SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE

- Série S -

Sportifs de haut niveau - Septembre 1998

Durée de l’épreuve : 3 h 30

Coefficient : 6 ou 8


Corrigés

Partie 1 (7 points)

Aspects du fonctionnement des centres nerveux

Sujet

Expliquez comment deux muscles antagonistes peuvent avoir des réactions inverses lors de l'étirement de l'un d'entre eux.

Vous illustrerez votre exposé à l'aide de schéma(s).

On ne détaillera pas le fonctionnement synaptique.



Avant de commencer
Soignez le plan qui peut correspondre à l’intervention successive des différentes structures nerveuses impliquées dans le réflexe. Un classique schéma de synthèse doit être fait, éventuellement complété de petits schémas complémentaires.


Corrigé

Introduction

Le maintien de la station debout et la réalisation des tâches motrices nécessitent une coordination des muscles antagonistes. En effet, l'étirement d'un muscle est à l'origine d'un réflexe aboutissant à la contraction de ce muscle, mécanisme appelé réflexe myotatique. Pour que la contraction du muscle étiré soit possible, il est nécessaire que le muscle antagoniste se relâche. L’activité des muscles impliqués dans le réflexe myotatique est commandée par des circuits nerveux formant une boucle de régulation. Nous examinerons comment les différentes structures nerveuses impliquées permettent de rendre compte de ce type de réflexe. Pour cela, nous verrons d’abord quels sont les circuits nerveux impliqués avant de nous intéresser aux mécanismes généraux d’intégration rendant possible la coordination des muscles antagonistes.

I- Le trajet des messages nerveux

Tout réflexe met en jeu cinq éléments : un récepteur, un conducteur sensitif, un centre intégrateur, un conducteur moteur et des effecteurs numérotés de 1 à 5 sur le schéma récapitulatif.

1. Récepteurs

Le muscle extenseur répond à son propre étirement car les récepteurs à l’origine du réflexe, les fuseaux neuromusculaires, sont situés dans le muscle lui-même. Lorsque le muscle est étiré, ces récepteurs donnent naissance à des messages nerveux sous forme de trains de potentiels d'action conduits vers la moelle épinière.

2. Conduction du message vers la moelle épinière

Les fuseaux neuromusculaires se prolongent par les dendrites de neurones en T constituant les fibres afférentes d’un nerf sensitif. Les corps cellulaires de ces neurones sont situés dans un ganglion rachidien annexé à la racine dorsale de la moelle épinière. Les axones de ces neurones se terminent dans la moelle épinière où ils acheminent les messages en provenance des récepteurs neuromusculaires.

3. Traitement des informations par la moelle épinière

Dans la moelle épinière, les messages afférents vont déterminer deux types de réponses selon qu’ils atteignent les motoneurones de l’extenseur, à l’origine du message, ou ceux du muscle fléchisseur antagoniste : dans le premier cas, ils provoquent la contraction et donc la réponse réflexe, dans le second le relâchement, empêchant ainsi le muscle antagoniste de s’opposer au mouvement. Les mécanismes expliquant cette coordination seront examinés au II.

4. Conduction des messages efférents

Les fibres constituant le nerf moteur de l’extenseur sont constituées par les axones des motoneurones de ce muscle. Ces axones conduisent des messages moteurs vers le muscle dont ils déclenchent la contraction. En revanche, les axones des motoneurones du fléchisseur antagoniste sont mis au repos et le muscle reste donc relâché.

5. Réaction des effecteurs

La contraction de l’extenseur provoque un raccourcissement du muscle ce qui corrige la perturbation à l’origine de la mise en jeu du système : le muscle reprend sa longueur initiale. Il s’agit donc d’une boucle de rétroaction. Il s’y ajoute un mécanisme de coordination puisque le muscle antagoniste en diminuant son activité permet à la contraction de l’extenseur d’avoir lieu.

C’est au niveau du centre nerveux, la moelle épinière, que se réalise l’intégration des messages rendant possible la réalisation du réflexe, plus précisément au niveau des synapses entre les divers neurones impliqués (schéma 1).

II- Mécanismes d'intégration

1. Les neurones impliqués

Dans la moelle épinière, les axones des neurones sensoriels (neurones en T du ganglion spinal) établissent des synapses dans la substance grise, d’une part, avec les motoneurones commandant le muscle extenseur et, d’autre part, par une branche collatérale, avec des interneurones. Les axones de ces derniers forment des synapses avec les motoneurones commandant le muscle fléchisseur antagoniste. Enfin, les axones des motoneurones forment des synapses neuromusculaires, excitatrices, avec les muscles qu’ils innervent.

2. Les mécanismes de coordination

On se limitera ici aux actions générales au niveau des synapses sans entrer dans le détail de leur fonctionnement. La synapse entre neurone en T et motoneurone est excitatrice : le motoneurone répond à la libération du neurotransmetteur par une augmentation de son activité. La synapse entre le neurone en T et l’interneurone est également excitatrice mais la mise en activité de l’interneurone a un effet opposé sur le fléchisseur. En effet, la synapse entre la terminaison axonale de l’interneurone et le motoneurone du fléchisseur est inhibitrice provoquant une diminution d’activité du motoneurone. Il en résulte un relâchement du fléchisseur.

Conclusion

Ainsi, c’est le fonctionnement des synapses médullaires entre axones des neurones en T et motoneurones de l’extenseur, d’une part, et axones des interneurones et motoneurones du fléchisseur, d’autre part, qui explique le comportement des muscles antagonistes.

Le schéma fonctionnel suivant résume l’ensemble de ces informations.



Partie 2 (8 points)

Unicité génétique des individus et polymorphisme des espèces.

Sujet

À partir d'une étude rigoureuse des documents 1 et 2 et à l'aide de vos connaissances, expliquez l'origine et le mode de transmission de la dysurie.

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Avant de commencer
Démontrer d'abord qu'il s'agit d'une enzymopathie puis établir la transmission autosomale récessive.


Corrigé

Introduction

La dysurie présentée par Pascal a les caractères d'une maladie métabolique. Son origine est génétique et sa transmission se fait sur le mode autosomique récessif, comme nous allons le montrer.

Une enzymopathie héréditaire

Pascal présente une anomalie du métabolisme urinaire qui se traduit par la formation de micro calculs de dihydroxyadénine expulsés avec l'urine ou obstruant les voies urinaires. Le document 1 montre que l'adénine n'est pas métabolisée correctement. Sa concentration dans l'urine est 26 fois plus élevée que chez le témoin car elle n'est pas transformée en adénosine monophosphate (AMP). En effet, l'enzyme APRT qui transforme normalement l'adénine en AMP n'a aucune activité chez Pascal. En outre, l'adénine est alors transformée par une voie métabolique alternative en dihydroxyadénine. Normalement non décelable, cette substance s'accumule en fortes quantités chez Pascal et précipite sous forme des micro calculs.

Le document 2 montre que le déficit en APRT semble être héréditaire. En effet, alors que le taux d'APRT est nul chez Pascal, il peut prendre les valeurs 50 % ou 100 % chez les autres membres de la famille.

Étude de l'arbre généalogique et mode de transmission

Les taux d'enzymes observés suggèrent l'existence de deux allèles du gène de l'APRT, l'un actif et dominant (A) et l'autre inactif et récessif (a). Dans ce cas, un homozygote a/a aurait un taux d'APRT de 0 %, un hétérozygote A/a aurait un taux de 50 % comme les parents de Pascal, et un homozygote A/A aurait un taux de 100 % comme la grand-mère maternelle et le demi-frère. L'arbre généalogique n'est pas en contradiction avec ce point de vue. En effet, si l'allèle morbide a est récessif, Pascal a reçu un allèle a de chacun de ses parents, hétérozygotes A/a. Sa mère, qui avait reçu cet allèle de son père, puisque sa mère présente un taux d'APRT maximal, l'a également transmis à son demi-frère. Si l'allèle était dominant il n'en serait pas ainsi. En outre, la transmission ne peut être qu'autosomique car si l'allèle était porté par X, le père ne pourrait qu'être hémizygote et serait atteint, ce qui n'est pas le cas.

Conclusion

Les calculs urinaires de Pascal sont donc le résultat d'une dysurie héréditaire d'origine génétique. Pascal est homozygote pour un allèle codant une APRT inactive, allèle récessif porté par un autosome.



Partie 3 Enseignement obligatoire (5 points)

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants.

Sujet

Montrez, à partir de l'exploitation des documents 1 à 3, pourquoi on a pu dire de Lucy (Australopithecus afarensis) qu'elle était "un Homme à tête de singe."

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Avant de commencer
Identifier les éléments anatomiques rapprochant le squelette de Lucy, d'une part, de celui des grands singes et, d'autre part, de celui de l'Homme.


Corrigé

Introduction

"Un Homme à tête de singe", cela sous entend des caractéristiques du squelette crânien proches de celles des grands singes et des caractéristiques du reste du squelette (tronc et membres), proches de celles de l'Homme, en particulier par la station bipède. Nous essayerons de démontrer qu'il en est bien ainsi chez A. afarensis.

Le squelette crânien

Le document 1 montre que le crâne d'A. afarensis a une forme générale proche de celui du grand singe. La boîte crânienne est peu développée, ce que confirme le document 3 qui lui attribue un volume moyen d'environ 400 cm3, similaire à celui des grands singes. Les valeurs maximales atteintes par la capacité crânienne des Australopithèques sont égales à 500 cm3, valeur moyenne chez le Gorille. De plus, la face est prognathe avec des mâchoires massives et le front porte un bourrelet sus orbitaire comme chez les grands singes. Par ces caractères du squelette crânien, Lucy avait bien une "tête de singe".

Le squelette du bassin et du membre inférieur

Plusieurs caractères sont des indices d'une station debout. La position du bassin, son raccourcissement et le développement important des crêtes iliaques sur lesquelles s'insèrent les muscles fessiers correspondent à une position verticale du tronc comme il n'en existe que dans la station debout. En outre, l'articulation du fémur sur le bassin a, chez l'Australopithèque comme chez l'Homme, une disposition géométrique favorable pour porter en permanence tout le poids du corps, signe de la bipédie. Enfin, la position du trou occipital, plus en avant chez l'Australopithèque que chez le singe, suggère également la bipédie. Cependant, les os du membre inférieur, notamment au niveau du genou, sont plus proches de ceux du singe. Chez l'Homme le genou paraît plus massif. Bien que l'ensemble de ces caractères montrent que Lucy a été le premier Primate à avoir acquis la bipédie, sa station debout ne devait pas encore être parfaite comme le laisse penser le genou.

Conclusion

Ainsi, le squelette de A. afarensis montre à la fois des caractères simiens et des caractères humains. Par son squelette crânien, Lucy se rapproche incontestablement des singes. En revanche, les caractéristiques du bassin montre que Lucy avait acquis la station bipède, caractère essentiel des Hominidés, même si elle n'était pas parfaite. Toutefois, l'aphorisme "Un Homme à tête de singe" ne fait pas apparaître le mélange complexe de caractères simiens et humains qui existait chez cet animal. Ainsi, malgré un crâne simien, les caractéristiques des dents et de l'arcade dentaire, non visibles sur les documents, sont plutôt humaines. Inversement, les os de la jambe, visibles sur le document 2, sont plus proches de ceux des singes que de ceux de l'Homme.



Partie 3 Enseignement de spécialité (5 points)

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

Sujet

À partir de l'exploitation des documents 1 à 3, montrez que la transition Riss-Éemien peut être comparée, sur le plan climatique, au passage du Würm à l'Holocène.

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Avant de commencer
Montrer que des données concordantes (diagramme pollinique, Foraminifères, thermomètre isotopique) montrent des caractéristiques communes aux deux transitions climatiques.


Corrigé

Introduction

Les paléoclimats laissent des traces à la fois fossiles (pollens, certains Foraminifères) et physicochimiques ("thermomètre isotopique" des carbonates) que les géologues savent interpréter pour les reconstituer. L'étude ci-dessous concerne deux transitions climatiques qui se sont produites respectivement il y a 120 000 ans (Riss-Éemien) et il y a 8 200 ans (Würm-Holocène).

Les températures au Riss final et au Würmien supérieur

Le document 1 montre que le Riss final est caractérisé par un paysage de steppe herbacée comportant également des Epiceas et des Pins sylvestres. L'absence de Chêne et l'abondance des herbes montrent que le climat de cette période était froid, autour de 5 à 10°C en moyenne.

Le diagramme pollinique suggère que le climat du Würmien moyen n'était guère différent et qu'il s'est encore un peu refroidi au Würmien supérieur, les herbes s'étendant un peu plus qu'au Riss final au détriment des arbres.

Le document 2 montre que les Foraminifères présents dans les sédiments du Riss sont majoritairement Globigerina pachyderma et des espèces subarctiques caractéristiques de régions froides. Les espèces de zones de transition et de zones chaudes y sont rares. Le profil à la fin du Würm en est proche malgré l'absence de représentants du groupe b disparues avant la transition avec l'Holocène. Ces données confirment donc que les températures qui régnaient au Riss final et au Würmien supérieur étaient froides.

Caractères des deux transitions

L'ensemble des documents montre qu'à l'issue des deux périodes étudiées s'est produit un brusque changement de climat. Le diagramme pollinique montre une augmentation considérable de la chênaie mixte caractéristique de températures moyennes beaucoup plus élevées (10 à 15°C) et la quasi disparition des végétaux caractéristiques de climat plus froid, notamment les herbes. Toutefois, le diagramme montre que la transition entre Würmien et Holocène s'est produite de façon moins brusque que celle entre Riss et Éemien puisque les arbres indiquant des températures intermédiaires abondent pendant la période de transition avant d'être remplacés par la chênaie mixte.

Les Foraminifères indiquent également une transition moins brusque entre Würm et Holocène qu'entre Riss et Éemien. En effet, on observe lors de la première transition des espèces tolérant des températures de 10 à 18°C en nombre beaucoup plus important que lors de la seconde transition, avant l'expansion des espèces de zones subtropicales et tropicales qui les caractérise toutes deux.

La mesure des variations du rapport isotopique 18O/16O dans une carotte de sédiments confirme que les deux périodes de transition se ressemblent mais ne sont pas identiques. On constate en effet que le réchauffement observé a été plus brusque lors de la première période et d'une amplitude supérieure bien que l'échelle de temps utilisée ne permettent pas plus de précision.

Conclusion

Ainsi, dans les deux cas, s'est produit un changement climatique marqué par un net réchauffement du climat. En milieu continental, ce sont les végétaux qui témoignent de ce réchauffement par leurs pollens tandis qu'en milieu marin, ce sont des microorganismes marins comme les Foraminifères dont la répartition et le rapport isotopique des tests témoignent également d'un changement brusque. Toutefois, les données fournies montrent que les deux transitions n'ont pas été identiques, la période de transition ayant été beaucoup plus courte entre le Riss et l' Éemien.