CORRIGES

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SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE

- Série S -

Nouvelle Calédonie - 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

Dans le cadre d’un réflexe myotatique, expliquez la naissance du message nerveux au niveau du fuseau neuromusculaire et sa propagation le long de la fibre afférente.

On ne traitera pas des phénomènes ioniques.



Avant de commencer

Retrouver le circuit nerveux pour identifier les éléments nerveux correspondants et les mécanismes mis en jeu. Rechercher les différents types de potentiels impliqués et se limiter aux phénomènes électriques transmembranaires, les phénomènes ioniques étant réservés à l'enseignement de spécialité.



CORRIGE

Introduction

Le réflexe myotatique, un des éléments du contrôle du tonus musculaire, est un réflexe monosynaptique lié à la circulation de messages nerveux entre deux neurones : un neurone sensoriel et un neurone moteur. C'est donc le cas le plus simple de circuit nerveux. Un message, généré par le neurone sensoriel à la suite de l'étirement d'un muscle, se propage jusqu'au neurone moteur dont l'activation provoque la contraction du muscle. Ceci permet d'ajuster la longueur du muscle.

Naissance du message nerveux

Fuseau neuromusculaire

Les muscles striés comportent des récepteurs d'étirement spécialisés, les fuseaux neuromusculaires. Ils sont constitués de fibres musculaires particulières autour desquelles s'enroule une fibre nerveuse, prolongement dendritique d'un neurone en T dont le corps cellulaire est situé dans un ganglion spinal annexé à la racine dorsale d'un nerf rachidien (voir schéma 1).

Schéma 1 : fuseau neuromusculaire et fibre afférente





Les fuseaux neuromusculaires sont des mécanorécepteurs sensibles à l'étirement. Lorsque le fuseau est étiré à la suite du relâchement ou de l'allongement du muscle qui le contient, il donne naissance à une dépolarisation de la membrane qui peut produire un message capable de se propager le long de la fibre jusqu'à la moelle épinière, centre nerveux réflexe.

Transduction et potentiel de récepteur

La naissance du message correspond à la transduction : le potentiel transmembranaire de la fibre nerveuse fusoriale est modifié par la stimulation mécanique, la différence de potentiel entre l'extérieur et l'intérieur de la membrane étant d'autant plus élevée que la stimulation est plus importante. C'est le potentiel de récepteur qui a pour caractéristiques d'être graduable en amplitude, sommable et non propageable. Si la valeur du potentiel atteint un seuil critique, le potentiel de récepteur devient un potentiel d'action propageable (voir schéma 2).

Schéma 2 : potentiels de récepteur

Propagation

Des potentiels d'action sont produits en permanence par le fuseau neuromusculaire, mais leur fréquence est d'autant plus élevée que la stimulation est plus forte. Ils sont propagés le long de la fibre dendritique du neurone ganglionnaire.

Un phénomène autorégénératif

Contrairement au potentiel de récepteur, les potentiels d'action se propagent sans diminution de leur amplitude. On dit qu'ils obéissent à la loi du tout ou rien. En effet, chaque potentiel d'action né au niveau du fuseau correspond à une brusque inversion du potentiel de membrane. A son voisinage, dans les zones non dépolarisées, la membrane présente des charges de signe opposé ce qui conduit à la formation de courants locaux. Ces courants ont pour effet de dépolariser la membrane à proximité ce qui provoque l'inversion du potentiel de membrane et donc la propagation de proche en proche du potentiel d'action. Pour cette raison, on dit que le potentiel d'action est un phénomène autorégénératif.

Propagation saltatoire

Dans les fibres myélinisées, les courants locaux ne peuvent se fermer qu'entre deux nœuds de Ranvier successifs, seule région où la membrane du neurone n'est pas isolée par la myéline du milieu aqueux et conducteur qui l'entoure. Dans ces conditions, la propagation est plus rapide dans les fibres myéliniques que dans les fibres amyéliniques (voir schéma 3).

Schéma 3 : conduction saltatoire



Conclusion

Ainsi, la naissance et la propagation des messages nerveux mettent en jeu deux catégories de potentiels membranaires : potentiels de récepteur qui naissent au niveau des terminaison nerveuses situées dans le fuseau neuromusculaire et potentiels d'action qui se propagent le long de la fibre nerveuse dendritique. Les premiers sont des potentiels locaux non propageables, graduables et sommables ; les seconds sont des potentiels propageables, dont la conduction est saltatoire et qui ne sont ni graduables ni sommables. Leur arrivée au niveau synaptique déclenchera l'activation des motoneurones correspondants.


PARTIE II : (8 points)

Mécanismes de l’immunité

Dans l'organisme, le système immunitaire reconnaît et détruit les cellules anormales, dont les cellules tumorales. Ces dernières présentent à leur surface des antigènes particuliers spécifiques de la tumeur. Les documents suivants illustrent quelques aspects de cette réponse immunitaire.

Utilisez vos connaissances pour exploiter les documents 1 et 2 afin d’expliquer la régression tumorale observée.

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Avant de commencer

Ne pas oublier qu'il s'agit d'utiliser ses connaissances pour apporter une explication. Il faut donc mettre en relation les informations apportées par les documents avec ses connaissances. L'ordre des documents ne préjuge pas de l'ordre de leur exploitation.



CORRIGE

Introduction

Deux grands types de réactions immunitaires, celles à médiation humorale et celles à médiation cellulaire interviennent dans la reconnaissance et la neutralisation des antigènes. Les cellules tumorales qui expriment à leur surface des antigènes spécifiques de la tumeur, déclenchent une réaction à médiation cellulaire qui, dans les cas favorables, aboutit à la régression de la tumeur.

Document 1.1

Chez une souris saine présentant les mêmes marqueurs du complexe majeur d'histocompatibilité (CMH) que la souris malade donneuse, la greffe de tumeur déclenche une réaction immunitaire qui aboutit à la régression de la tumeur. Puisqu'il s'agit de cellules tumorales, les antigènes des cellules tumorales constituent du soi modifié et la réaction immunitaire qui a conduit à la régression tumorale est une réaction à médiation cellulaire.

Document 2b

Ce document présente le mode d'action des cellules effectrices du rejet de greffe confirmant la médiation cellulaire de la réaction immunitaire. Un lymphocyte T s'approche de la cellule cible et la détruit en libérant des granules à la suite du contact. Il s'agit donc de lymphocytes cytotoxiques ou LT8.

Document 2a

Le document 2a confirme l'importance des LT8 dans la phase effectrice. Lorsqu'un animal reçoit une greffe tumorale, des LT8 sont stimulés lors de la phase d'induction. Aussi, lorsque les LT8 sont prélevés puis administrés à une souris qui reçoit ensuite une greffe de tumeur, la régression tumorale est plus rapide en raison de la présence préalable de LT8 dirigés spécifiquement contre la tumeur greffée.

Document 1.3

Le document 1.3 confirme l'importance des LT8. En effet, l'injection d'anticorps anti LT8 empêche la régression de la tumeur en détruisant les LT8 ce qui conduit à la mort de l'animal : en l'absence de lymphocytes cytotoxiques, la tumeur n'est pas détruite.

Document 1.2

Ce document montre l'importance d'une autre catégorie de LT dans la réponse à médiation cellulaire. Il s'agit des LT4 ou LT auxiliaires dont la stimulation lors de la reconnaissance de l'antigène aboutit à la sécrétion de cytokines qui provoquent l'expansion clonale des LT8. Lorsque ces LT sont neutralisés par un sérum spécifique, la réaction immunitaire n'a pas lieu et la souris meure.

Conclusion

Les documents illustrent donc l'importance des LT4 et des LT8 dans les réactions à médiation cellulaire. Les LT4 sont des lymphocytes auxiliaires activés par la présentation d'antigènes du soi modifié comme ceux d'une tumeur. Ils assurent l'amplification de la réponse en stimulant les clones de lymphocytes cytotoxiques (LT8) sélectionnés. Ces derniers sont les effecteurs de la réponse à médiation cellulaire et détruisent les cellules tumorales en établissant un contact avec elles ce qui a pour effet de faire régresser la tumeur.



PARTIE III : Enseignement obligatoire (5 points)

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

Les apports de nombreuses disciplines (paléontologie, biologie moléculaire…) ont permis de formuler des hypothèses sur la manière dont a pu s'opérer, au cours de l'évolution, la séparation entre la lignée humaine et celle des singes anthropomorphes (le chimpanzé, le gorille et l'orang-outan). Mais les résultats diffèrent selon les méthodes employées (hypothèses A, B ou C du document 1). On se propose de rechercher des arguments en faveur de ces filiations possibles.

Grâce aux documents 2, 3 et 4 proposés, présentez les arguments permettant d’effectuer un choix parmi les filiations hypothétiques proposées dans le document 1.

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Avant de commencer

Rechercher dans chaque document les informations permettant d'apprécier la plus ou moins grande parenté entre les espèces par les caractères qu'elles partagent ou non.


CORRIGE

Introduction

L'établissement de filiations entre les espèces repose sur l'identification des caractéristiques qu'ils ont en commun et des caractéristiques qui les séparent. Les informations apportées par les documents concernent à la fois le niveau chromosomique (remaniements) et le niveau du génome avec la séquence de la NAD déshydrogénase (NAD-DH). Permettent-elles de choisir entre les arbres proposés qui diffèrent par la position présumée des ancêtres communs et donc par la parenté plus ou moins étroite entre les quatre espèces ?

Document 2

Le document 2 montre que le gène de la NAD-DH de l'orang-outan a accumulé un nombre beaucoup plus important de mutations que celui des deux autres singes comparativement à l'homme ce qui montre que la branche de l'orang-outan s'est séparée de celle de l'homme précocement. Ceci confirme la séparation précoce de l'orang-outan prise en compte dans les trois hypothèses, mais en outre permet d'écarter l'hypothèse A. En effet, peu de ces mutations sont partagées par le gorille et le chimpanzé qui présentent, au contraire un nombre important de mutations ponctuelles communes ce qui est compatible avec les hypothèses B et C.

Document 3

Le document 3 conforte ce point de vue. Les bandes des chromosomes 2p et 2q de l'orang-outan diffèrent trop de celles des autres espèces pour qu'il n'ait pas divergé plus tôt qu'elles. En outre, les bandes identiques sur 2q et 2p entre chimpanzé et homme et la différence observée entre 2q du gorille et 2 q du chimpanzé tendent à éliminer l'hypothèse C car elles montrent une parenté plus étroite entre chimpanzé et homme qu'entre chimpanzé et gorille.

Document 4

Le document 4 confirme cette parenté plus proche. Le nombre de remaniements chromosomiques entre les quatre espèces étant inversement proportionnel à leur proximité génétique, ceci renforce l'élimination de l'hypothèse C en montrant que l'homme et le chimpanzé ont un ancêtre commun plus récent que celui qu'ils partagent avec le gorille.

Conclusion

On est donc amené à choisir l'hypothèse B comme la plus vraisemblable compte tenu des informations apportées par les documents.


PARTIE III : Enseignement de spécialité (5 points)

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

Les minéraux témoins des conditions de genèse des roches métamorphiques

A partir de l’échantillonnage réalisé sur un massif composé de plusieurs types de gneiss (roches métamorphiques), montrez que les minéraux sont caractéristiques des conditions pression-température de genèse des roches qui les contiennent, et que la succession des différents gneiss dans le massif répond à l’évolution dans l’espace de ces conditions.

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Avant de commencer

Replacez les différents échantillons sur le diagramme PT en utilisant les minéraux caractéristiques et mettez en parallèle le gradient PT ainsi identifié avec la position des échantillons sur le terrain.


CORRIGE

Introduction

Les gneiss sont des roches métamorphiques (c'est à dire des roches formées par la transformation en profondeur, à l'état solide, de roches préexistantes) contenant du quartz et du feldspath. Comme pour toutes les roches métamorphiques, leur composition minéralogique dépend de la roche d'origine et des conditions de pression et de température subies lors du métamorphisme. Elle reflète donc les variations dans l'espace et dans le temps de ces conditions au cours de l'histoire géologique de la région étudiée.

Le document 1 montre que les échantillons étudiés ont été prélevés le long d'une ligne nord-ouest sud-est sur un affleurement formé d'auréoles de gneiss bordées au sud-ouest par des roches sédimentaires argileuses.

Des minéraux caractéristiques

Les cinq échantillons diffèrent par leur composition minéralogique indiquée sur le document 3. Ce sont tous des variétés de gneiss comportant au moins du quartz, du mica et, à l'exception de E1, du feldspath. Ils ont donc une composition minéralogique proche de celle du granite. Nous nous intéresserons plus particulièrement aux minéraux qui les différencient car ce sont des minéraux néoformés aux dépens de ceux présents initialement dans E5, le gneiss le moins métamorphisé de la série.

Le gneiss E1 comporte de la muscovite et de la sillimanite et il est le seul à présenter des traces de fusion de certains minéraux. On peut en déduire qu'il s'est formé dans des conditions de pression et de température (PT) encadrées par les courbes de fusion des gneiss, d'une part, et par celle de la muscovite + quartz, d'autre part. Comme il présente des traces de fusion, c'est le produit d'une fusion partielle d'une roche préexistante réalisée à des températures voisines de 650°C sous une pression élevée de 0.5 à 0.7 GPa. La muscovite n'a pas été refondue mais la biotite et les plagioclases retrouvées dans l'échantillon E2 ont disparu. Il s'agit d'anatexie.

Le gneiss E2 ne présente pas de traces de fusion et s'est donc formé à des température inférieures à E1. Mais comme la sillimanite est toujours présente, il s'est mis en place à une température supérieure à 550°C. L'absence de cordiérite et de staurotide permet de préciser à 650°C et 0.6 GPa ses conditions de formation.

E3 s'est formé dans le champ de stabilité du disthène et de la staurotide caractérisé par des températures entre 500 et 600°C pour des pressions supérieures à 0.4 GPa.

L'absence de staurotide et de disthène dans E4 restreint son champ de formation à des températures et des pressions inférieures à celle des échantillons précédents mais la présence de grenat montre que la roche a été portée à une température supérieure à 450°C.

Enfin, E5 s'est formé à des températures de 400 à 450°C sous des pressions comprises entre 0.2 et 0.5 GPa, les valeurs les plus faibles puisqu'il contient toujours de la biotite mais pas de grenat.

Comme on a pu montrer expérimentalement que les différents minéraux se forment et restent stables dans des limites déterminées de pression et de température, leur présence dans les échantillons reflète les conditions dans lesquelles les roches se sont formées. Certains minéraux présents initialement, comme le quartz et la muscovite, n'ont pas été modifiés, P et T n'atteignant pas leurs valeurs critiques, tandis que les autres se sont transformés sous l'effet conjoint de l'augmentation de la température et de la pression donnant naissance à de nouveaux minéraux (sillimanite, disthène etc.).

Evolution des conditions dans l'espace

L'intensité du métamorphisme dépend de la pression et de la température. Dans la région étudiée, le métamorphisme va croissant le long de la ligne E5-E1, en raison d'un gradient croissant de température et de pression du sud-ouest vers le nord-est. L'évolution de la composition chimique des gneiss échantillonnés montre des transformations croissantes de E5 à E1 d'une roche de composition granitique (quartz, feldspath, mica). Selon leur distance à la région centrale où se produit la fusion (anatexie), les gneiss sont portés à des températures et à des pressions croissantes donnant naissance à de nouveau minéraux (grenat puis staurotide, disthène, sillimanite) qui servent pour nous de repères. Ainsi, la succession des différents gneiss correspond à l'évolution dans l'espace des conditions de température et de pression.