CORRIGES

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SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE

- Série S -

Sujet national - Septembre 1997

Durée de líépreuve : 3 h 30

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



PARTIE I : (8 points)

Transmission et intégration des messages nerveux au niveau cellulaire

Expliquez comment, dans un centre nerveux, un neurone reçoit des informations et les traite pour élaborer un message efférent.

Les mécanismes ioniques, étudiés en enseignement de spécialité, ne sont pas attendus.



Avant de commencer

Le plan est implicitement donné dans le sujet : réception des informations (transmission synaptique), traitement (intégration), élaboration d'un message de sortie (potentiels d'action). Illustrez votre propos par des schémas.



CORRIGE

Introduction

Le système nerveux est un système de communication câblé à l'intérieur de l'organisme. Il est formé de neurones responsables de la naissance, de la propagation et de la transmission des messages nerveux. Les centres nerveux comportent de très nombreux neurones recevant des informations (messages afférents) de la périphérie (récepteurs) ou d'autres centres et émettant à leur tour des informations (messages efférents) vers la périphérie (effecteurs) ou vers d'autres centres nerveux. Les messages émis par ces neurones résultent du traitement des signaux reçus au niveau des synapses établies avec les axones des neurones afférents. Nous examinerons donc d'abord comment un neurone d'un centre nerveux reçoit les informations, ensuite comment il les traite avant de considérer le problème de l'élaboration du message efférent.

La réception des informations au niveau synaptique

Une synapse est une zone de communication polarisée entre la terminaison axonale d'un neurone et une autre cellule (nerveuse, musculaire, glandulaire). Dans un centre nerveux, un neurone reçoit en général un grand nombre de synapses. Les axones des neurones afférents pénètrent dans le centre nerveux et leurs terminaisons axonales constituent les éléments présynaptiques de synapses axodendritiques et axosomatiques établies avec des neurones présents dans ce centre.

Au niveau de chaque synapse, les membranes des deux neurones sont séparées par un espace très ténu de 20 à 30 nm d'épaisseur, la fente synaptique, où la communication se fait par voie chimique. En effet, l'activité de chaque neurone présynaptique se traduit par l'émission par exocytose d'un neurotransmetteur dans la fente synaptique. En se liant à des molécules réceptrices spécifiques de la membrane du neurone postsynaptique, les molécules de neurotransmetteur modifient son potentiel de membrane et donc son activité. Voir figure1.

Figure 1 : fonctionnement d'une synapse

A un instant donné, un neurone reçoit des informations variées en raison du nombre et de la nature des synapses qu'il porte. Son niveau d'activité, et donc les signaux de sortie qu'il émet, dépendent de l'intégration de l'ensemble de ces signaux d'entrée.

L'intégration des informations afférentes

Un neurone peut comporter des milliers de synapses. Certaines donnent naissance à un potentiel postsynaptique excitateur (PPSE) en dépolarisant la membrane, d'autres à un potentiel postsynaptique inhibiteur (PPSI) en hyperpolarisant la membrane. La valeur du potentiel de membrane du neurone postsynaptique dépend de la résultante de ces influences. Ainsi, si les synapses excitatrices sont plus actives, l'activité du neurone postsynaptique sera plus élevée tandis que si les synapses inhibitrices sont plus actives, son activité diminuera. Les PPSE et PPSI au niveau du neurone postsynaptique correspondent à une variation locale de la polarisation membranaire. Ces variations du potentiel transmembranaire sont graduables, modulées en amplitude et sommable mais elles ne se propagent pas le long du neurone postsynaptique. Le corps cellulaire du neurone postsynaptique intègre l'ensemble de ces variations en en faisant la somme algébrique. Cette sommation obéit à deux modalités, spatiale et temporelle. Dans le premier cas, il s'agit de la sommation des potentiels postsynaptiques atteignant le neurone à un instant donné tandis que dans le second cas il s'agit de la sommation de potentiels postsynaptiques atteignant successivement le même neurone dans un court intervalle de temps. Voir figure 2

Figure 2 : mécanismes d'intégration

Comment l'ensemble de ces potentiels non propageables déclenche-t-il un message efférent qui se propage ?

L'élaboration du message efférent

Les messages de sortie des neurones sont constitués de signaux unitaires, les potentiels d'action. Un potentiel d'action est une brusque inversion du potentiel de membrane. En une ou deux millisecondes, ce dernier passe de sa valeur de repos (autour de - 70 mV en général) à une valeur positive (10 à 20 mV), c'est la dépolarisation, avant de revenir à sa valeur initiale, c'est la repolarisation. En outre, les messages sont constitués d'un ensemble de potentiels d'action dont la fréquence est le moyen de codage : plus le neurone est actif, plus sa fréquence d'émission est élevée.

Pour qu'un neurone puisse émettre un potentiel d'action, il faut que son potentiel de membrane atteigne une valeur seuil de dépolarisation au delà de laquelle la dépolarisation devient explosive conduisant à l'émission d'un potentiel d'action. Ce phénomène autorégénératif se propage le long de l'axone jusqu'à sa terminaison. Comme la valeur du potentiel membranaire du neurone postsynaptique dépend de l'action des neurotransmetteurs qu'il reçoit, un potentiel d'action ne sera émis que si la somme algébrique des potentiels postsynaptiques atteint le seuil de stimulation. En deçà de cette valeur, les variations du potentiel membranaire restent locales et ne se propagent pas : seuls les potentiels d'action sont propageables en raison de leur caractère autorégénératif. Le neurone postsynaptique intègre donc les messages afférents et son activité reflète la somme algébrique des PPSE et PPSI qu'il reçoit. Aussi, en fonction de l'activité des différents axones présynaptiques qui atteignent le neurone d'un centre nerveux, la fréquence de décharge de ce dernier sera plus ou moins élevée. De plus, selon le nombre des collatérales de l'axone, les messages de sortie seront acheminés vers un nombre plus ou moins important de neurones ou d'autres cellules cibles.

Conclusion

Ainsi, les neurones des centres nerveux constituent des unités de traitement des informations afférentes et leurs signaux de sortie dépendent des signaux d'entrée reçus. Au niveau de chaque neurone, les synapses constituent l'élément clé de ces mécanismes puisque c'est par leur intermédiaire que le potentiel de membrane du neurone postsynaptique est soumis au contrôle des neurones présynaptiques. Il faut noter que dans un centre nerveux, des neurones assumant les mêmes fonctions sont regroupés en une population cellulaire qui traite simultanément des informations de même origine.


PARTIE II : (7 points)

Maîtrise de la reproduction

A partir díune étude rigoureuse des documents 1 et 2 et à líaide de vos connaissances, justifiez le traitement prescrit et précisez si après celui-ci le couple pourra avoir un enfant.



Avant de commencer

Ne confondez pas justification et démonstration. Il faut utiliser les informations tirées des documents pour expliquer les motifs scientifiques des choix du médecin et leurs conséquences prévisibles.



CORRIGE

Introduction

L'objectif du médecin traitant madame X est de lui rendre sa fertilité. Dans ce but, un diagnostic précis doit être posé pour en déduire le traitement approprié permettant de corriger le défaut responsable de la stérilité.

Cause de la stérilité

Le dosage de la LH plasmatique de madame X (document 1) montre le profil de sécrétion de cette gonadostimuline au cours d'un cycle. On constate que la concentration en LH varie entre 5.5 et 8.2 mUI.mL-1 valeurs correspondant à la sécrétion basale de LH. Contrairement au profil hormonal d'une femme normale, la sécrétion de LH chez madame X reste grossièrement constante et faible. En particulier, il n'y a pas de pic préovulatoire de LH. Le médecin peut donc penser que la stérilité de madame X est liée à une absence d'ovulation due à la disparition de la stimulation ovarienne par la LH hypophysaire.

Toutefois, l'absence du pic de LH peut avoir plusieurs origines. Le médecin décide d'utiliser le clomiphène pour provoquer l'ovulation.

Traitement et résultats

Le clomiphène est un antagoniste des oestrogènes au niveau des récepteurs hypothalamiques. En se fixant sur ces récepteurs, il empêche les oestrogènes d'exercer leur rétrocontrôle sur les neurones hypothalamiques sans les empêcher d'exercer leur action sur les cibles périphériques. Le médecin attend du traitement que le blocage du rétrocontrôle permette aux neurones hypothalamiques de sécréter suffisamment de gonadolibérine, l'hormone hypothalamique hypophysiotrope, pour déclencher l'ovulation.

Le clomiphène est administré pendant cinq jours à partir du troisième jour après les règles. Un jour après le début du traitement, la sécrétion des gonadostimulines LH et FSH augmente rapidement : leurs concentrations atteignent respectivement 30 et 15 mUI.mL-1 ce qui a pour conséquence une augmentation de la sécrétion d'oestrogènes. Le traitement est arrêté à ce moment-là. On observe alors une forte augmentation de la sécrétion des oestrogènes qui passe de 40 µg/24h le dernier jour du traitement à 180 µg/24h deux jours après. On constate que l'accélération de la sécrétion des oestrogènes est suivie d'un second pic sécrétoire des gonadostimulines LH et FSH, encore plus élevé que le premier. Il est suivi d'un profil de sécrétion des hormones ovariennes analogue à celui d'une phase postovulatoire. Le clomiphène a donc permis de déclencher l'ovulation puisque la sécrétion de progestérone montre qu'un corps jaune s'est formé. Le clomiphène soustrait donc les neurones hypothalamiques hypophysiotropes à la rétroaction négative exercée par les oestrogènes mais comme le traitement est stoppé après cinq jours, il n'empêche pas la rétroaction positive responsable du pic préovulatoire de gonadostimulines qui déclenche l'ovulation.

Après le traitement

Le clomiphène a permis le déclenchement de l'ovulation et des sécrétions hormonales normales dans la phase postovulatoire. Le couple pourrait donc avoir un enfant si la fécondation a pu s'effectuer à ce moment-là. Toutefois, si ce n'est pas le cas, il sera nécessaire de répéter le traitement pour obtenir l'ovulation lors des cycles suivants puisque la stérilité semble avoir ici pour origine une insuffisance de la sécrétion de gonadolibérine par l'hypothalamus. Dans ce type de situation, le clomiphène est utilisé en général pour stimuler l'ovulation afin de recueillir des ovocytes destinés à la fécondation in vitro.



PARTIE III : Enseignement obligatoire (5 points)

Changements géologiques et modifications de la biosphère

Par une exploitation méthodique et critique des documents 1 à 4, précisez les conséquences de la " crise " Crétacé-Paléocène chez les Mammifères.



Avant de commencer

La période Crétacé-Paléocène est celle de l'extinction des Dinosaures (libération de niches écologiques) suivie de la radiation adaptative des Mammifères (occupation des niches libérées). Identifiez les informations correspondantes dans les documents en les hiérarchisant sans oublier d'exercer votre esprit critique sur les documents fournis.


CORRIGE

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. Nous essayerons de montrer que la radiation des Mammifères au Tertiaire est une conséquence de la crise.

Les premiers Mammifères et la crise Crétacé-Paléocène

Le document 3 montre que les premiers Mammifères (apparus peu après le début de l'ère secondaire comme l'indique le document 4), ont donné deux lignées au Jurassique : les Multituberculés qui disparaîtront à l'Oligocène et une lignée qui donnera naissance d'abord aux Monotrèmes (au Jurassique) puis aux Marsupiaux et aux Proteuthériens (au Crétacé) à l'origine de tous les autres Mammifères actuels et fossiles. A la fin du Crétacé, les Proteuthériens se diversifient en quelques groupes d'Euthériens (placentaires) dont la plupart existent encore aujourd'hui. Toutefois, à cette époque, les Mammifères sont peu diversifiés car chaque groupe présente peu d'espèces. Le document 4 indique également que ces espèces restent cantonnées dans des niches refuges en raison de la grande diversité des Dinosaures qui occupent la plupart des niches disponibles. Leur mode de vie nocturne les mettaient à l'abri des Dinosaures prédateurs.

Le document 1 confirme la faible diversification des Mammifères à la fin du Secondaire illustrée par le petit nombre d'espèces. Il montre en outre que les gisements fossilifères sont peu nombreux bien qu'il en existe partout sauf en Afrique, en Australie et en Antarctique. Toutefois, si ces données peuvent traduire la réalité du petit nombre d'espèces de Mammifères à cette époque, ce n'est pas une certitude car le petit nombre de gisements et d'espèces pourrait être dû à d'autres causes (conditions de fossilisation, petite taille des Mammifères du Crétacé etc.).

Le document 2 illustre également la faible diversité des Mammifères au début de l'ère secondaire avec des molaires n'autorisant qu'un petit nombre de régimes alimentaires différents : les Mammifères primitifs devaient occuper un nombre réduit de niches écologiques.

La crise Crétacé-Paléocène est marquée par la disparition des Dinosaures. En revanche, à la suite de cette crise, on observe une expansion des Mammifères dont les documents permettent de préciser certaines modalités.

La radiation des Mammifères au Tertiaire

Le document 3 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 17 à 29 tandis que le nombre d'espèces augmente considérablement dans la plupart des branches même si les Multituberculés, les Proteuthériens, les Embrithopodes ou 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 semble accompagnée de la conquête de nouveaux territoires suggérée par le document 1. Au Paléocène, le nombre de gisements et le nombre d'espèces qu'ils contiennent augmentent considérablement et on en trouve aussi en Afrique. Toutefois, l'absence de gisements en Afrique au Maastrichtien ne permet pas d'être certain que les Mammifères n'y étaient pas présents. Il en est de même pour ce qui concerne l'absence de gisements en Inde et à Madagascar au Paléocène.

L'évolution des molaires confirme que la diversification des Mammifères s'est accompagnée de la conquête de nouvelles niches écologiques. Ainsi, les molaires tribosphéniques qui permettent le broyage sont-elles compatibles avec un mode de vie herbivore. Compte tenu de la disparition des Dinosaures herbivores lors de la crise, les nouvelles espèces de Mammifères munies de ces dents purent occuper les niches laissées libres.

Conclusion

Ainsi, 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, apparition de dents modernes, nouvelles familles), c'est la disparition des Dinosaures qui a rendu possible l'explosion évolutive des Mammifères en libérant des niches jusque là inaccessibles pour eux.



PARTIE III : Enseignement de spécialité (5 points)

Les roches produits et témoins du temps

En reliant par un raisonnement logique les informations apportées par líétude des documents 1 à 3, justifiez les étapes du trajet thermodynamique du gabbro océanique devenu métagabbro.



Avant de commencer

Il s'agit de trouver dans les documents les arguments logiques qui permettent de retracer le trajet thermodynamique indiqué sur le document 3. Le trajet démarrant lors de la formation de la croûte océanique et se terminant dans les Alpes, les conditions initiales et finales sont connues. Il faut donc retrouver les minéraux caractéristiques des faciès schistes verts et schistes bleus dans les lames minces.


CORRIGE

Introduction

Les roches constituent des témoins du temps. Les roches métamorphiques, par exemple, contiennent des minéraux caractéristiques qui permettent d'identifier certaines étapes de leur histoire à partir de la reconstitution de leur trajet thermodynamique (pression, température, temps). Le document 3 rend compte du trajet thermodynamique du gabbro, une roche magmatique de la croûte océanique, lorsqu'il est métamorphisé en métagabbro. On le retrouve ensuite à l'affleurement dans les Alpes. Nous justifierons les étapes de ce trajet identifiables sur le document 3 en corrélant faciès métamorphiques et minéraux identifiables sur les lames minces.

Conditions initiales et première étape

Les gabbros se forment, comme indiqué dans le texte, au niveau d'une dorsale océanique à une profondeur d'environ 5 km où la température est d'environ 600°C. Ceci correspond aux conditions initiales indiquées sur le document 3. La pression correspondante est de 100 Ma environ. La croûte formée au niveau de la dorsale se refroidit après son émission et les gabbros sont entraînés avec elle par le "tapis roulant" des fonds océaniques. Ceci correspond sur le document 3 à la diminution de la température observée. En même temps, la pression augmente progressivement, des sédiments s'accumulant au cours du temps sur la croûte océanique.

Deuxième étape

Le document 2 montre que le métagabbro comporte à la fois les minéraux du gabbro (plagioclase et pyroxène) et une auréole de glaucophane autour du pyroxène. Il y a eu néoformation d'un minéral à partir de minéraux existants ce qui signe le métamorphisme. Soumis à de nouvelles conditions, le gabbro est devenu métagabbro. La formation de glaucophane est caractéristique du passage par des conditions correspondant au faciès des schistes bleus. Elle est donc un témoin du passage du gabbro océanique par une température peu élevée de 100 à 400°C sous une pression de 0.7 à 1.1 GPa. Ceci peut correspondre à la subduction de la croûte océanique refroidie d'une plaque lithosphérique sous une autre plaque.

Troisième étape

Le document 1 montre qu'à côté des minéraux du gabbro (plagioclase) et du métagabbro (glaucophane), de la chlorite est également présente dans cet échantillon sous forme d'auréoles autour des cristaux de glaucophane. La chlorite s'est donc formée postérieurement. Il s'agit d'un minéral caractéristique du faciès des schistes verts et elle indique donc que la roche a subi dans cette étape des températures comprises entre 200 et 400°C sous des pressions entre 0.9 et 0.2 GPa. La diminution de température et de pression depuis le faciès des schistes verts jusqu'aux conditions actuelles en surface pourrait donc correspondre à la formation des Alpes.

Actuel

Le gabbro de la croûte océanique métamorphisé en métagabbro se retrouve finalement dans les Alpes où l'échantillon a été prélevé. C'est le point terminal du diagramme correspondant à l'origine de la température et de la pression, celles qui règnent en surface.

Conclusion

Le métagabbro trouvé dans les Alpes a gardé la "mémoire" de certaines étapes de son trajet PTt sous la forme de minéraux néoformés séquentiellement d'abord à partir de minéraux du gabbro océanique puis à partir de ceux du métagabbro formé lors de la subduction de la croûte et enfin lors de sa remontée à l'occasion de la formation des Alpes.