SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE

- Série S -

Sujet national - Septembre 1998

Durée de l’épreuve : 3 h 30

Coefficient : 6 ou 8


Corrigés

Partie 1 (7 points)

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

Sujet

Présentez les arguments géologiques et biologiques utilisés pour établir des coupures dans les temps géologiques puis précisez ceux qui ont été retenus pour fonder une coupure il y a 65 millions d'années.



Avant de commencer
Retrouvez comment se manifestent, en général, les extinctions massives dans les archives géologiques puis recherchez les signes correspondants concernant la crise Crétacé - Tertiaire.


Corrigé

Introduction

L'histoire de la vie sur la Terre montre une succession d'espèces fossiles au cours des temps géologiques, chaque espèce apparaissant puis se développant avant de disparaître. C'est pourquoi les fossiles constituent des archives de l'histoire terrestre et sont utilisés pour établir les divisions des temps géologiques.

Les coupures des temps géologiques

Les temps géologiques ont été découpés par les géologues en une échelle chronologique relative reposant sur la stratigraphie. Les unités les plus fines correspondent à des couches sédimentaires et sont regroupées en unités d'ordre supérieur. Ainsi, l'histoire des temps fossilifères a été divisée dès le dix-neuvième siècle en trois ères, primaire, secondaire et tertiaire. Chacune des ères a été divisée à son tour en périodes plus courtes, les systèmes (Crétacé, par exemple, avec des sous-systèmes comme Crétacé inférieur et supérieur), eux-mêmes subdivisés en étages aux caractéristiques lithologiques et paléontologiques homogènes.

Les arguments utilisés pour établir les coupures de l'échelle chronologique relative entre les petites unités reposent principalement sur leur contenu en fossiles, notamment les fossiles stratigraphiques dont la large extension géographique et la brièveté relative de la vie de l'espèce permettent des corrélations entre régions éloignées. D'autres arguments viennent compléter ces informations : caractères lithologiques des couches donnant des informations sur les paléoenvironnements, variations du rapport isotopique de l'oxygène constituant un "thermomètre isotopique" (pour les deux derniers millions d'années), variations du rapport isotopique du carbone renseignant sur la productivité biologique (-2 à - 100 millions d'années), variations du niveau marin, paléomagnétisme.

Pour établir les grandes coupures des temps géologiques, on a utilisé les périodes, relativement brèves à l'échelle géologique, caractérisées par la disparition irréversible d'une proportion importante des espèces fossiles. En effet, si des extinctions se sont produites à tout moment au cours de l'histoire de la vie, les extinctions massives et simultanées sont plus rares et sont considérées comme le signe d'événements écologiques d'ampleur planétaire qualifiés de crises. Ces crises, suffisamment importantes pour avoir affecté l'ensemble de la planète, servent de repère chronologique relatif. On a utilisé ce type d'événement pour établir notamment la coupure entre des systèmes (entre, par exemple, Ordovocien et Silurien ; Dévonien et Carbonifère) et entre les ères. Ultérieurement, des méthodes physiques ont permis d'attribuer un âge absolu à ces événements. Ainsi, la crise identifiée dans les archives géologiques il y a 65 millions d'années marque la fin du Secondaire et le début du Paléocène. Sur quels arguments repose l'identification de cette crise ?

La crise Crétacé - Tertiaire (crise KT)

Une crise est majeure si elle affecte des espèces nombreuses occupant des milieux différents en différents points de la planète. Diverses observations montrent que les extinctions de la fin du Crétacé ont affecté de nombreuses espèces fossiles tant dans le milieu marin que dans le milieu continental.

Dans le milieu marin

À la fin du Crétacé, on observe une chute de la sédimentation carbonatée formée par l’accumulation des tests calcaires d'organismes marins. Ceci indique qu'une grande partie des organismes planctoniques disparaissent à cette période. C’est notamment le cas d'algues calcaires unicellulaires comme les Coccolithophoridés, dont l’accumulation a formé la craie caractéristique du Crétacé. En outre, on observe également à cette période la disparition rapide d'un très grand nombre d’espèces de Foraminifères, protozoaires planctoniques dont la plupart des fossiles présents au Crétacé sont absents au Paléocène. Enfin, la diminution du rapport isotopique 13C/12C mesuré dans les carbonates est caractéristique d’une diminution de l’activité de photosynthèse.

Les disparitions massives ne touchent pas seulement le plancton mais aussi les Invertébrés et Vertébrés marins. Ainsi, les Ammonites, très nombreuses pendant l’ère secondaire, sont totalement absentes des terrains tertiaires. Il en est de même d’autres Invertébrés marins comme certains Bivalves (Rudistes et Inocérames). Enfin, de nombreux Vertébrés marins disparaissent également comme les Reptiles marins Mosasaures et Plésiosaures.

Ces disparitions massives touchant des espèces très diverses appartenant à différents réseaux trophiques du milieu marin (les Ammonites étaient des animaux pélagiques, les Rudistes vivaient dans des récifs d'eau peu profonde) sont caractéristiques d’une crise biologique majeure. Mais le milieu continental n’est pas non plus épargné.

Dans le milieu continental

Même si les archives paléontologiques sont moins riches en milieu continental qu’en milieu marin, des disparitions massives d’espèces végétales et animales sont repérables.

En ce qui concerne la flore, on constate que les plantes à fleurs qui s’étaient largement imposées au Crétacé sont rapidement remplacées par des Fougères comme le montrent la disparition des pollens de plantes à fleurs et la domination des spores de Fougères à la limite Crétacé Paléocène. Ces dernières, plantes pionnières, sont considérées comme ayant temporairement colonisé des milieux rendus libres par la disparition de nombreuses espèces de plantes à fleur.

Chez les Vertébrés, c’est la disparition des Dinosaures qui est la plus spectaculaire. Ces Reptiles qui ont dominé l’ère secondaire en colonisant la plupart des milieux de la planète disparaissent totalement à la fin du Crétacé. D’autres Vertébrés comme des Marsupiaux disparaissent également.

Ainsi, les disparitions souvent brutales d’un très grand nombre d’espèces sont l’indice d’une crise biologique majeure et le fait que ces disparitions touchent aussi bien le milieu marin que le milieu continental montre qu'il s'est agi d'une crise globale.

Conclusion

Le repérage dans les archives paléontologiques de crises biologiques à l'échelle planétaire a été mis à profit pour établir de grandes coupures dans les temps géologiques, notamment celles entre les ères. La crise identifiée à - 65 millions d'années marque ainsi la coupure entre Mésozoïque et Cénozoïque.



Partie 2 (8 points)

Mécanismes de l'immunité

Sujet

Une reconnaissance spécifique des agents étrangers à l'organisme est nécessaire pour obtenir une réaction immunitaire réellement efficace.

En partant des informations tirées de l'analyse des documents 1 et 2 et en complétant à l'aide de vos connaissances, expliquez les mécanismes qui rendent les lymphocytes responsables de la spécificité de la réponse immunitaire.

Votre exposé sera illustré par des schémas.

Remarque : l'explication doit se limiter aux structures nécessaires à la reconnaissance de l'agent étranger.

Accéder au sujet complet



Avant de commencer
Il est indispensable de commencer par analyser les expériences dont les résultats servent de point de départ aux explications demandées.


Corrigé

Introduction

Les réactions immunitaires les plus efficaces sont des réactions spécifiques. Qu'elles soient à médiation humorale ou à médiation cellulaire, ces réactions mettent en jeu des lymphocytes dont la spécificité est étroite. Quels mécanismes rendent compte de cette spécificité ?

Analyse des documents

Document 1

Une faible proportion des lymphocytes de souris normale reconnaissent spécifiquement les globules rouges de mouton (GRM) tandis que d'autres reconnaissent spécifiquement les globules rouges de poule (GRP). En effet, lorsque les lymphocytes sont mis en culture dans un milieu contenant soit des GRM soit des GRP, quelques uns forment des rosettes avec ces cellules étrangères : il y a agglutination. Ceci montre que la capacité à reconnaître et à fixer un type déterminé de globule rouge étranger est limitée à une faible proportion des lymphocytes. Cette interprétation est confirmée par la suite de l'expérience puisque, après élimination des rosettes et injection des lymphocytes restant à des souris incapables de produire des anticorps, l'injection de GRM et de GRP conduit à la production d'anticorps d'une seule catégorie. Lorsque les lymphocytes éliminés sont ceux ayant fixé les GRM, seuls des anticorps anti-GRP sont formés. Inversement, lorsque les lymphocytes éliminés sont ceux ayant fixé les GRP, seuls des anticorps anti-GRM sont formés. Au contraire, si tous les lymphocytes sont disponibles, les deux types d'anticorps sont produits. Ainsi, parmi les lymphocytes de souris normale, un petit nombre dispose donc, préalablement au contact avec les globules rouges, des structures de reconnaissance spécifique nécessaires à la reconnaissance des GRM, tandis que d'autres disposent de celles nécessaires à la reconnaissance des GRP. Lors d'une réponse à médiation humorale, seuls les lymphocytes capables de reconnaître les globules rouges injectés seront sélectionnés pour donner naissance aux clones de plasmocytes producteurs d'anticorps anti-globules rouges.

Document 2

Le document 2 illustre un autre aspect des réactions immunitaires spécifiques, les réactions à médiation cellulaire. Dans cette expérience, les lymphocytes T issus de souris H2-k infectées par le virus A sont capables de provoquer la cytolyse de fibroblastes de souris uniquement si les cellules cibles sont infectées par le même virus et possèdent le même antigène d'histocompatibilité que les lymphocytes T. Si le virus diffère ou si l'antigène d'histocompatibilité diffère, les lymphocytes T de souris H2-k infectées par le virus A ne sont pas capables de reconnaître les fibroblastes et de provoquer leur cytolyse. Ces résultats illustrent le phénomène de double reconnaissance : reconnaissance de l'antigène d'histocompatibilité propre à une souche de souris et reconnaissance d'un antigène viral. Comme dans le cas de la réponse humorale, il y a eu sélection des seuls clones de lymphocytes capables de reconnaître spécifiquement les cellules cibles, ceux possédant les structures de reconnaissance adéquates.

Les lymphocytes impliqués dans les réponses humorales et cellulaire diffèrent au niveau moléculaire par les structures de reconnaissance impliquées.

Structures nécessaires à la reconnaissance des agents étrangers

Les lymphocytes impliqués dans la réponse humorale sont des lymphocytes B tandis que ceux impliqués dans la réponse cellulaire sont des lymphocytes T. Ces deux catégories de cellules immunitaires reconnaissent les agents étrangers par l'intermédiaire de récepteurs membranaires différents.

Réactions à médiation humorale
Le phénomène de formation des rosettes évoqué dans le document 1 montre que les structures de reconnaissance sont membranaires. Il s'agit des récepteurs B, molécules d'anticorps fixées à la membrane des lymphocytes B et dont les deux sites de reconnaissance sont capables de reconnaître et de lier un déterminant antigénique spécifique des GRM ou des GRP. Le schéma suivant montre la structure de ces molécules membranaires.

Réactions à médiation cellulaire

La double reconnaissance met en jeu un récepteur T, molécule de surface spécifique des lymphocytes T. Ce récepteur est capable de reconnaître un antigène à condition qu'il soit associé, sur la membrane des cellules, aux mêmes molécules du complexe majeur d'histocompatibilité que celles portées par les lymphocytes. La sélection des clones immunocompétents est réalisée par la double reconnaissance vis à vis d'un antigène présenté par une cellule présentatrice d'antigène (macrophage, par exemple) tandis que leur action cytolytique s'exerce sur des cellules cibles portant ces mêmes marqueurs. La figure suivante montre les molécules impliquées dans cette reconnaissance.

Conclusion

Qu'il s'agisse de réactions à médiation humorale ou à médiation cellulaire, la reconnaissance spécifique des agents étrangers met en jeu des structures moléculaires spécifiques portées par la membrane des lymphocytes. Ces structures, récepteur B et récepteur T respectivement, permettent la sélection et l'activation des seules cellules immunitaires capables de reconnaître l'agent étranger qui s'est introduit dans l'organisme.



Partie 3 Enseignement obligatoire (5 points)

Unicité génétique des individus et polymorphisme des espèces

Sujet

En reliant par un raisonnement logique les informations tirées de l'étude des documents 1 à 4, précisez l'origine de la maladie héréditaire.

Accéder au sujet complet



Avant de commencer
Remontez la chaîne de causalité en partant de l'enzyme impliquée dans le métabolisme de la phénylalanine jusqu'à la séquence d'ADN de l'allèle responsable.


Corrigé

Introduction

La phénylcétonurie est une maladie métabolique héréditaire à transmission autosomale récessive. Ceci signifie que les personnes atteintes sont homozygotes pour l'allèle muté responsable de la maladie. Les documents proposés permettent de préciser son origine, notamment d'identifier l'allèle muté, la nature de la mutation et ses conséquences métaboliques.

Une maladie génétique

Le document 4 indique que dans près de 63 % des familles touchées, la phénylcétonurie est due à une anomalie dans la constitution d'une enzyme, la phénylalanine hydroxylase (PAH). Nous savons que l'activité d'une enzyme est liée à sa structure tertiaire déterminée par la séquence de ses acides aminés (structure primaire). Or, la structure primaire de toute protéine est dictée par la séquence nucléotidique de son gène. Dans le cas de la PAH, il existe deux allèles du gène, un allèle normal et un allèle muté comme le montre le document 4. L'allèle muté présente une mutation ponctuelle, une substitution, dans le codon 408 : le premier nucléotide de ce codon a pour base azotée la cytosine dans l'allèle normal et la thymine dans l'allèle muté. Cette simple différence dans la séquence va introduire une différence dans la séquence de l'ARN messager correspondant. À la position 408, l'ARNm normal comportera le codon CGG tandis que l'ARNm anormal comportera le codon UGG. En effet, la séquence du brin non transcrit correspond à celle de l'ARNm à ceci près que les nucléotides comportant la thymine (T) dans l'ADN y sont remplacés par des nucléotides comportant l'uracile (U) dans l'ARN. Le tableau du code génétique montre que ces deux codons correspondent respectivement à l'arginine et au tryptophane. Aussi, au moment de la traduction de l'ARNm en protéine, le tryptophane remplacera l'arginine à la position 408 de la séquence protéique. Cette simple anomalie dans la structure primaire de la PAH est à l'origine de l'affection héréditaire.

Conséquences métaboliques

Le remplacement de l'acide aminé 408 dans la structure primaire de la PAH modifie cette protéine enzymatique ce qui perturbe le métabolisme de la phénylalanine. En effet, le document 1 montre que chez un sujet normal, la phénylalanine reste peu concentrée dans le sang et dans les urines (1 à 2 mg/100 mL) car elle est transformée par la PAH en tyrosine selon l'équation bilan de la voie 1 du document 2. La tyrosine est ensuite impliquée dans la biosynthèse de la mélanine, le pigment sombre de la peau. Au contraire, chez un sujet malade, le document 1 nous indique que la phénylalanine s'accumule dans le sang à des concentrations toxiques (15 à 63 mg/100 mL) et dans les urines (300 à 1000 mg/100 mL). Elle n'est donc pas transformée selon la voie 1 du document 2 ce qui montre que la PAH ne remplit pas sa fonction correctement, vraisemblablement en raison d'une modification de sa structure tertiaire due à l'anomalie de sa séquence. Dans ces conditions, une voie métabolique alternative (voie 2 du document 2) transforme une partie de la phénylalanine alimentaire en acide phénylpyruvique, un acide cétonique éliminé par les urines. On retrouve en effet de l'acide phénylpyruvique dans le sang (0.3 à 1.8 mg/100 mL) et dans les urines (300 à 2000 mg/100 mL), ce qui n'est pas le cas chez les individus non atteints. Or, l'accumulation d'acide phénylpyruvique à de telles concentrations est toxique pour l'organisme, notamment pour le développement du système nerveux central. Si rien n'est fait, les anomalies de développement du cerveau conduiront à un retard mental. Toutefois, un régime alimentaire appauvri en phénylalanine permet de limiter les conséquences de l'anomalie.

Conclusion

Ainsi, la simple substitution d'un nucléotide C par un nucléotide T dans un seul codon du gène de la PAH est à l'origine de la maladie car cette mutation conduit à une protéine enzymatique inactive incapable de transformer la phénylalanine en tyrosine ce qui perturbe le métabolisme normal de la phénylalanine. L'accumulation de cet acide aminé à des concentrations excessives et celle d'acide phénylpyruvique (qui ne se forme pas normalement) sont toxiques et provoquent les symptômes décrits dans le document 1. En outre, la chaîne de biosynthèse de la mélanine n'est pas correctement approvisionnée en tyrosine ce qui se traduit par des anomalies de pigmentation.

Toutefois, comme le confirme l'arbre généalogique du document 3, la maladie n'apparaît que chez les homozygotes pour l'allèle muté car les hétérozygotes continuent à produire parallèlement l'enzyme normale. C'est pourquoi il s'agit d'une maladie héréditaire récessive.



Partie 3 Enseignement de spécialité (5 points)

Applications et implications des connaissances modernes en génétique humaine

Sujet

La mise en relation des informations apportées par les documents 1 à 3 vous permet-elle de valider l'hypothèse du médecin et de répondre aux interrogations du couple ?

Accéder au sujet complet


Avant de commencer
Identifiez la structure des chromosomes normaux pour en déduire les anomalies à l'origine de la maladie des deux enfants.


Corrigé

Introduction

Lorsqu'un couple a des enfants atteints par une maladie génétique, il est souvent possible de prévoir la probabilité d'apparition de la maladie chez les futurs enfants si l'on peut déterminer les génotypes des parents. En outre, dans les cas de maladies chromosomiques, l'étude des caryotypes permet d'établir les génotypes et d'identifier les anomalies existantes. En effet, le caryotype est une photographie prise au microscope des chromosomes métaphasiques d'une cellule. En rangeant les chromosomes par paires d'homologues, on facilite l'identification des anomalies.

Analyse des caryotypes

Le médecin consulté par les parents a formulé l'hypothèse d'une maladie d'origine chromosomique. Pour valider cette hypothèse, il a demandé l'établissement du caryotype des membres de la famille. En effet, l'examen des chromosomes permet souvent d'identifier une anomalie, en particulier si elle porte sur le nombre ou la dimension des chromosomes. Qu'en est-il dans ce cas en se limitant aux paires de chromosomes 5 et 12 ?

Caryotype du père

Chez le père, l'examen des chromosomes en fluorescence montre une paire de chromosomes 5 identiques formés de 13 bandes différant par leur degré de fluorescence. On observe 7 bandes de faible fluorescence alternant avec 6 bandes de forte fluorescence. Les deux chromosomes 12, plus courts, sont également identiques mais ne comportent que 5 bandes, 3 de faible fluorescence alternant avec 2 bandes de fluorescence importante. Sachant que les chromosomes homologues d'une même paire ont normalement une structure et une dimension comparables, ces deux paires de chromosomes semblent normales ce qui est confirmé par l'absence de signes cliniques chez le père.

Caryotype de la mère

Chez la mère, en revanche, on détecte des anomalies chromosomiques repérables à la différence de taille des chromosomes homologues des paires 5 et 12. En effet, si le chromosome 5b de la mère est identique au chromosome 5b du père, le chromosome 5a est plus court. Il lui manque deux bandes de forte fluorescence et deux bandes de faible fluorescence. Aussi, si la structure des chromosomes paternels est la structure normale, le chromosome 5a maternel présente une délétion. Dans le cas de la paire 12, on observe également une différence de taille entre 12a et 12b. Ce dernier chromosome a une taille et des bandes identiques à celles des deux chromosomes 12 paternels mais le chromosome 12a est plus long. On remarque qu'il possède deux bandes de forte fluorescence et deux bandes de faible fluorescence supplémentaires. Ainsi, le fragment manquant du chromosome 5a se retrouve sur le chromosome 12a. C'est une translocation. Puisque la mère ne présente aucun signe clinique, cela montre qu'elle ne possède ni manque, ni excès de matériel chromosomique. Il s'agit donc d'une translocation équilibrée.

Caryotypes des enfants

Les deux enfants présentent des anomalies chromosomiques à l'origine de signes cliniques sévères. Le premier enfant présente une paire de chromosomes 5 anormale : son chromosome 5a présente la même délétion que le chromosome correspondant de la mère. Toutefois, contrairement à sa mère, le fragment manquant n'est pas présent sur le chromosome 12 car il possède une paire 12 normale. Il lui manque donc une partie du matériel chromosomique, défaut à l'origine de la maladie du "cri du chat".

Le deuxième enfant possède une paire 12 anormale avec un chromosome 12a identique à celui de sa mère, c'est à dire plus long que la normale. Comme la paire 5 est normale contrairement à sa mère, cet enfant possède du matériel chromosomique en excès à l'origine des signes cliniques observés.

Caryotype du fœtus

Il est possible de déterminer la probabilité pour que le fœtus soit lui aussi affecté. En effet, puisque les génotypes des parents sont connus, on peut en déduire la probabilité de formation des différents gamètes et donc les génotypes possibles pour le fœtus en se limitant aux paires de chromosomes 5 et 12.

Le père, dont les chromosomes sont normaux, produits des gamètes normaux. La mère produit des gamètes de quatre types différents : 5a, 12a ; 5a, 12b ; 5b, 12a ; 5b, 12b. La combinaison 5a, 12a comportant la translocation équilibrée donnera un individu sans signe clinique particulier puisque son caryotype sera identique à celui de la mère. La combinaison 5b, 12b également puisque son caryotype, normal, sera identique à celui du père. En revanche, 5a, 12b donnera un caryotype auquel manquera un fragment de 5a comme le premier enfant et 5b, 12a donnera un caryotype dans lequel se trouvera un fragment en excès sur 12a comme le deuxième enfant. Le fœtus a donc une probabilité de 1/2 d'être affecté par une maladie.

Conclusion

Le médecin va donc pouvoir informer les parents du risque important (1 "chance" sur 2) d'apparition chez le fœtus d'une maladie similaire à celle de l'un ou l'autre des deux enfants. Toutefois, l'examen du caryotype du fœtus établi à la suite d'une amniocentèse permettra de savoir si effectivement le fœtus est atteint. Si c'est le cas, les parents devront alors décider de la poursuite ou non de la grossesse compte tenu de la sévérité des symptômes prévisibles.