SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE

- Série S -

Sujet national - Juin 1999

Durée de lépreuve : 3 h 30

Coefficient : 6 ou 8


Corrigés

Partie 1

Sujet

Aspects du fonctionnement des centres nerveux

Expliquez en limitant l'étude au neurone sensitif mis en jeu dans le réflexe myotatique, l'origine et la propagation d'un message nerveux.

L'exposé sera structuré et illustré



Avant de commencer
Le plan est indiqué dans le sujet : naissance et propagation du message nerveux. Si l'exemple de récepteur étudié en classe n'est pas le fuseau neuromusculaire, vous pouvez quand même traiter le sujet car les caractéristiques générales de la naissance d'un message nerveux sont similaires pour les différents récepteurs.


Corrigé

Introduction

Le réflexe myotatique, un des éléments du contrôle du tonus musculaire, est un réflexe monosynaptique lié à la circulation de messages nerveux entre deux neurones : un neurone sensoriel et un neurone moteur. C'est donc le cas le plus simple de circuit nerveux. Un message, généré par les terminaisons sensorielles d'un neurone en T à la suite de l'étirement d'un muscle, se propage jusqu'au neurone moteur dont l'activation provoque la contraction du muscle. Ceci permet d'ajuster la longueur du muscle. On examinera successivement la naissance du message et sa propagation le long du neurone sensitif.

Naissance du message nerveux

Fuseau neuromusculaire

Les muscles striés comportent des récepteurs d'étirement spécialisés, les fuseaux neuromusculaires. Ils sont constitués de fibres musculaires particulières autour desquelles s'enroule une fibre nerveuse sensitive, prolongement dendritique d'un neurone en T dont le corps cellulaire est situé dans un ganglion spinal annexé à la racine dorsale d'un nerf rachidien (voir schéma 1).

Les fuseaux neuromusculaires sont des mécanorécepteurs sensibles à l'étirement. Lorsque le fuseau est étiré à la suite du relâchement ou de l'allongement du muscle où il se trouve, il donne naissance à une dépolarisation de la membrane neuronale. Si la dépolarisation atteint une valeur seuil, elle produit un message nerveux qui se propage le long de la fibre afférente (dendrite du neurone en T) jusqu'à la moelle épinière, centre nerveux réflexe.

Transduction et potentiel de récepteur

La naissance du message correspond à la transduction : le potentiel transmembranaire de la fibre nerveuse fusoriale est modifié par la stimulation mécanique du fuseau, la différence de potentiel entre l'extérieur et l'intérieur de la membrane étant d'autant plus élevée que son étirement est plus important. Le potentiel produit par la transduction du signal mécanique est un potentiel de récepteur. Les potentiels de récepteur sont des potentiels locaux ayant pour caractéristiques d'être graduables en amplitude, sommables et non propageables. Cependant, si la valeur du potentiel atteint un seuil critique de dépolarisation propre au neurone stimulé, le potentiel de récepteur déclenche la naissance d'un potentiel d'action. (voir schéma 2).

Contrairement aux potentiels de récepteur, les potentiels d'action sont propageables. En outre, les messages nerveux circulent dans les fibres nerveuses sous forme de trains d'onde dont la fréquence est proportionnelle à l'intensité de la stimulation.

Propagation

Des potentiels d'action sont produits en permanence par le fuseau neuromusculaire et permettent d'ajuster le niveau de tension du muscle en fonction des besoins. Ils sont propagés le long de la fibre dendritique des neurones ganglionnaires en T dont l'axone fait synapse avec les motoneurones médullaires commandant le muscle où se trouvent les récepteurs d'étirement (réflexe monosynaptique).

Un phénomène autorégénératif

Contrairement au potentiel de récepteur, les potentiels d'action se propagent sans diminution de leur amplitude. On dit qu'ils obéissent à la loi du tout ou rien. Chaque potentiel d'action né au niveau du fuseau correspond à une brusque inversion du potentiel de membrane (dépolarisation). À son voisinage, dans les zones non dépolarisées, la membrane présente donc des charges de signe opposé ce qui conduit à la formation de courants locaux. Ces courants ont pour effet de dépolariser à leur tour la membrane à proximité ce qui provoque l'inversion du potentiel de membrane et donc la propagation de proche en proche du potentiel d'action. Pour cette raison, on dit que le potentiel d'action est un phénomène autorégénératif.

Propagation saltatoire

Dans les fibres myélinisées, comme les fibres sensitives issues des fuseaux neuromusculaires, la fibre nerveuse est isolée du milieu extracellulaire par la gaine de myéline et les courants locaux ne peuvent se fermer à proximité de la zone dépolarisée. Cependant, au niveau des nuds de Ranvier, la membrane du neurone est en contact avec le milieu aqueux qui l'entoure car la gaine de myéline est interrompue à ce niveau. Il se forme alors également des circuits locaux mais ceux-ci ne peuvent se fermer qu'entre deux étranglements successifs. On parle alors de propagation saltatoire.

Cette dernière est plus rapide que la propagation non saltatoire des fibres amyéliniques.

Conclusion

Ainsi, la naissance et la propagation des messages nerveux mettent en jeu deux catégories de potentiels membranaires : potentiels de récepteur qui naissent au niveau des terminaison nerveuses situées dans le fuseau neuromusculaire et potentiels d'action qui se propagent le long de la fibre nerveuse dendritique. Les premiers sont des potentiels locaux non propageables, graduables et sommables ; les seconds sont des potentiels propageables, dont la conduction est saltatoire dans les fibres myéliniques, mais ils ne sont ni graduables ni sommables. Leur arrivée au niveau synaptique déclenchera l'activation des motoneurones correspondants.



Partie 2

Sujet

Unicité génétique des individus et polymorphisme des espèces

L'hémophilie (déficience de la coagulation du sang) et le daltonisme (mauvaise vision des couleurs) sont provoqués par des mutations sur deux gènes portés par le chromosome X.

À partir des informations tirées de l'analyse du document, précisez le mode de transmission des deux caractères ; à l'aide de vos connaissances sur le brassage génétique, justifiez, en vous appuyant sur des schémas, la diversité des phénotypes apparus en quatrième génération.

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Avant de commencer
Faire une analyse précise de l'arbre généalogique sans oublier que tout allèle porté par X s'exprime chez le mâle et faire les schémas chromosomiques classiques pour expliquer le brassage génétique.


Corrigé

Introduction

L'hémophilie et le daltonisme étant des anomalies génétiques à transmission gonosomique, les allèles mutés sont donc transmis de génération en génération avec les chromosomes X. L'analyse de l'arbre généalogique de la famille va nous permettre de préciser la manière dont les allèles responsables du daltonisme et de l'hémophilie se transmettent à travers les générations.

Mécanismes de transmission des deux anomalies

Nous savons que les gènes D et H sont des gènes liés puisque situés sur le même chromosome, l'hétérochromosome X.

Considérons les quatre frères de la génération IV. Les mâles possèdent deux gonosomes différents X et Y. Puisque les gènes D et H sont situés sur le chromosome X les allèles portés par X s'expriment chez les mâles (état hémizygote), quel que soit leur caractère dominant ou récessif, du fait que la plus grande partie du chromosome X n'a pas de partie homologue sur Y. L'individu IV-1 est daltonien et sa coagulation est normale et nous écrirons donc son phénotype [D-, H]. On peut en déduire que son génotype s'écrit XD-,H/Y puisque c'est un garçon. De la même façon, l'individu IV-2 est de phénotype [D, H-] et a donc un génotype XD, H-/Y. L'individu IV-3 est de phénotype [D-, H-] et a donc un génotype XD-,H-/Y ; l'individu IV-4, de phénotype normal [D, H], est de génotype XD,H. Les garçons reçoivent leur chromosome Y de leur père et leur chromosome X de leur mère. Leur père, III-1, présente un phénotype normal [D, H]. S'agissant de gènes portés par X, il est donc de génotype XD, H/Y puisque seuls des allèles normaux s'expriment chez lui. Puisque les quatre frères présentent quatre génotypes hémizygotes différents, cela montre que leur mère a produit quatre types de gamètes différents que l'on peut noter XD-,H, XD, H-, XD-,H-, XD,H respectivement. La mère III-2 est donc hétérozygote pour les deux couples d'allèles et son génotype s'écrit XD,H / XD-,H- puisque les femmes possèdent deux exemplaires du chromosome X. Elle n'est atteinte d'aucune des deux anomalies mais elle est porteuse des deux allèles mutés puisqu'elle les transmet à ses fils. Les deux allèles responsables de l'hémophilie et du daltonisme sont donc récessifs par rapport aux allèles normaux.

Ainsi, l'hémophilie et le daltonisme ont pour origine deux anomalies génétiques distinctes dues à des mutations à deux locus différents. La transmission est gonosomique récessive ce qui signifie que les femmes sont le plus souvent porteuses sans être atteintes (excepté dans les rares cas où elles sont homozygotes) alors que les hommes présentent l'anomalie dès lors qu'ils reçoivent l'allèle muté porté par X bien qu'il soit récessif par rapport à l'allèle normal. Toutefois, comme des recombinaisons ont pu se produire entre les deux allèles au cours de la méiose chez la femme III-2, il n'est pas possible de préciser à ce stade leur répartition précise sur les chromosomes.

Son père, II-1 montre un phénotype [D-, H] correspondant à un génotype XD-,H/Y. Il a donc transmis le chromosome XD-,H à sa fille III-2 qui est donc de génotype XD-,H/ XD, H-. Elle a donc reçu XD, H- de sa mère II-2. Cette dernière, de phénotype normal, a donc probablement le génotype XD, H-/XD,H mais la double hétérozygotie ne peut être totalement exclue. Si elle portait l'allèle D-, sa fille aurait seulement 1 chance sur 2 d'être homozygote pour D- et daltonienne. L'allèle H- provient nécessairement de la femme I-2 puisque I-1 n'est atteint d'aucune anomalie. On peut donc raisonnablement penser que l'allèle D- a été introduit dans la famille par II-1.

Diversité des phénotypes

La mère III-2 est hétérozygote pour les deux gènes. Les gènes étant situés sur un même chromosome, des recombinaisons sont possibles à la méiose. Leur fréquence dépend de la distance entre les deux gènes que nous ne connaissons pas mais ici les recombinaisons ne sont pas rares puisque la mère a produit 4 gamètes différents au cours de 4 méioses indépendantes.

Le schéma ci-dessous résume comment peuvent se former, à l'échelle des chromosomes, quatre phénotypes différents chez les garçons de la génération IV à partir des deux génotypes de la génération III. Seules les phases essentielles sont indiquées.


 



Partie 3 (enseignement obligatoire)

Sujet

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

À partir de l'analyse des quatre documents relatifs aux Équidés d'une part et à des Foraminifères d'autre part, montrez qu'il existe des similitudes dans l'évolution des deux groupes.

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Avant de commencer
Compte tenu de la grande distance évolutive entre les deux groupes considérés, il faut se limiter à des phénomènes évolutifs très généraux (notions de descendance et de parenté, de radiation, d'extinction).


Corrigé

Introduction

L'évolution des êtres vivants montre des similitudes dans ses modalités même chez des taxons très éloignés car elle obéit à un nombre fini de mécanismes caractéristiques. Nous essayerons d'étayer cette affirmation à partir de l'exemple de deux groupes d'animaux très différents, les Foraminifères, organismes marins unicellulaires et les Équidés, Mammifères terrestres de grande taille auxquels appartiennent notamment les chevaux, ânes zèbres, etc. actuels. Ils s'agit de taxons presque de même âge (Éocène et Paléocène respectivement)

Parenté et descendance

Dans les deux taxons considérés, l'évolution du groupe est représentée sous forme d'un arbre phylogénétique illustrant les relations de parenté entre les espèces successives. Au cours du temps, une espèce donne naissance à une ou plusieurs nouvelles espèces. Ces dernières peuvent à leur tour en donner de nouvelles ou s'éteindre. Ainsi, chez les Équidés, le genre actuel, Equus, est apparu au Pliocène, dernier représentant d'une longue lignée commencée à l'Éocène avec Hyracotherium. De la même façon, les Orbulina et les Globorotalia (Foraminifères) descendent des Globigérines.

Radiations et extinctions

Dans les deux groupes, on constate à certaines périodes la disparition plus ou moins rapide d'espèces et l'apparition de nouvelles espèces. Par exemple, chez les Équidés, Merychippus a disparu au début du Miocène mais a donné naissance à de nouvelles espèces nombreuses (Callipus, Pliohippus, Hipparion, etc.). Il y a donc eu diversification, ce que l'on observe également chez les Foraminifères à diverses périodes. Les Globotruncana se forment à partir de Rotalipora au Crétacé et disparaissent brutalement sans descendance. En revanche, Heterohelix voit ses effectifs fondre lors de la crise Crétacé-Tertiaire et finit par disparaître progressivement à la fin du Miocène.

Les Globigérines se diversifient au Tertiaire. La diversification suppose la colonisation de niches laissées libres à la suite d'extinctions car une niche écologique ne saurait être occupée par plus d'une espèce mais aussi la conquête de nouvelles niches. Ainsi, les Équidés mangeurs d'herbe ont-ils cohabité avec les Équidés mangeurs de feuilles en Amérique au Miocène avant la disparition de ces derniers. Ce phénomène est particulièrement marqué à la suite d'une crise comme le montre l'évolution des Foraminifères qui se diversifient largement au Tertiaire alors que la crise Crétacé-Tertiaire les avait presque fait disparaître. Les Équidés, apparus après la même crise, peuvent avoir profité comme les autres Mammifères des niches libérées. Ceci montre également que des espèces survivent aux crises, le vivant ne constituant qu'une seule vaste arborescence formée par les espèces qui se succèdent depuis son origine.

Tendances évolutives et adaptation

Dans les deux groupes, on constate que les populations subissent une expansion à certaines périodes qui témoigne de l'adaptation des espèces à leur milieu. Ainsi le genre Equus au Pliocène en Amérique et en Eurasie puis en Eurasie seulement au Quaternaire. De même chez Orbulina, Globigerina et Globorotalia pour les Foraminifères actuels. L'évolution du membre des Équidés illustre le phénomène d'adaptation et de spécialisation. Avec l'allongement du squelette de la main (et du pied) et la réduction du nombre de doigt jusqu'à un seul chez Equus, l'animal est de plus en plus adapté à la course, c'est à dire à la vie dans les espaces ouverts. Tant chez les Équidés que chez les Foraminifères, on observe une tendance à l'augmentation de la taille, mais il ne s'agit pas d'une règle générale.

Conclusion

Ces deux exemples illustrent ainsi le fait que l'évolution obéit à des lois générale qui s'appliquent à tous les organismes quel que soit leur milieu de vie. Toutefois, selon les plans d'organisation et les milieux occupés, les contraintes évolutives ne sont pas les mêmes. En outre, s'agissant d'un niveau d'organisation biologique très différente (unicellulaires et multicellulaires), les modalités de l'évolution sont loin d'être toutes communes aux deux groupes.



Partie 3 (enseignement de spécialité)

Sujet

Les roches, produits et témoins du temps

À partir de l'exploitation des informations fournies par l'ensemble des quatre documents, établissez la chronologie des événements géologiques qui ont, dès le Crétacé supérieur, affecté la région étudiée.

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Avant de commencer
Mettre en relation les documents 1, 2 et 4 pour identifier les structures (synclinal, faille) et les épisodes importants (transgressions et régressions, mouvements tectoniques). Utiliser le document 3 pour dater les événements.


Corrigé

Introduction

La carte du document 1 est celle d'une région vallonnée de faible altitude avec une colline allongée dans la direction nord-est sud-ouest formée de dépôts du Miocène recouvrant des couches sédimentaires déposées depuis la fin du Crétacé. Les informations tirées de la carte, de la colonne stratigraphique et des carottages permettent d'en retracer l'histoire géologique.

Dépôts sédimentaires jusqu'au Paléocène

La couche la plus ancienne sur la carte date du Cénomanien (Crétacé supérieur, - 97 à - 90 Ma). Elle est formée d'une alternance de schistes, grès, calcaires, brèches et conglomérats témoignant d'un cycle sédimentaire se terminant par une régression avec les reliefs de l'érosion d'un relief proche (brèches et conglomérats). La présence d'affleurements symétriques de roches de plus en plus anciennes parallèlement à un axe quasiment est-ouest, le pendage des couches et les carottages effectués en A, B, C et D montrent que les couches forment un synclinal. À partir du Crétacé supérieur (Sénonien) s'est produite une transgression. Des dépôts marins (marnes et calcaires) s'accumulent alors jusqu'à la fin du Paléocène (Thanétien, -56.5 Ma).

Du Paléocène à l'actuel.

Des mouvements tectoniques postérieurs au Thanétien mais antérieurs au Miocène (puisque ce dernier est formé de sédiments recouvrant l'ensemble du Secondaire sans être touché ni par le plissement ni par la faille) ont donné à ces couches la structure synclinale. En outre une faille a provoqué le décalage du Cénomanien. Une lacune de sédimentation comprenant l'Éocène et l'Oligocène sépare le Thanétien du Miocène (contact anormal). Elle témoigne d'une régression.

L'ensemble des terrains du Crétacé et du Paléocène a subi l'érosion avant que la sédimentation reprenne au Miocène. Il s'agit alors de mollasses témoignant d'apports fluviatiles provenant de l'érosion de reliefs. Après le retrait de la mer, l'érosion affecte désormais l'ensemble de la région.

Conclusion

Les documents géologiques de la région de Sainte-Croix permettent donc de retracer une succession d'épisodes de sédimentation marine entrecoupés de régression et d'événements tectoniques qui ont modelé son relief.