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CORRIGES
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SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE
- Série S Amérique du Nord - Juin 1998
Durée de l’épreuve : 3 h 30
Coefficient : 6 (enseignement obligatoire) ou 8 (enseignement de spécialité en SVT)
PARTIE I : (8 points)
Aspects de l'histoire et de l'évolution de la Terre et des êtres vivants
Expliquez comment les homologies observées à l'échelle des organismes et des molécules
apportent des arguments en faveur de l'évolution des êtres vivants.
Avant de commencer
Définissez ce que l'on entend par homologies et choisissez des exemples précis en nombre limité
dans les deux domaines indiqués avant de généraliser.
CORRIGE
Introduction
L'évolution implique une filiation entre les espèces et donc une parenté d'autant plus étroite
que les espèces partagent un ancêtre commun plus récent. Ceci implique que des caractères
ancestraux ont pu évoluer différemment chez les descendants d'un ancêtre commun mais qu'il
reste possible d'identifier leur origine commune. On parle alors de caractères homologues.
Aussi, l'identification de ces caractères constitue un argument en faveur de relations de
parenté entre les êtres vivants et donc en faveur de l'évolution. Nous examinerons quelques
exemples de ces homologies à l'échelle de l'organisme et à l'échelle moléculaire.
A l'échelle de l'organisme
A l'échelle de l'organisme, l'embryologie et l'anatomie comparée permettent d'identifier des
homologies.
Développement embryonnaire
Tous les vertébrés possèdent un plan d'organisation similaire qui se met en place au cours du
développement embryonnaire. L'observation des phases précoces du développement chez les
Poissons, Reptiles, Batraciens, Oiseaux et Mammifères révèle de grandes similitudes entre les
embryons qui présentent des aspects communs dans leur développement comme la formation
d'une colonne vertébrale ou la formation d'arcs branchiaux. Comme ces derniers donnent
naissance à des branchies fonctionnelles chez les Poissons et à divers organes chez les autres
Vertébrés, cela implique qu'un même caractère ancestral puisse mener à des caractères
différents, ce qui ne peut s'expliquer que par une évolution.
Les organes rudimentaires constituent un argument du même type. Ainsi, bien que le Protée,
une sorte de triton des eaux souterraines, soit dépourvu d'yeux, sa larve présente une ébauche
d'œil similaire à celle des autres Vertébrés. Ceci ne peut s'interpréter que comme la disparition
secondaire d'un organe ancestral au cours de l'évolution.
Organes homologues
La comparaison du squelette des membres antérieurs chez quelques Vertébrés comme par
exemple l'Homme, un Cétacé, un Oiseau (actuels) et un Ptérosaure (fossile de Reptile volant du
Secondaire) montre que quelle que soit sa fonction (respectivement préhension, nage et vol), le
membre antérieur est construit sur le même plan. On retrouve les segments osseux communs
(humerus, radius, cubitus, carpe, métacarpe, phalanges) affectés de transformations variées
conduisant à des fonctions différentes. Il s'agit d'organes homologues dérivant d'un plan de
base commun aux Vertébrés tétrapodes. Ce plan de base a subi des évolutions différentes selon
les groupes car ses différents constituants peuvent être "bricolés" et agencés de différentes
façons en membre préhensile, nageoire ou aile, par exemple.
A l'échelle moléculaire
Par référence aux organes homologues, on parle de molécules homologues pour des molécules
informatives (acides nucléiques et protéines) présentant des similitudes structurales ou
fonctionnelles qui ne peuvent être dues au hasard.
Une proximité moléculaire peut être identifiée par des méthodes immunologiques. Plus les
espèces sont proches et plus leurs antigènes sont proches. Par des réactions antigèneanticorps, il est possible de quantifier cette proximité immunologique qui confirme les
parentés établies par d'autres méthodes.
L'analyse des séquences d'acides nucléiques et de protéines montre qu'il existe des familles de
molécules homologues. Ainsi les globines des Vertébrés (myoglobine, chaînes a , b , d , g , etc.
de l'hémoglobine), et bien entendu les gènes qui les codent, possèdent des parties de séquence
communes et des parties différentes qui ne peuvent s'interpréter que comme des variations
évolutives à partir d'une molécule ancestrale de globine. Dans ce cas, l'apparition de
différentes globines est attribuée à la duplication de gènes qui subissent ensuite une évolution
propre les différenciant du gène ancestral car le nombre de chaînes différentes de globines
dont chaque groupe possède les gènes est d'autant moins important que la date d'apparition
du groupe est plus ancienne. Le dénombrement des motifs identiques et des motifs différents
dans les diverses globines appartenant aux différents groupes de Vertébrés permet d'établir
une généalogie compatible avec celles établies sur d'autres bases (anatomie comparée,
embryologie, immunologie, paléontologie). Il en est de même lorsque l'on analyse d'autres
familles de molécules. L'évolution des molécules informatives par accumulation de mutations
dans les gènes est un des mécanismes de l'évolution car il crée de la diversité : des
modifications dans les gènes peuvent s'accompagner de modifications phénotypiques sur
lesquelles s'exerce la sélection.
Conclusion
A quelque niveau d'organisation que l'on se place, ici de la molécule à l'organisme, les
homologies ne peuvent s'expliquer que par l'évolution des espèces. Désormais, le faisceau
d'arguments est tel que l'on considère l'évolution comme un fait. C'est la seule explication
scientifique plausible de l'unité et de la diversité du vivant.
PARTIE II : (7 points)
Unicité génétique des individus et polymorphisme des espèces
Neurospora est un champignon microscopique haploïde dont les principales étapes du cycle de
développement sont présentées sur le document 1. On connaît chez ce champignon deux
souches qui se distinguent par leur capacité à croître sur un milieu "minimum" sans
méthionine (un acide aminé) :
la souche sauvage [M+] peut se développer en l'absence de méthionine,
la souche mutée [M-] a besoin de méthionine pour se développer.
On admet que ce phénotype est déterminé par l'expression d'un couple d'allèles notés M+ et
M-.
On croise une souche [M+] avec une souche [M-]. Les spores obtenues en place dans les asques
sont cultivées sur milieu minimum sans méthionine. Le résultat, observable après quelques
heures, est schématisé sur le document 2.
Expliquez comment ce croisement permet d'obtenir les différents types d'asques
observés.
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Avant de commencer
Transposition à Neurospora d'un problème généralement résolu en classe à l'aide de Sordaria. Il
s'agit ici d'un cas classique de monohybridisme chez un haploïde concernant une exigence
nutritive et seules les spores possédant le phénotype [M+] germeront sur milieu minimum sans
méthionine.
CORRIGE
Introduction
On a croisé deux souches de Neurospora qui diffèrent par un caractère, la capacité ou
l'incapacité à synthétiser la méthionine, gouvernée par un couple d'allèles M+ et M-. S'agissant
d'un organisme haploïde, les spores de génotype M+ seront de phénotype [M+] et pourront
germer sur le milieu minimum sans méthionine tandis que les spores de génotype M- ne
germeront pas (phénotype [M-]).
Résultats du croisement
Les asques comportent tous 4 spores M+ et 4 spores M- puisque l'on observe la germination de
4 spores sur 8 dans chaque asque ce qui correspond à du monohybridisme. La cellule-œuf
issue de la fécondation comporte chacun des deux allèles apportés par les gamètes parentaux.
Cette cellule diploïde subit ensuite la méiose, ensemble de deux divisions précédées d'une
seule synthèse d'ADN et aboutissant à 4 cellules haploïdes. Chaque allèle a été dupliqué une
fois et se retrouve dans l'une des 4 cellules filles. La formation des asques s'accompagne d'une
mitose supplémentaire des cellules haploïdes, précédée d'une duplication du matériel
génétique comme n'importe quelle mitose : chacun des deux allèles se retrouve ainsi à 4
exemplaires dans l'asque qui comporte huit spores.
On remarque que la disposition des spores dans l'asque peut se ramener à deux types en
fonction de l'emplacement des spores M+ et M- : 2/2/2/2 ou 4/4.
Interprétation
Les spores restent ordonnées chez cette espèce comme l'étaient les fuseaux mitotiques lors des
divisions. Le fait que les spores aillent par paires M+, M+ et M-, M- est le résultat de la
troisième division. Les deux types d'arrangement des spores dans les asques sont liés aux deux
divisions de la méiose et leur fréquence respective dépend du taux de recombinaison lors de la
prophase I de la méiose. Lorsque les asques comportent deux groupes de 4 spores (ici 8 asques
sur 13) on parle de préréduction car lors de la première division de la méiose, les deux
chromatides constituant chaque chromosome portent le même allèle quand les chromosomes
homologues se séparent à l'anaphase. Au contraire, lorsque les asques comportent quatre
groupes de 2 spores, on parle de post-réduction. Dans ce cas, des échanges de segments
chromosomiques se produisant lors de la prophase I (crossing-over) entre chromosomes
homologues conduisent à des allèles différents sur les deux chromatides d'un chromosome.
C'est à la seconde division que les allèles différents se séparent ce qui explique la répartition
2/2/2/2 après la troisième division. Le schéma ci-dessous résume le comportement des
chromosomes lors de la méiose.
La fréquence des asques où s'observe la postréduction est proportionnelle à la distance entre
centromère et locus du gène. La proportion de 5 asques postréduits sur un total de 13
correspond à une distance de 19 centimorgan (38% divisé par 2) entre le locus de M+/M- et le
centromère.
PARTIE III : Enseignement obligatoire (5 points)
Aspects du fonctionnement des centres nerveux
Grâce à l'olfaction, un organisme est capable de détecter la présence de molécules odorantes
dans l'air, d'en apprécier la concentration, et de faire la discrimination entre des odeurs
différentes.
Exploitez de manière rigoureuse les documents fournis pour proposer une explication
du mode de codage du stimulus olfactif sur les plans quantitatif (intensité de l'odeur) et
qualitatif (nature de l'odeur).
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Avant de commencer
Le codage quantitatif peut être fait par une seule cellule alors que le codage qualitatif nécessite
un groupe de cellules.
CORRIGE
Introduction
Les récepteurs sensoriels réalisent la transduction des signaux provenant de l'environnement
en messages nerveux. Les messages nerveux émis par les récepteurs informent les centres
nerveux non seulement sur le plan quantitatif (intensité du stimulus, ici une odeur) mais aussi
sur le plan qualitatif (nature de l'odeur). La transduction d'une odeur par un neurone olfactif
individuel est liée à la présence de récepteurs membranaires dont la liaison avec les molécules
odorantes déclenche un message nerveux sous forme de potentiels d'action propagés par son
axone.
Codage quantitatif
Le document 1 présente la fréquence maximale des potentiels d'action émis par un neurone
olfactif et la durée de cette réponse pour des concentrations croissantes de molécule odorante.
On constate que les tracés comportent deux parties. Dans la gamme de concentration 10 à 50,
la fréquence augmente rapidement lorsque la concentration augmente et la durée de la
réponse augmente aussi très vite. Dans la gamme 50 à 1 000 et même un peu au delà, la
fréquence continue à augmenter avec la concentration, mais moins vite, tandis que la durée de
réponse diminue. Ce double codage permet aux centres nerveux d'être informés
quantitativement (concentration de la molécule odorante) dans une large gamme de
concentrations tout en conservant une bonne discrimination entre des concentrations proches.
Codage qualitatif
Le document 2 montre qu'un neurone olfactif individuel répond différemment à différentes
odeurs. Celles-ci modulent différemment la fréquence d'émission par rapport à l'activité
spontanée : le neurone 1 présente une augmentation forte (170%) pour l'odeur A, faible (130%)
pour l'odeur C, pas d'effet pour l'odeur D et une diminution de 80% pour l'odeur B. Le
répertoire de réponse des différents neurones est variable puisque par exemple, si les
neurones 1 et 7 sont tous deux fortement stimulés par l'odeur A mais inhibés par l'odeur B,
l'odeur C stimule faiblement 1 alors qu'elle est sans effet sur 7 et inversement pour l'odeur D.
Toutefois, d'autres neurones sont plus spécifiques et ne répondent qu'à une seule odeur
comme les neurones 3, 6 et 9. Dans ces conditions, le codage qualitatif nécessite la
comparaison de l'activité de plusieurs neurones : les centres nerveux doivent décoder
l'ensemble des informations qui parviennent d'un groupe de neurones pour identifier l'odeur.
Seule la combinaison des messages issus de neurones différents permet à la fois l'identification
d'une odeur voire d'un mélange d'odeurs et la détection du niveau de concentration par les
centres nerveux.
PARTIE III : Enseignement de spécialité (5 points)
Aspects du fonctionnement des centres nerveux
Par une mise en relation des documents fournis, proposez un mécanisme ionique par
lequel les cellules photoréceptrices de l'œil réalisent la transduction du stimulus
lumineux en une activité nerveuse.
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Avant de commencer
Attention aux idées reçues ! Ici, la transduction ne produit pas une dépolarisation mais une
hyperpolarisation et le stimulus ne provoque pas l'ouverture de canaux mais leur fermeture.
Ceci souligne la nécessité dans ce type de question de se limiter à l'analyse et à l'interprétation
des résultats expérimentaux sans essayer de "régurgiter" un modèle étudié en classe. L'analyse
des documents ne doit pas ici suivre leur ordre de présentation.
CORRIGE
Introduction
La transduction des stimulus en potentiels d'action par les cellules sensorielles est le point de
départ de la perception. Au niveau de chaque cellule sensorielle, ici les bâtonnets rétiniens, la
transduction repose sur la modulation du potentiel de membrane par des mécanismes
ioniques, principe de base du fonctionnement des cellules nerveuses.
Document 2
Le document 2 montre que le bâtonnet répond à des flashs lumineux d'intensité croissante par
une hyperpolarisation croissante de sa membrane suivie d'un retour au potentiel
membranaire d'obscurité de - 35 mV en quelques dixièmes de secondes.
Document 1
Le schéma A montre que la membrane du segment externe du bâtonnet comporte des canaux
sodium (canal Na+) dont le schéma B indique qu'ils sont ouverts à l'obscurité et fermés à la
lumière. Compte tenu des concentrations ioniques données au document 3, un courant entrant
de sodium doit s'établir entre l'extérieur et l'intérieur du segment externe lorsque le bâtonnet
se trouve à l'obscurité avec une polarisation membranaire de - 35 mV tandis que les pompes à
sodium refoulent en permanence ce dernier à l'extérieur par transport actif.
Le schéma B montre que les photons agiraient sur les canaux Na+ en détachant une molécule
de GMPc d'un site du canal sodium ce qui aurait pour effet de fermer le canal. A l'obscurité le
canal resterait ouvert et lié au GMPc. L'expérience du document 4 permet de tester ces
hypothèses.
Document 4
Lorsqu'un petit nombre de canaux est testé par la méthode du patch-clamp à l'obscurité, on
constate que l'addition de GMPc a pour effet d'augmenter la valeur du courant entrant qui
reste faible en l'absence de cette molécule. Ce résultat est en accord avec l'hypothèse
précédente : tout se passe comme si les canaux restaient fermés en l'absence de GMPc, le
courant entrant restant faible et s'ouvraient lors de l'addition de GMPc. L'absence de GMPc
simule l'action de la lumière puisque cette dernière déplace le GMPc des canaux.
Conclusion
La transduction du stimulus lumineux est donc liée à l'action des photons sur les canaux
sodium par l'intermédiaire du GMPc. A l'obscurité, en présence du GMPc présent dans le
segment externe, les canaux sont ouverts et un courant d'obscurité dû au flux entrant d'ions
sodium existe. Lorsque le bâtonnet est frappé par les photons de la lumière, le GMPc est
déplacé ce qui a pour effet de fermer le canal et donc de diminuer le courant entrant. La
conséquence en est une hyperpolarisation membranaire puisque moins de sodium, ion positif,
entrant dans le segment externe, la différence de potentiel entre milieu extra et milieu
intracellulaire s'accentue. Ce potentiel de récepteur module l'activité de la synapse et donc
l'activité de la cellule postsynaptique.
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