Métropole - Groupements 2 et 3 - Série S - Juin 1996
Durée de l’épreuve : 3 h 30

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

CORRIGES



PARTIE I : (7 points)

Unicité génétique des individus et polymorphisme des espèces

Présentez le brassage génétique au cours de la méiose et de la fécondation. Vous illustrerez votre exposé en prenant deux couples d’allèles (A,a et B,b) situés respectivement sur deux paires différentes de chromosomes.


CORRIGE

Introduction

Chez les organismes diploïdes à reproduction sexuée, comme l’Homme, la formation d’un nouvel individu résulte de la rencontre au hasard de deux gamètes haploïdes produits par les parents mâle et femelle dont la rencontre est, elle-même, le plus souvent due au hasard.

Au cours de la formation des gamètes, la méiose permet la transmission d’une moitié seulement des gènes de chaque parent à chaque gamète qu’il produit. Les parents étant génétiquement différents en raison du polymorphisme d’un grand nombre de gènes et de l’hétérozygotie de multiples locus, la méiose et la fécondation réalisent un brassage génétique conduisant à la constitution d’un nouveau patrimoine génétique original. Ce dernier rend compte de l’unicité génétique des individus.

Après avoir brièvement rappelé comment se transmet l’information génétique entre les générations, nous nous attacherons aux mécanismes qui, au cours de la méiose et de la fécondation, sont responsables du brassage génétique.

Nous prendrons l’exemple concret de deux couples d’allèles indépendants de façon à réaliser des schémas simples.

I- Le cycle biologique et la transmission de l’information génétique à travers les générations.

Le schéma 1 résume le cycle biologique d’une espèce diploïde comme l’espèce humaine.

Deux événements-clefs, la méiose et la fécondation rendent compte de la stabilité du nombre diploïde de chromosomes au cours des générations, la première aboutissant à des cellules haploïdes, la seconde rétablissant le stock diploïde du nouvel individu. Mais elles rendent compte aussi du brassage génétique car elles constituent les deux seuls événements du cycle au cours desquels le patrimoine génétique se trouve remanié.

Comment la méiose participe-t-elle au brassage génétique ?

II- Le brassage génétique lors de la méiose

Deux types de brassage se produisent lors de la méiose : le brassage interchromosomique et le brassage intrachromosomique. Nous les examinerons successivement.

1) Brassage interchromosomique

Considérons seulement deux couples d’allèles A,a et B,b portés par deux chromosomes différents. Considérons un individu hétérozygote pour les deux gènes, donc de génotype A/a, B/b.

La méiose est un ensemble de deux divisions cellulaires précédées d’une seule synthèse d’ADN et aboutissant donc à quatre cellules haploïdes. Par quels mécanismes est-elle responsable d’un brassage génétique ?

Le schéma 2 présente la répartition équiprobable des allèles au cours des deux divisions de la méiose.


Il montre essentiellement que la ségrégation indépendante des chromosomes est responsable d’une répartition aléatoire des allèles dans les cellules haploïdes formées.

Il en résulte quatre possibilités pour les génotypes des gamètes, toutes équiprobables :

A,B ; A,b ; a,B ; a,b.

Ainsi, pour deux gènes comportant chacun deux formes alléliques, quatre types de gamètes peuvent être produits.

Cependant, ce mécanisme n’est pas le seul responsable du brassage génétique.

2) Brassage intrachromosomique

Lors de la prophase I de la méiose, il peut se produire des recombinaisons entre chromosomes homologues. Si l’on considère les couples d’allèles A/a et B/b, cela ne change rien car ils sont indépendants. En revanche, si l’on considère des gènes liés, c’est à dire portés par un même chromosome, il en va tout autrement. Dans ce cas, on observe la formation de chromatides nouvelles caractérisées par des combinaisons d’allèles originales. Ce mécanisme de brassage intrachromosomique accentue encore la diversité des génotypes possibles des gamètes .

De plus, ce brassage se produit chez chacun des parents qui peuvent aussi différer par la nature des allèles qu’ils possèdent. Enfin, la diversité des gamètes formés par chaque individu est en réalité extrêmement élevée si l’on tient compte du grand nombre de gènes brassés lors de la méiose. Aussi, le nombre de génotypes possible chez les gamètes d’une espèce donnée est immense;

Que se passe-t-il lors de la fécondation ?

II- La fécondation, rencontre au hasard des gamètes

Lors de la fécondation, parmi l’immense diversité génétique produite par la méiose, un seul gamète de chaque sexe se voit sélectionné. Son génotype est nécessairement différent de celui de sexe opposé. Cette sélection, parmi des millions de combinaisons génétiques possibles, s’effectue au hasard. De plus, la rencontre des parents s’effectue elle-même au hasard, le plus souvent, amplifiant ainsi le caractère aléatoire de la nouvelle combinaison génétique réalisée par la fécondation.

Si l’on considère de nouveau nos deux couples d’allèles, si les deux parents ne forment que quatre types de gamètes différents, leur descendance pourra comporter quatre phénotypes et neuf génotypes différents (schéma 3).

Si l’on généralise aux dizaines de milliers de gènes de l’Homme, on conçoit que la probabilité d’obtenir deux fois le même génotype soit infime.

Conclusion

La méiose et la fécondation sont donc les deux moments privilégiés du brassage génétique lors de la reproduction sexuée. Elles permettent ainsi le maintien du polymorphisme et l’unicité génétique de chaque individu en redistribuant les allèles au hasard dans chaque gamète et en effectuant un " tirage au sort " parmi la multitude de gamètes possibles dont la rencontre est tout aussi aléatoire que celle des parents qui les produisent.


PARTIE II : (8 points)

Fonctionnement d’un système de régulation

Il s’agit d’étudier quelques aspects des mécanismes qui contrôlent le fonctionnement cyclique de l’ovaire chez la femme.

Diverses expériences ont montré que l’hypothalamus est indispensable à l’activité de l’hypophyse antérieure. En particulier, on y a isolé une substance : la GnRH. Chez la femme, une injection par voie intraveineuse de 50 µg de GnRH entraîne une libération immédiate de FSH et de LH puis une deuxième libération qui intervient 7 à 8 heures plus tard. Chez la guenon Rhésus, les cycles sexuels sont semblables à ceux de la femme. Chez une guenon ovariectomisée, on maintient, à partir du temps t0, par un dispositif adéquat, un taux plasmatique d’oestrogènes égal à 60 pg.mL-1. Au temps t1 on injecte, en plus, une forte dose d’oestrogènes. Le document 1 donne les résultats des dosages de LH et d’oestrogènes.

Exploitez les résultats expérimentaux proposés pour mettre en évidence quelques aspects de la régulation du taux des hormones sexuelles femelles. Vous préciserez les ultrastructures des cellules hypophysaires mises en jeu en annotant le document 2 que vous rendrez avec votre copie.

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Avant de commencer
Il s’agit d’utiliser les informations tirées de l’analyse des documents pour montrer en quoi des expériences, désormais classiques, ont permis de comprendre certains mécanismes de régulation des hormones sexuelles. Il faut donc commencer par analyser les documents pour en tirer le maximum d’informations.
L’annotation du document 2 (qui fait appel à des connaissances surtout acquises en première S...) ne se suffit pas à elle-même : l’ultrastructure doit être mise en relation avec les données physiologiques.

CORRIGE
Introduction

Le fonctionnement cyclique de l’ovaire, qui permet la préparation périodique de l’organisme des femmes à la fécondation et à la gestation, résulte d’un déterminisme complexe essentiellement hormonal.

Ce déterminisme a pu être élucidé principalement par des expériences sur les guenons dont nous allons examiner quelques résultats.

La GnRH ou gonadolibérine est une hormone hypothalamique. L’expérience évoquée dans le texte justifie son nom puisqu’après une injection intraveineuse, on constate une libération par l’hypophyse des gonadostimulines hypophysaires FSH (hormone folliculostimulante) et LH (hormone lutéinisante). Compte-tenu des relations anatomiques entre hypothalamus et hypophyse par l’intermédiaire du système porte hypothalamo-hypophysaire, cela correspond à son rôle physiologique de stimulation des cellules hypophysaires gonadotropes. Toutefois, l’effet observé 7 à 8 heures plus tard ne peut être direct.

L’expérience du document 1 permet d’expliquer cet effet " retard ".

Lorsque le taux sanguin d’oestrogènes est maintenu autour de 60 pg.mL-1, on constate que le taux de LH diminue progressivement. Les oestrogènes exercent donc une rétroaction négative sur la sécrétion de LH soit par action directe sur l’hypophyse, soit sur l’hypothalamus qui la contrôle, soit sur les deux.

Lorsque l’on injecte au temps t1 une forte dose d’oestrogènes, on constate qu’elle est suivie, au bout d’une à deux heures, d’une brusque augmentation de la sécrétion de LH par l’hypophyse antérieure. On peut supposer que la libération de LH est due à l’action de GnRH dont on nous dit qu’elle est indispensable à l’activité de l’hypophyse antérieure. On en déduit donc que la brusque élévation du taux d’oestrogènes a un effet inverse de celui d’une concentration faible mais constante : ce pic exerce une rétroaction positive sur l’axe hypothalamo-hypophysaire comme c’est le cas dans les conditions physiologiques lors de l’ovulation.

Dans ces conditions, les résultats observés chez la femme peuvent s’expliquer de la façon suivante :

l’injection de GnRH stimule les cellules gonadotropes de l’hypophyse antérieure qui répondent en sécrétant FSH et LH par exocytose (voir document 2 annoté). Les gonadostimulines FSH et LH passent dans le sang et sont transportées jusqu’à l’ovaire.

Elles y déterminent, par stimulation folliculaire, une brusque augmentation de la sécrétion d’oestrogènes dans la circulation sanguine dont la concentration était telle avant l’injection de GnRH qu’elle devait exercer sa rétroaction négative. Lorsque ce taux élevé d’oestrogènes atteint l’axe hypothalamo-hypophysaire, il exerce alors une rétroaction positive comparable à celle observée dans l’expérience menée chez la guenon. Il en résulte une sécrétion de GnRH se traduisant par une augmentation retardée de quelques heures de FSH et LH. On peut donc supposer que la rétroaction s’exerce principalement sur la sécrétion de GnRH par l’hypothalamus.

L’axe hypothalamo-hypophysaire est la cible principale des rétroactions intervenant dans le fonctionnement cyclique de l’ovaire.


PARTIE III : Enseignement obligatoire (5 points)

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

Les apports de l’embryologie et de la paléontologie ont permis de tracer la lignée évolutive des grands groupes de vertébrés selon la séquence : [poissons cartilagineux ® Poissons osseux ® Amphibiens ® Reptiles ® Mammifères], dérivée d’un ancêtre commun. Sur cette base, il s’agit d’étudier les mécanismes de l’évolution à l’origine d’espèces nouvelles.

Dans les documents 1 et 2 proposés, recherchez des facteurs possibles de l’apparition d’espèces nouvelles.

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Avant de commencer
Les documents illustrent des données très différentes : moléculaires dans un cas, biogéographiques dans l’autre.
Les données moléculaires seront exploitées pour illustrer les notions de duplication génique et d’évolution moléculaire, les données biogéographiques pour illustrer l’importance des facteurs écologiques dans l’évolution.

CORRIGE
Introduction

Les indices ayant conduit à la conception évolutive du vivant sont de nature multiple. Nous nous attacherons, par l’étude des documents, à démontrer que des données aussi différentes que celles relatives aux molécules et à l’écologie permettent de comprendre comment des espèces nouvelles peuvent se former.

Document 1

La séquence polypeptidique des hormones post-hypophysaires vasotocine (AVT), ocytocine (OT) et vasopressine (ADH, hormone antidiurétique) montre de fortes similitudes. Ces trois hormones sont des nonapeptides sécrétés par le même organe. Dans le tableau 1 b, entre AVT et OT, on observe une seule modification d’un acide aminé de la séquence (l’arginine en position 8 de l’AVT est remplacée par une leucine dans l’OT) de même qu’entre ADH et AVT (l’isoleucine en position 3 de l’AVT est remplacée par une phénylalanine dans l’ADH).

Compte-tenu que l’AVT est la seule présente chez tous les vertébrés considérés dans le tableau 1a, on peut la considérer comme plus ancienne. On constate alors que l’OT est apparue chez les poissons à branchies et à poumons et s’est maintenue chez les autres vertébrés apparus plus tardivement. L’ADH n’existe que chez les mammifères, les derniers apparus.

L’évolution de ces hormones est donc parallèle à celle des vertébrés et permet de penser qu’à partir d’un gène ancestral présent chez les poissons osseux à branchies seules, une première duplication du gène de l’AVT, contemporaine de l’apparition des poissons à branchies et à poumons, a permis de donner naissance à l’OT suite à une mutation du gène dupliqué. De la même façon, une autre duplication est intervenue lorsque les mammifères se sont formés à partir des reptiles.

Les données moléculaires présentées permettent donc de suivre la phylogénie des vertébrés même si les caractéristiques de ces hormones ne rendent pas vraiment compte des transformations majeures qui se sont produites dans cette lignée. Toutefois, des mécanismes du même ordre agissant sur des gènes " sratégiques " en terme de développement ont pu conduire aux acquisitions anatomiques et physiologiques rendant compte de la phylogénie des vertébrés.

Document 2

Le document 2 nous apporte des informations relatives au peuplement des îles océaniques. Comme l’avait déjà observé Darwin dans les Galapagos, le peuplement endémique des îles les plus anciennes semble résulter de l’arrivée accidentelle d’espèces de la région dans les temps anciens puisqu’il s’agit d’espèces sédentaires. Dans ces conditions, c’est l’évolution sur place des espèces " piégées " en espèces nouvelles qui rend compte de leur parenté proche avec d’autres espèces de la région (cas du raton-laveur de Guadeloupe). Ainsi, l’isolement géographique explique la divergence en espèces nouvelles car il a pu donner lieu à un isolement reproductif rapide.

Au contraire, les animaux dont les capacités de migration sont importantes, comme les crustacés à vie larvaire planctonique, peuvent coloniser les îles, mais ils échappent à l’isolement géographique puisque de nouvelles vagues de larves colonisent continuellement les îles et assurent le brassage génétique entre anciens et nouveaux arrivants. Ce mélange permanent ne permet pas l’isolement reproductif et donc la spéciation.

Conclusion

Ainsi, différents facteurs, comme la duplication puis l’évolution de gènes ou l’isolement géographique puis reproductif permettent d’expliquer certains aspects de l’apparition d’espèces nouvelles. En fait, les différents facteurs à l’oeuvre au cours de l’évolution se combinent et de nouvelles espèces se forment lorsqu’une barrière reproductive est apparue qu’elle qu’en soit l’origine, géographique ou génétique.


PARTIE III : Enseignement de spécialité (5 points)

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

Le document 1 présente un extrait de la carte de Sélestat, dans le massif vosgien. On cherche à dater relativement les terrains de cette région et à déterminer les conditions thermodynamiques ayant présidé à leur formation.

Les granites figurés sur la carte géologique sont entourés par différentes formations. Le tableau du document 2 donne la composition chimique de ces terrains. Le document 3 page précise les domaines de stabilité de quelques minéraux.

Proposez une chronologie relative des événements qui se sont succédés dans cette région, et indiquez les causes probables des transformations, sachant que les schistes de Steige sont d’anciennes roches argileuses.

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Avant de commencer
Recherchez d’abord les différents types de roches selon leur origine (sédimentaire, magmatiques, métamorphiques) et quelle peut être leur filiation éventuelle.

CORRIGE
Introduction

La chronologie relative en géologie permet de classer les terrains en fonction de leur mise en place relative au cours du temps. La carte proposée et les documents annexes permettent de proposer une chronologie et une explication des événements qui se sont produits dans la région entre Le Hohwald et Andlau sans pouvoir leur assigner un âge absolu.

La carte du document 1 montre différents types de terrains : des schistes d’origine sédimentaire se trouvent au sud tandis que les deux massifs granitiques qui les bordent au nord en sont séparés par une bordure de schistes tachetés de moins d’un km de large s’interrompant à 2 km d’Andlau. En se rapprochant des granites, on trouve des cornéennes.

Des roches volcaniques forment, de plus, un ensemble orienté nord-sud.

La rhyolite étant une roche volcanique, elle forme des épanchements. Etant donné qu’elle recouvre les autres roches, on peut supposer qu’elle a été la dernière à se mettre en place.

Le granite du Hohwald recoupe les schistes de Steige mais en est séparé par des schistes tachetés et une bordure de cornéenne de faible largeur. La série schiste - schiste tacheté - cornéenne est caractéristique d’une série métamorphique comme le montre leur composition chimique très proche. Ce granite est le dernier terme de la série est doit s’être formé par transformation métamorphique des schistes. (document 2). On en déduit donc que la mise en place du granite du Hohwald est postérieure à celle des schistes de Steige qui se sont mis en place plus tôt par sédimentation argileuse et diagenèse.

Le granite d’Andlau présente les caractéristiques d’un granite intrusif avec de fines auréoles de métamorphisme. Il a traversé les schistes de Steige qu’il a métamorphisés à son contact.

On peut résumer de la façon suivante cette chronologie :

1- Sédimentation ayant déposé les schistes de Steige.

2- Métamorphisme de la partie nord des schistes de Steige aboutissant progressivement au granite du Hohwald.

3- Mise en place du granite d’Andlau, pluton intrusif avec formation d’auréoles de cornéennes dans les terrains encaissants.

4- Epanchement volcanique nord-sud.

Les causes possibles des transformations peuvent être corrélées aux types de minéraux trouvés et à leurs domaines de stabilité ainsi qu’à la morphologie des auréoles métamorphiques.

Les cornéennes à sillimanite qui bordent le granite d’Andlau indiquent une transformation des schistes à température élevée au contact du granite lors de sa mise en place. Elles résultent du métamorphisme de contact. L’auréole de cornéennes à andalousite indique une transformation à température plus basse compatible avec l’hypothèse précédente.

Les schistes tachetés représentent une étape intermédiaire où le métamorphisme est moins avancé que dans les cornéennes montrant que la formation du granite du Hohwald a été plus progressive : il ne s’agit pas d’un granite intrusif.

La nature des roches métamorphiques et leurs relations avec les roches environnantes observées permet d’expliquer l’histoire géologique de cette région.