieu à aucune réponse lorsqu'elles sont seules. Les cellules prélevées dans la moelle permettent une très légère agglutination, et produisent donc une petite quantité d'anticorps lorsqu'elles sont seules, ce qui prouve qu'il existe dans la moelle des clones de lymphocytes B aptes à répondre aux GRM en donnant des plasmocytes sécréteurs d'anticorps anti GRM. Toutefois, lorsque les deux types de cellules sont injectés ensemble, on observe une agglutination plus importante qui illustre l'amplification de la réponse liée à la coopération cellulaire. Parmi les cellules prélevées dans le thymus se trouvent des lymphocytes T4 capables de stimuler les lymphocytes B issus de la moelle. Cette coopération fonctionnelle est nécessaire pour que les clones de lymphocytes B anti GRM présents dans la moelle soient suffisamment stimulés comme c'est le cas dans le troisième lot.

Rôle du complément

Lors d'une réponse humorale, les anticorps sécrétés par les plasmocytes provoquent l'agglutination des GRM en raison de la présence de deux sites de reconnaissance antigénique sur chaque molécule d'immunoglobuline. Les GRM reliés par les molécules d'anticorps forment ainsi des complexes immuns. Toutefois, la destruction de la cible, les GRM, nécessite la présence du complément. Ce complexe protéique se lie simultanément à un site spécifique de la molécule d'anticorps et à la membrane du GRM ce qui a pour effet de provoquer la lyse du GRM.

Conclusion

Ainsi, si la phase d'induction comme la phase d'amplification nécessitent la coopération fonctionnelle de cellules, respectivement de macrophages et de lymphocytes T d'une part, et de lymphocytes T et de lymphocytes B, d'autre part, la phase effectrice nécessite la coopération de deux types de molécules : les anticorps et les protéines du complément.



PARTIE III : Enseignement obligatoire (5 points)

Aspects de l'histoire et de l'évolution de la Terre

Deux scénarios sont envisagés pour expliquer l'apparition des molécules prébiotiques sur Terre :

A partir des informations contenues dans les documents 1 à 4, discutez la validité de ces deux scénarios.

Remarque : "prébiotique" signifie "présent avant l'apparition de la vie".

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Avant de commencer

Faites une analyse poussée des documents et mettez en relation les informations que vous en tirez. Par discuter, on entend le fait de peser le pour et le contre des deux hypothèses en fonction des informations disponibles.


CORRIGE

Introduction

La formation des molécules prébiotiques à l'origine de la vie n'a laissé aucune trace fossile. Pour discuter la validité des scénarios proposés pour leur origine, terrestre ou extraterrestre, on en est donc réduit à utiliser des arguments indirects et à essayer de reproduire expérimentalement ce qui a pu se produire.

Document 1

Le document présente l'expérience de Miller au cours de laquelle l'atmosphère primitive est reconstituée artificiellement dans un ballon avant d'être soumise à des décharges électriques simulant des éclairs d'orage. Selon la composition en gaz du mélange introduit dans le ballon, les molécules formées qui sont récupérées dans le siphon sont différentes. Si l'on obtient dans les deux cas des molécules organiques, seul le mélange gazeux comportant de l'ammoniac et du méthane conduit à la formation de bases azotées et d'acides aminés, précurseurs respectifs des acides nucléiques et des protéines, molécules caractéristiques du vivant. La présence de carbone et d'azote réduits dans le mélange gazeux semble donc nécessaire à la formation de molécules prébiotiques dans cette expérience.

Document 3

La composition moyenne des gaz volcaniques terrestres à l'origine de l'atmosphère primitive de la Terre est très proche de celle des gaz chondritiques. Aucun des deux gaz ne comporte le carbone et l'azote réduits nécessaires pour que se forment des molécules prébiotiques dans les conditions recréées par l'expérience de Miller.

Document 4

La météorite de Murchinson comme la comète de Halley contiennent diverses molécules organiques. Toutefois, la météorite comporte des bases azotées et des acides aminés mais il n'est pas exclu que la comète en comporte également puisqu'elle contient des molécules organiques riches en azote et d'autre riches en soufre, ce dernier élément se trouvant dans certains acides aminés.

Document 2

La présence de cratères sur la Lune montre qu'elle a reçu des impacts de comètes, météores et météorites au cours des temps géologiques. Ce bombardement a été particulièrement intense entre - 4 et - 3 Ga, époque à laquelle ont dû apparaître sur Terre les molécules prébiotiques. La Terre, très proche de la Lune, a probablement été soumise au même type de bombardement à cette époque.

Interprétation et conclusion

La composition des gaz volcaniques, et donc celle de l'atmosphère primitive, comme celle des gaz chondritiques ne permet pas la formation de bases azotées et de nucléotides dans l'expérience de Miller. Si les conditions de formation des molécules prébiotiques étaient celles de l'expérience de Miller, ces molécules n'ont pu se former sur Terre.

En revanche, le fait d'avoir retrouvé des bases et des acides aminés dans une météorite associé au fait que la Terre a dû recevoir de nombreux impacts de ces corps célestes permet de penser que les molécules prébiotiques sont arrivées de l'espace.

Dans ces conditions, l'hypothèse de la formation des molécules prébiotiques sur Terre devrait être rejetée tandis que celle de leur formation extraterrestre devrait être validée.



PARTIE III : Enseignement de spécialité (5 points)

Évolution humaine et environnement

La mise en relation des informations apportées par l’étude des documents 1 à 3 vous permet-elle de confirmer ou d'infirmer l'hypothèse selon laquelle l'hémisphère Nord a été soumis à des variations climatiques au cours des 100 000 dernières années ?

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Avant de commencer

Distinguez les arguments tirés d'une analyse minutieuse des documents 2 et 3 puis montrez qu'ils convergent, les données pouvant être mises en parallèle en fonction du temps.


CORRIGE

Introduction

Le climat de la planète se caractérise par des fluctuations dans le temps et dans l'espace. A l'échelle de l'histoire géologique, divers outils permettent d'identifier ces fluctuations. Pour la période couvrant les 120 000 dernières années, c'est à dire le Pléistocène supérieur, période d'apparition de l'Homo sapiens, l'analyse de carottes de glace du Groenland et l'analyse des pollens accumulés dans les tourbières apportent respectivement des informations sur le paléoclimat et la paléoflore. Le climat étant un facteur déterminant de la répartition des espèces, la confrontation de ces données permet d'affiner la reconstitution des paléoenvironnements.

Document 1

Les carottes de glace prélevées au Groenland constituent une sorte de thermomètre isotopique car le rapport entre les isotopes 18 et 16 de l'oxygène dans la glace profonde du Groenland est un indicateur de sa température de formation. Or la température de formation de la glace au Groenland est d'autant plus basse que le climat global est plus froid.

Document 2

Le document 2 montre la proportion de l'isotope 18O dans une carotte glaciaire du Groenland qui couvre un peu plus de 100 000 ans, ce qui permet de suivre les fluctuations de température au cours de cette période. On remarque deux types de variations de la température. Des variations rapides (de l'ordre de quelques milliers d'années) dont l'ampleur, si l'on se réfère au document 1, peut atteindre près de 10°C et une variation plus lente correspondant à une diminution de 10°C en 80 000 ans au cours du Würmien alors que les 10 000 dernières années sont marquées par une remarquable stabilité de la proportion des isotopes et donc des températures qui sont nettement plus élevées. Les traces laissées dans les glaces par les isotopes de l'oxygène accréditent donc l'hypothèse de variations climatiques au cours des 100 000 dernières années avec une longue période de refroidissement encadrée de deux périodes plus chaudes.

Document 3

Le diagramme pollinique est représentatif de l'abondance des flores correspondantes. Comme les plantes ont des préférences climatiques bien identifiées, les informations sur leur abondance relative au cours du temps nous renseignent sur les paléoclimats.

La chênaie mixte, indicatrice d'un climat tempéré, a été particulièrement abondante au début du Pléistocène supérieur (lors de trois périodes situées à l'Eémien et au Würmien inférieur) avec des épisodes où l'abondance des Épicéas indique un climat plus froid. Au cours du Würmien, le développement de la strate herbacée correspond à une steppe de climat circumpolaire dont on déduit que le climat s'est refroidi considérablement et durablement (une dizaine de degrés Celsius pendant 50 000 ans). En outre, des fluctuations rapides herbe - épicéa à l'échelle du millier d'années montrent l'existence de brèves périodes de réchauffement relatif (5°C).

Conclusion

Les informations tirées du profil pollinique complètent celles apportées par l'analyse isotopique des glaces du Groenland. Il y a 120 000 ans, le climat était tempéré avec chênaie mixte. A partir de cette période les températures ont commencé à diminuer, l'épicéa et les herbes gagnant du terrain malgré de brèves périodes de réchauffement à l'échelle du millier d'années où l'importance de la steppe décroît momentanément. Les variations de flore correspondent donc aux variations de température enregistrées avec des méthodes différentes.

L'hypothèse selon laquelle l'hémisphère Nord a été soumis à des variations climatiques au cours des 100 000 dernières années est donc confirmée par ces deux types d'observations sur des indicateurs climatiques différents.