SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE

- Série S -

Antilles - Guyane, Septembre 1998

Durée de l’épreuve : 3 h 30

Coefficient : 6 ou 8


Corrigés

Partie 1 (8 points)

Mécanismes de l'immunité.

Sujet

Présentez les mécanismes qui, lors de la réponse immunitaire à médiation humorale, aboutissent à la destruction d'antigènes libres ou portés par des cellules.

Votre exposé sera illustré de schémas.


Avant de commencer
Retrouvez les étapes communes des réponses immunitaires à médiation humorale et les particularités liées à la nature de l'antigène. Plusieurs schémas sont nécessaires (anticorps, reconnaissance, phagocytose…) qui allègeront d'autant le texte.


Corrigé

Introduction

Les réponses immunitaires à médiation humorale, réponses mettant en jeu des anticorps circulants, les immunoglobulines, peuvent être déclenchées par des antigènes libres (molécules antigéniques, fragments de membranes) ou par des antigènes portés par des cellules (bactéries, globules rouges). Leur destruction nécessite au préalable que les antigènes soient reconnus comme du non-soi et que les cellules productrices d'anticorps soient activées.

La reconnaissance du non-soi

Les cellules chargées de reconnaître le non-soi sont des lymphocytes. Dans le cas d’une réponse à médiation humorale, il s’agit de lymphocytes B (LB), cellules qui acquièrent leur immunocompétence dans la moelle osseuse. Les LB sont capables de reconnaître des antigènes circulants comme ceux portés par certains microorganismes. Cette capacité est liée à la présence de récepteurs membranaires, les récepteurs B, capables de reconnaître et de lier un antigène de façon spécifique, chaque clone de LB ne reconnaissant qu’un seul antigène car il n'exprime qu’un seul type de récepteur B. Les récepteurs B sont des anticorps membranaires. Ils sont constitués de quatre chaînes polypeptidiques identiques deux à deux, deux chaînes lourdes et deux chaînes légères. Chaque chaîne comporte une région constante et une région variable, les régions constantes des chaînes lourdes permettant la fixation à la membrane de la cellule, les régions variables étant responsables de la reconnaissance et de la liaison de l’antigène. Le schéma 1 présente la structure générale d’un anticorps. Les anticorps circulants, les immunoglobulines ont une structure de base similaire.

Lorsque la molécule antigénique présente une configuration spatiale complémentaire de celle du site correspondant de la molécule d’anticorps (site de reconnaissance), elles se lient entre elles, la liaison étant stabilisée par des liaisons chimiques faibles comme le montre le schéma 2.

La neutralisation du non-soi

La reconnaissance d’un antigène par un LB permet la sélection d’un clone spécifique par l’activation du LB qui se multiplie et donne naissance à des plasmocytes, cellules productrices d’anticorps circulants, les immunoglobulines. Il faut noter que, le plus souvent, l’activation de la réponse immunitaire nécessite la coopération de lymphocytes T4 auxiliaires qui stimulent les LB par des cytokines, messagers chimiques intercellulaires. Les anticorps sécrétés par les plasmocytes possèdent la même structure de base que les anticorps membranaires mais ils circulent en solution dans le sang. Ils reconnaissent le même déterminant antigénique que celui à l’origine de la stimulation du LB et se lient à lui. Dans le cas de microorganismes, les molécules d’anticorps recouvrent la surface cellulaire. Du fait de leur double site de liaison de l'antigène, les anticorps peuvent aussi constituer des complexes immuns au sein desquels les antigènes se retrouvent immobilisés (schéma 3).

L’élimination du non-soi

Les complexes immuns sont détruits par phagocytose car la partie constante des immunoglobulines est reconnue par un récepteur spécifique des cellules phagocytaires, macrophages et granulocytes (voir schéma 1). Ces cellules ingèrent les complexes antigène - anticorps qui sont détruits par digestion intracellulaire (schéma 4).

Les anticorps fixés au non-soi, par exemple à des antigènes portés par une bactérie, peuvent être éliminés de la même façon mais leur destruction implique en général le complément. Les molécules d’immunoglobulines circulantes comportent un site de liaison pour le complément (voir schéma 1). Le complément est un ensemble de protéines non spécifiques qui s’activent en cascade lorsque les immunoglobulines se lient aux antigènes. Cette cascade de réactions aboutit à la formation d’un complexe lytique entre immunoglobuline et complément détruisant la cellule cible par attaque de sa membrane. Les déchets sont alors éliminés par phagocytose.

Conclusion

Les mécanismes aboutissant à la destruction des antigènes lors d'une réponse immunitaire à médiation humorale mettent en jeu des cellules et des molécules. Les molécules de surface confèrent leur capacité de reconnaissance des antigènes aux cellules tandis que des messagers chimiques assurent leur activation. Finalement, les anticorps circulants produits par les plasmocytes neutralisent les antigènes, libres ou liés. La phase finale faisant intervenir ou non le complément, protéines non spécifiques, dépend de la nature de l'antigène.



Partie 2 (7 points)

Aspects du fonctionnement des centres nerveux

Sujet

Expliquez les propriétés intégratrices du motoneurone en exploitant les documents proposés et en utilisant vos connaissances.

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Avant de commencer
Définissez "propriétés intégratrices", identifiez celles qui se déduisent des expériences et faites appel à vos connaissances pour compléter.


Corrigé

Introduction

Chaque neurone est capable d'intégrer divers signaux d'entrée en un signal de sortie, le potentiel d'action. Quelles en sont les modalités ?

Document 1

Les stimulations d'intensité A et B des expériences 1 et 2 produisent une simple dépolarisation locale de la membrane de quelques mV comme le montrent les enregistrements obtenus en O1 et l'absence de propagation entre O1 et O2. Les stimulations A et B sont donc infraliminaires. En revanche, la stimulation C de l'expérience 3 donne naissance à un potentiel d'action, brusque dépolarisation du potentiel membranaire. L'observation d'un potentiel d'action en O2 montre que ce signal se propage le long de l'axone du motoneurone. La stimulation C est donc supraliminaire, le neurone ne produisant un signal de sortie que pour un signal d'entrée égal ou supérieur à un seuil.

L'expérience 4 montre que deux stimulations d'intensité B appliquées avec un intervalle de 10 ms produisent uniquement des dépolarisations locales. En revanche, si elles sont rapprochées de 5 ms, elles déclenchent un potentiel d'action qui se propage. Il y a donc eu sommation temporelle, c'est à dire intégration par le neurone de deux signaux d'entrée infraliminaires en un seul signal de sortie. Outre la sommation temporelle, le neurone est capable de sommation spatiale, c'est à dire qu'il est capable d'intégrer des signaux d'entrée provenant simultanément de différents neurones afférents faisant synapse avec lui. Les signaux intégrés par le neurone dans les exemples précédents étaient des signaux de même sens, dépolarisant le neurone postsynaptique. Mais le neurone peut intégrer également des signaux de sens opposé comme le montre le document 2.

Document 2

On constate que des stimulations d'intensité croissante des fibres afférentes provoquent une hyperpolarisation croissante de la membrane du motoneurone. Ainsi, non seulement le neurone intègre temporellement et spatialement les stimulations qu'il reçoit mais en outre, certaines afférences, comme les axones de certains interneurones, sont capables de l'inhiber en abaissant son potentiel membranaire de façon modulable. Plus la membrane sera hyperpolarisée et plus la naissance d'un potentiel d'action sera difficile, nécessitant un plus grand nombre de stimulations dans l'espace et dans le temps ou des stimulations d'intensité plus forte pour que la dépolarisation atteigne le seuil produisant un potentiel d'action propageable.

Enfin, dans le temps, le neurone émet des messages modulés en fréquence formés de trains de potentiels d'action qui se propagent le long de l'axone postsynaptique. La fréquence de ces signaux propagés dépend non seulement de l'intégration par le neurone postsynaptique de l'activité des axones afférents comme on l'a vu ci-dessus, mais aussi de l'existence d'une période réfractaire limitant la fréquence d'émission possible des signaux de sortie.

Conclusion

L'activité du motoneurone est modulée par l'activité des axones qui font synapse avec lui. À chaque instant, le neurone intègre des signaux dépolarisants et hyperpolarisants et en fait la somme algébrique. Si la dépolarisation atteint le seuil, le cône axonique génère un potentiel d'action propagé. En outre, le neurone module la fréquence d'émission des signaux de sortie permettant ainsi le codage des messages efférents. Dans le système étudié, l'activité du motoneurone peut ainsi être réglée simultanément par les afférences sensitives stimulatrices provenant du muscle fléchisseur et les afférences sensitives inhibitrices provenant du muscle extenseur. L'intégration de ces signaux antagonistes permet le réglage de la contraction du biceps, muscle fléchisseur, en fonction de l'état des deux muscles antagonistes, biceps et triceps.



Partie 3 Enseignement obligatoire (5 points)

Histoire de la Terre et des êtres vivants.

Sujet

Expliquez à l'aide des documents proposés comment a été construit l'arbre phylogénétique des Proboscidiens.

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Avant de commencer
Il faut partir de l'arbre proposé et justifier à partir de l'étude des documents la descendance adoptée. Retrouvez les tendances évolutives des caractères anatomiques et dentaires sur lesquels repose la filiation proposée.


Corrigé

Introduction

La succession des espèces au cours des temps géologiques nous est connue par les fossiles. Pour construire l'arbre phylogénétique d'un groupe de Vertébrés, ici les Proboscidiens, on s'appuie sur divers arguments. Les modifications des dents et du crâne, l'existence d'une trompe, la taille, peuvent montrer une tendance évolutive tandis que la répartition géographique et l'âge permettent de reconstituer les migrations et de dater les divers fossiles.

L'arbre phylogénétique des Proboscidiens

Le document 4 montre que les Proboscidiens sont apparus à l'Éocène, en Égypte, avec trois branches, Meritherium, Dinotherium et les Mastodontes, issues d'un ancêtre commun de l'Éocène. Les éléphants actuels descendraient de la principale branche, celle des Mastodontes dont le Stegodon, ancêtre du genre Elephas, constitue une branche latérale apparue au Pliocène.

Les trois branches

Le plus ancien Proboscidien de l'Éocène, Meritherium, est considéré comme constituant l'une des trois branches car il possède des caractères primitifs comme une formule dentaire presque complète, très éloignée de celle des éléphants actuels et fossiles qui ne conservent que deux molaires par demi mâchoire et une incisive supérieure. En outre, ses molaires sont peu spécialisées et il n'avait peut-être pas de trompe. Son crâne est peu allongé mais il possédait de petites défenses. Il était localisé à l'Égypte et a disparu après le début de l'Oligocène alors que Paleomastodon dont les caractères sont plus évolués était déjà apparu. Il ne peut donc en être l'ancêtre.

Dinotherium, également localisé à l'Égypte, seule espèce dont les incisives inférieures sont développées sans que les supérieures le soient, constitue un rameau qui a culminé à la fin du Miocène et au Pliocène avant de disparaître au Quaternaire. Il constitue une branche à lui seul car ses caractéristiques, notamment dentaires comme l'absence d'incisives supérieures, se maintiennent pendant la fin du Miocène et au Pliocène, époque où des ancêtres des Elephas sont identifiables. Or ce qui disparaît dans une lignée, ici l'incisive supérieure, ne réapparaît jamais ultérieurement. Il a donc disparu sans descendance connue.

La branche des Mastodontes commence avec Paleomastodon, un animal de petite taille mais déjà muni d'une trompe et d'une tête osseuse plus allongée que celle des deux autres branches avec des défenses supérieures et inférieures. Le nombre de dents est également déjà plus réduit que dans les deux autres branches annonçant les genres postérieurs. Les Mastodontes existent à la même époque que Dinotherium mais ils ont gagné l'Eurasie puis l'Amérique et l'Afrique. Leur mâchoire inférieure régresse ainsi que les défenses et le nombre des dents tandis que les molaires se spécialisent avec des tubercules transversaux. C'est pourquoi ils sont considérés comme les descendants du Paleomastodon.

Tendances évolutives et origine des éléphants actuels

La trompe, peut-être inexistante chez le plus ancien représentant, devient de plus en plus importante chez les formes successives et préhensile. Son évolution traduit une spécialisation croissante du régime alimentaire. Il en est de même de la tendance à la réduction du nombre de dents et à la spécialisation des molaires. Celle-ci se traduit par des crêtes parallèles transversales de plus en plus nombreuses et fines adaptées au broyage des végétaux alors que les formes plus anciennes présentent des molaires à tubercules arrondis peu spécialisées. C'est pourquoi, Stegodon du Pliocène moyen qui possède la formule dentaire actuelle des éléphants et a gagné l'Asie, est considéré comme le descendant des Mastodontes et l'ancêtre du genre Elephas qui a colonisé l'Eurasie et l'Afrique. Les Mastodontes avec leurs deux paires de défenses et leurs molaires à tubercules transversaux sont en effet présents jusqu'au début du Quaternaire, contemporains d'Elephas. Ils ont donc continué à évoluer indépendamment de Stegodon puis d'Elephas. Les principales caractéristiques de ces derniers sont acquises au Pliocène supérieur lorsque les différentes espèces ont colonisé l'Asie, l'Europe et l'Afrique. Ces espèces (Mammouth, E. antiquus)présentent des variations liées surtout au climat des régions où elles vivent. Les espèces adaptées au froid comme le Mammouth ont disparu au Quaternaire moyen tandis que dans les régions chaudes, E. antiquus a donné naissance aux deux espèces actuelles présentes en Asie et en Afrique tropicales.

Conclusion

Les relations de parenté des Proboscidiens ont été établies en confrontant l'évolution de la spécialisation anatomique des espèces fossiles à leur distribution spatiale et temporelle. Elles permettent de reconstruire un arbre phylogénétique vraisemblable comportant trois branches principales issues d'un ancêtre commun, les éléphants actuels étant issus de l'une des trois branches.



Partie 3 Enseignement de spécialité (5 points)

Les roches, produits et témoins du temps.

Sujet

La craie est l'une des principales roches du sous-sol du nord de la France. En réalité, elle correspond à un ensemble de roches sédimentaires, riches en Foraminifères fossiles et constituées presque exclusivement de carbonate de calcium. Cependant la craie peut contenir en proportions variables d'autres composants comme le phosphate, naguère exploité en Picardie.

Définissez la succession des événements ayant affecté le pays de Bray, puis précisez la durée de la sédimentation de la craie en Picardie et proposez une méthode de datation précise pour prévoir la présence possible de phosphate aux lieux de prélèvement cités. (Document 4).

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Avant de commencer
Trois questions quasiment indépendantes. La première est une application des principes de la stratigraphie. La réponse aux deux autres implique de rechercher les informations pertinentes dans les documents proposés, échelle des temps géologiques et microfossiles, respectivement.


Corrigé

Introduction

La succession des événements ayant affecté le pays de Bray peut être reconstituée à partir des caractéristiques des roches sédimentaires du sous sol de la région et de leurs relations géométriques. La durée de sédimentation de la craie se déduit de l'échelle des temps géologiques tandis qu'une méthode de datation fondée sur les microfossiles peut permettre de prévoir la présence possible de phosphates.

L'histoire géologique du pays de Bray

La carte du document 1a montre que la craie déposée au Crétacé supérieur (-97 Ma à - 65 Ma) affleure sur la plus grande partie de la surface couverte par la carte à l'exception du sud-est où elle est recouverte par des dépôts du Tertiaire (Paléocène et Éocène de -65 Ma à -35 Ma) et d'une petite boutonnière dans la craie, de direction nord-ouest sud-est d'une cinquantaine de km de long dont la largeur ne dépasse guère 15 km, au fond de laquelle apparaissent des terrains plus anciens datés du Crétacé inférieur et du Jurassique supérieur. Cet aspect sur la carte est caractéristique d'un anticlinal au sommet érodé. La coupe géologique du document 1b confirme ces observations et permet de préciser les relations entre les couches sédimentaires d'où l'on va déduire la succession des événements géologiques qui se sont succédé.

Le Jurassique supérieur forme les couches les plus anciennes déposées entre -157 Ma et - 145 Ma repérées dans le sous-sol du pays de Bray où elles sont constituées de calcaires, de sables et de grès indiquant que la sédimentation d'abord marine est passée ensuite à un faciès côtier montrant ainsi un recul progressif de la mer. Les couches du Crétacé inférieur formées d'argiles, de sables et de grès se sont déposées ensuite de -145 Ma à - 97 Ma. Ces roches correspondent plutôt à des faciès continentaux. Au Crétacé supérieur, la mer envahit la région comme le montrent les importants dépôts de craie, roche caractéristique d'une sédimentation dans une mer peu profonde. C'est une transgression.

Après les dépôts de craie du Crétacé, différentes roches sédimentaires se sont succédé au Paléocène et à l'Éocène. Une régression s'est produite au Paléocène suivie d'un retour bref de la mer à l'Éocène (calcaires). Le gypse et les marnes, faciès sédimentaires correspondant à une sédimentation lacustre indiquent une nouvelle régression à la fin de cette période tandis qu'une nouvelle transgression s'est produite à la fin de l'Oligocène.

L'ensemble des couches sédimentaires de la région a été ensuite affecté par des mouvements tectoniques ayant donné naissance à un anticlinal dont l'axe sud-est nord-ouest est celui du pays de Bray. Toutefois, l'érosion a déblayé la plupart des dépôts tertiaires ne laissant que des buttes témoins dont la plus orientale dans le Vexin français est surmontée de roches datant de l'Oligocène. Ces mouvements ont donc eu lieu après l'Oligocène puisque toutes les couches sont affectées de la même façon. Dans le pays de Bray, la craie du Crétacé supérieur a été entièrement érodée mettant à nu le Crétacé inférieur au fond de la boutonnière ainsi formée tandis qu'un peu plus au nord-ouest l'érosion a atteint le Jurassique supérieur.

La craie de Picardie

En Picardie, les dépôts de craie sont puissants, d'une épaisseur de 150 m et correspondent essentiellement au Sénonien qui regroupe les derniers étages du Crétacé supérieur. Le document 3 montre que la craie de Picardie s'est formée à partir de la fin du Turonien jusqu'à la fin du Campanien inférieur. L'échelle des temps géologiques du document 2 permet d'attribuer une date précise à ces étages. Ainsi, la craie s'est déposée entre -90 Ma et -80 Ma soit pendant 10 Ma.

Méthode de datation

Il existe six niveaux phosphatés dans la craie de Picardie, repérés dans le document 3. Ce document montre également que des microfossiles, les Foraminifères, peuvent être utilisés pour établir une biochronologie car leur extension dans les couches successives est bien documentée. Une biozone correspond ainsi à une combinaison déterminée d'espèces de microfossiles permettant de diviser les étages en unités stratigraphiques plus précises. Ainsi, un niveau particulier peut être caractérisé par la combinaison des espèces de Foraminifères fossiles qu'il contient. Le prélèvement de Grande Vallée dans un affleurement de craie grise comporte seulement deux espèces de Foraminifères, Globorotalites minutus et G. subconicus. Le document 3 montre que ces deux espèces sont présentes simultanément à la base du Turonien mais l'absence d'autres espèces avec lesquelles elles sont habituellement associées (Preaglobotruncana praehelvetica, P. helvetica, Gavelinella monoliformis, etc.) ne permet pas de distinguer les biozones Tm et Ts. Toutefois, il ne peut y avoir de dépôts phosphatés à la base du Turonien. Le prélèvement de Beauval montre la présence de sept espèces de Foraminifères. La seule couche où sont présentes exclusivement ces espèces correspond à la biozone e du Santonien. Or le niveau phosphaté 4 se situe à la moitié inférieure de cette biozone. Il y a donc une chance importante de trouver des phosphates à la base de cette couche. Ainsi, une datation précise de l'âge des roches reposant sur les microfossiles peut permettre de localiser une ressource géologique.

Conclusion

Les roches sédimentaires formées au cours des temps géologiques constituent des archives de l'histoire géologique et biologique de la planète permettant de reconstituer celle-ci. De plus, les informations qu'elles apportent sont mises à profit pour découvrir d'éventuelles ressources géologiques.