SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE

- Série S -

Amérique du Nord, juin 2000

CORRIGES

Partie 1 (8 points)
Sujet
Unicité génétique et polymorphisme des espèces

Expliquez, à partir de trois couples d'allèles judicieusement placés sur les chromosomes, comment la méiose assure un brassage des gènes.

Votre exposé devra s'appuyer sur des schémas pour lesquels des symboles précis représenteront les allèles choisis.

Avant de commencer

Faites le schéma de la méiose avec 2 paires de chromosomes, l'une portant deux gènes liés (A/a, B/b), l'autre un gène indépendant des deux précédents, E/e. Les gènes indépendants permettent d'illustrer le brassage interchromosomique, les gènes liés le brassage intrachromosomique.

Corrigé
Introduction
Chez les espèces à reproduction sexuée, chaque individu résulte de la rencontre d’un gamète mâle et d’un gamète femelle produits par ses parents. Les gamètes sont des cellules reproductrices haploïdes dont la fusion à la fécondation reconstitue le stock diploïde de chromosomes caractéristique de l’espèce. La répartition des chromosomes homologues et, donc, des allèles qu’ils portent, dans les cellules haploïdes à l’origine des gamètes, s’effectue lors de la méiose. En prenant un exemple simple, celui de trois couples d’allèles portés par deux paires de chromosomes différents, nous montrerons le brassage interchromosomique et le brassage intrachromosomique assurés par la méiose. Nous appellerons les couples d'allèles A/a et B/b pour les gènes situés sur le même chromosome et nous appellerons E/e le couple d'allèles du gène situé sur l'autre chromosome.
Méiose et brassage interchromosomique
La méiose est un ensemble de deux divisions précédées d’une seule synthèse d’ADN et intervient chez les animaux au cours de la gamétogenèse. Elle conduit à la formation de quatre cellules haploïdes à partir d’une cellule mère diploïde. Nous prendrons l’exemple des spermatocytes I qui sont les cellules subissant la méiose dans les tubes séminifères des testicules.
On considère 3 couples d’allèles A/a, B/b et E/e disposés sur 2 paires de chromosomes. Le schéma 1 montre la configuration choisie.

 
Les spermatocytes I subissent la duplication de leur ADN lors de la phase S du cycle cellulaire puis entament la première division de la méiose en entrant en prophase I. A ce stade, les chromosomes sont constitués de 2 chromatides identiques résultant de la duplication de l'ADN et reliées par le centromère. Au cours de cette phase, les chromosomes homologues sont réunis en bivalents (schéma 2).





Lorsque les chromosomes homologues se séparent à l’anaphase, chaque centromère migre aux pôles de la cellule indépendamment des centromères des autres chromosomes. On parle de ségrégation indépendante des chromosomes. Les spermatocytes II formés à l’issue de la première division et donc les gamètes, pourront présenter, dans l’exemple choisi, 4 génotypes différents correspondant à 4 types de combinaisons d'allèles en proportions identiques puisque ne dépendant que de la ségrégation au hasard des chromosomes. (schéma 3).
 
 




Ce premier mécanisme de brassage interchromosomique lié à la ségrégation indépendante des chromosomes s'accompagne d'un autre mécanisme assurant un brassage intrachromosomique.

La méiose et le brassage intrachromosomique

Lors de la prophase I de la méiose, lorsque se forment les bivalents, les quatre chromatides de chaque bivalent (« tétrades ») sont étroitement accolées et entremêlées. Il peut alors se produire des échanges de segments homologues entre elles, au niveau de chiasmas, conduisant à la formation de chromatides portant une combinaison d’allèles différente de celle des chromosomes des parents (schéma 4).

La fréquence de ces échanges (appelés aussi « crossing-over ») dépend de la position des locus sur le chromosome : plus ils sont éloignés, plus la probabilité d’échanges est importante. Le schéma 4 montre que si l’on tient compte de ce brassage intrachromosomique, ce n’est plus quatre, mais huit types de gamètes différents qui peuvent se former.

Conclusion

La méiose assure donc le brassage génétique par un double mécanisme : un brassage interchromosomique lors de la ségrégation indépendante des chromosomes et un brassage intrachromosomique réalisé par les crossing-over. Au cours de ce brassage, les allèles venant des parents sont redistribués conduisant à de nouvelles combinaisons alléliques dans les gamètes. En outre, lors de la fécondation, la rencontre au hasard des parents, et donc celle des gamètes, constitue un facteur supplémentaire de brassage de l'information génétique.


Partie 2 (7 points)
 
Sujet
Mécanismes de l'immunité

L'efficacité de la réponse immunitaire à médiation humorale implique la reconnaissance d'antigènes variés.

En vous appuyant sur les informations issues du document 1, complétées par vos connaissances et en vous aidant de schémas, expliquez la capacité du système immunitaire à réagir spécifiquement vis à vis d'un de ces antigènes (les mécanismes de coopération cellulaire ne sont pas attendus).

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Avant de commencer

Le point important est la notion de réaction spécifique. Il faut donc exploiter le document pour montrer qu'il existe des clones de cellules immunocompétentes spécifiques et compléter par ses connaissances pour en expliquer les mécanismes.

Corrigé
Introduction
Une des caractéristiques du système immunitaire est sa capacité à réagir spécifiquement à des antigènes, notamment par la production d'anticorps dirigés spécifiquement contre les antigènes. Les réactions immunitaires productrices d'anticorps sont liées aux lymphocytes B. Par l'exploitation du document 1, nous montrerons dans un premier temps que la capacité de réaction spécifique à un antigène est liée aux capacités de reconnaissance de certains lymphocytes avant d'en expliquer les mécanismes dans un second temps.
Document 1
Au temps t0, la souris A reçoit une injection d'un mélange d'antigènes comportant des antigènes de Salmonelle avant que ses lymphocytes soient prélevés. Au temps t1, le passage des lymphocytes sur la colonne arrête les lymphocytes exprimant un récepteur membranaire capable de se lier aux antigènes de Salmonelle puisqu'ils se lient à ceux fixés aux billes de latex. Les lymphocytes récupérés représentent donc l'ensemble des clones lymphocytaires à l'exception de ceux qui expriment ce récepteur. Après irradiation, le système immunitaire détruit de la souris A est remplacé par les lymphocytes précédemment récupérés. La souris est alors capable de produire des anticorps contre tout antigène à l'exception de l'antigène de Salmonelle ce qui confirme que son système immunitaire ne comporte plus le clone de lymphocytes spécifique. En revanche, la souris témoin B dont tous les lymphocytes sont présents produit tous les types d'anticorps. Ceci montre qu'il existe préalablement au contact avec un antigène des clones de lymphocytes munis de récepteurs spécifiques. Lorsqu'un clone est éliminé artificiellement, le système immunitaire devient incapable de produire les anticorps correspondants (anticorps monoclonaux).

Mécanismes moléculaires

La production d'anticorps est réalisée par des plasmocytes issus de la stimulation d'un clone de lymphocytes B (LB). Les anticorps sont des molécules qui neutralisent les antigènes en s'y liant spécifiquement par leur partie variable. Ils ont une structure similaire à celle des anticorps membranaires, appelés récepteurs B, qui caractérisent les LB (schéma ci-dessous).



Les récepteurs B des différents clones diffèrent par la partie variable de la molécule, celle qui constitue le site de reconnaissance de l'antigène. Les LB capables de reconnaître l'antigène de Salmonelle, par exemple, ne reconnaissent pas les autres antigènes et donneront naissance à un clone de plasmocytes produisant des anticorps anti-Salmonelle (schéma 2).

Conclusion

La capacité du système immunitaire à réagir spécifiquement à un antigène déterminé est liée à la capacité de reconnaissance spécifique exprimée par des molécules comme les anticorps, qu'il s'agisse de récepteurs membranaires ou d'anticorps circulants.


Partie 3 (enseignement obligatoire, 5 points)
 
Sujet


Histoire et évolution de la terre et des êtres vivants

Modifications paléontologiques et coupures géologiques

Les coupes du Crétacé-Paléocène de la côte basque française (Bidart et Loya), montrant des séries de roches marneuses et calcaires, sont considérées comme les plus complètes en Europe. Ces roches contiennent de nombreux fossiles de taille inférieure à 50 micromètres, les nannofossiles. La plupart des nannofossiles font partie du groupe des Coccolithophoridés.

Par la confrontation des documents 1 à 4, discutez la pertinence des informations apportées par ces fossiles pour établir une limite géologique.

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Avant de commencer

Utiliser les documents 3 et 4 pour exposer les caractéristiques des Coccolithophoridés qui en font de bons fossiles stratigraphiques et les documents 1 et 2 pour justifier l'utilisation des Coccolithophoridés dans l'établissement de la limite Crétacé-Paléocène.

Corrigé
Introduction
Les microorganismes fossiles constituent de bons fossiles stratigraphiques quand ils sont abondants, présentent une vaste aire de répartition et quand les espèces ont une extension limitée dans le temps. Dans ces conditions, ils peuvent être utilisés pour établir des limites géologiques. Est-ce le cas des nannofossiles comme les Coccolithophoridés de la côte basque ?
Les Coccolithophoridés, des fossiles stratigraphiques ?
Le document 3 présente les Coccolithophoridés. Il s'agit d'algues unicellulaires d'une dizaine de micromètres de diamètre. Elles appartiennent au phytoplancton marin et sont donc transportées passivement par les courants. Il s'agit donc d'organismes qui occupent de vastes aires de répartition. À leur mort, les plaques calcaires dont elles sont couvertes peuvent s'accumuler au fond de la mer en épaisses formations sédimentaires dans lesquelles on retrouve les traces fossiles des coccolithes. Toutefois, le document 4 montre que les courants peuvent transporter les sédiments côtiers depuis le plateau continental jusqu'au pied du talus continental. Les Coccolithophoridés ne font donc pas de bons fossiles de faciès. Les dépôts de coccolithes constituent des roches calcaires, comme la craie, dans lesquelles la succession des espèces est enregistrée. Le document 1 montre de plus que les espèces de Coccolithophoridés présentées ont une extension dans le temps limité. L'ensemble de ces caractères font des fossiles de ces organismes de bons fossiles stratigraphiques.

L'établissement d'une limite géologique

La colonne stratigraphique de la série de Bidart présentée au document 2 montre que la limite Crétacé-Paléocène, qui marque la transition entre l'ère secondaire et l'ère tertiaire, est caractérisée par une modification de la sédimentation. Le dernier étage du Crétacé, le Maastrichtien, est caractérisé par des marnes puis par une abondante sédimentation de plateforme, marno-calcaire. Brusquement, elle est suivie d'un fin dépôt d'argile marquant l'arrêt de la sédimentation calcaire, donc une chute du nombre de microorganismes calcaires. Dès le début du Danien, des conditions nouvelles se traduisent de nouveau par une sédimentation marno-calcaire. Aux transitions des couches géologiques sont également associées des variations du niveau de la mer et donc des modifications climatiques. Elles peuvent être également corrélées à la disparition d'espèces vivantes, notamment les nannofossiles comme les Coccolithophoridés, justifiant leur utilisation pour compléter les données lithologiques dans l'établissement d'une limite géologique. Le document 1 montre en effet que de nombreuses espèces disparaissent simultanément des traces fossiles à la fin du Maastrichtien, il y a 65 Ma et que quelques espèces restent présentes au Danien et donnent naissance à des espèces nouvelles. La disparition simultanée d'un grand nombre d'espèces corrélée au changement de sédimentation confirme qu'un changement majeur s'est produit à cette époque et justifie de la considérer comme une limite géologique.

Conclusion

Les limites des couches géologiques sont établies sur des critères lithologiques et paléontologiques (modification de la sédimentation, disparition et apparition d'espèces) qui marquent des coupures de l'histoire géologique. Les traces fossiles laissées par des organismes planctoniques à vaste aire de répartition comme les Coccolithophoridés permettent en outre une datation relative précise sur une vaste surface.


Partie 3 (enseignement de spécialité, 5 points)

Sujet

Les roches, produits et témoins du temps

À partir de l'exploitation rigoureuse des documents fournis, établissez la chronologie des événements géologiques qui ont affecté la région de Guebwiller à partir du Trias.

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Avant de commencer
Application des principes régissant les relations géométriques entre les roches. Érosion et sédimentation, transgressions et régressions, failles formant un fossé d'effondrement. Utiliser le document 3 pour dater les événements.
Corrigé
Introduction
Le champ de fractures de Guebwiller se situe dans le fossé rhénan, fossé d'effondrement marqué par de nombreuses failles séparant les Vosges et les collines sous vosgiennes à l'ouest, de la plaine rhénane à l'est.
La coupe du document 1 montre que la plaine rhénane est bordée par une famille de failles normales dont les rejets vont de quelques dizaines à quelques centaines de mètres. Le rejet cumulé des failles mesuré sur la coupe correspond à environ 1 000 m et la disposition des compartiments atteste d'une tectonique en extension qui a joué plusieurs fois entre le Trias et l'Oligocène. Les dépôts sédimentaires du Trias débutent au Buntsandstein il y a 235 Ma. Il s'agit de dépôts côtiers (grès et conglomérats) et de dépôts continentaux. Le passage à une sédimentation marine au Muschelkalk témoigne d'une avancée de la mer. Après une lacune de sédimentation au Keuper et au Lias, le Jurassique moyen ou Dogger, il y a environ 165 Ma, est de nouveau marqué par une sédimentation marine avant une longue lacune de sédimentation de 130 millions d'années jusqu'à l'Oligocène inférieur. L'effondrement du fossé s'accentue à l'Oligocène comme le montrent les conglomérats comportant successivement des galets provenant de terrains secondaires de plus en plus anciens. La mer envahit de nouveau le fossé à l'Oligocène moyen il y a quelque 35 Ma comme le montrent les marnes grises et les fossiles marins mais en disparaît à la fin de cette période, il y a 25 Ma. Le Miocène et le Pliocène manquent (lacune de sédimentation) et c'est une sédimentation continentale qui s'installe au Quaternaire avec d'abord des alluvions anciennes et récentes (crues du Rhin qui occupe le fond du fossé), à travers lesquelles a joué de nouveau une faille, puis du lœss (dépôts argileux éoliens continentaux) le Rhin ayant creusé son lit.
Conclusion
Le fossé rhénan a été marqué par une activité tectonique extensive à l'origine de failles conduisant à un fossé d'effondrement envahi par la mer à différentes reprises. Son activité tectonique s'est encore manifestée au Quaternaire.