Bac_Sujets de SVT, Term S

Sujet 1, Sujet zéro du ministère

Partie 1 : QCM de connaissance sur tout le programme d’enseignement obligatoire Sélectionnez la proposition exacte pour chaque question. 1 Dans la Terre le transfert thermique s’effectue par :  convection seulement.  convection et conduction.  l’intermédiaire du champ magnétique terrestre.  fusion du manteau et remontée de roches du noyau. 2 La croûte continentale est principalement formée :  de gabbros et granites.  de roches sédimentaires et de granites.  de péridotites.  de roches voisines du gabbro. 3 Les différences d’altitude entre continents et océans sont dues au fait que :  la croûte continentale est moins dense et plus épaisse que la croûte océanique.  la croûte continentale est plus dense et plus épaisse que la croûte océanique.  la croûte continentale est moins dense et plus fine que la croûte océanique.  la croûte continentale est plus dense et plus fine que la croûte océanique. 4 Les chaînes de montagnes présentent parfois des ophiolites, ce sont les traces :  d’un domaine océanique disparu suite à la collision de deux lithosphères continentales.  d’une activité volcanique de type point chaud.  de la subduction d’une lithosphère océanique sous une autre de même nature.  d’un amincissement crustal mettant à nu le manteau. 5 Au niveau d’une chaîne de collision il se produit :  une convergence d’une lithosphère continentale et d’une lithosphère océanique.  une subduction d’une lithosphère continentale sous l’autre.  une subduction océanique.  un épaississement crustal par création de matériaux continentaux.

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SVT

Le sujet

6 Dans les zones de subduction on observe :  un volcanisme de type granodiorite, par fusion partielle de la plaque en subduction.  un volcanisme andésitique par fusion partielle de péridotite de la plaque supérieure.  un volcanisme de type andésitique et de granodiorite par fusion partielle de péridotite de la plaque en subduction.  un volcanisme de type andésitique par fusion partielle de péridotite de la plaque en subduction. 7 La fusion de péridotites dans les zones de subduction a pour origine :  un flux géothermique supérieur à la moyenne.  la déshydratation des matériaux de la croûte océanique subduite.  la déshydratation des péridotites de la lithosphère océanique subduite.  la déshydratation des péridotites de la croûte océanique subduite. 8 Un granitoïde est une roche :  volcanique à structure grenue.  volcanique à structure vitreuse.  magmatique à structure vitreuse.  magmatique à structure grenue. 9 La croûte continentale :  est en moyenne plus jeune que la croûte océanique.  est plus dense dans les zones de collision.  s’épaissit progressivement dans les zones de collision anciennes.  s’altère sous l’effet des agents de l’érosion. 10 Bien que le concept d’espèce soit délicat à définir, on peut néanmoins considérer qu’il s’agit :  de tous les individus interféconds.  d’une population ayant le même patrimoine génétique.  d’une population isolée géographiquement d’autres populations.  d’une population isolée génétiquement d’autres populations. 11 Le genre Homo :  est constitué par l’Homme et les grands singes actuels.  correspond à un groupe d’êtres vivants dont la biodiversité est maximale à l’époque actuelle.  est associé à la production d’outils complexes.  est apparu il y a environ 55 à 60 millions d’années.

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Sujet 1 – Le sujet

12 Le genre Homo se distingue des autres primates par :  une bipédie occasionnelle.  un dimorphisme sexuel marqué.  une bipédie avec trou occipital en arrière.  une bipédie avec un trou occipital avancé. 13 En relation avec la vie fixée, les plantes ont développé :  un système racinaire permettant des échanges de CO2 avec le sol.  un système racinaire permettant des échanges d’eau avec l’atmosphère.  un système aérien permettant des échanges d’ions, d’eau et de gaz avec l’air.  un système aérien et un système souterrain pouvant échanger de la matière par un système vasculaire. 14 Le pollen :  correspond au gamète femelle.  est produit par les étamines.  représente l’embryon de la future graine.  est toujours transporté par les insectes. 15 La collaboration animal – plante :  s’exerce exclusivement lors de la pollinisation.  s’exerce lors de la pollinisation et de la fécondation.  s’exerce lors de la pollinisation et de la dispersion des gamètes.  s’exerce lors de la pollinisation et de la dispersion des graines. 16 Le fruit :  contient une quantité variable d’ovules.  contient une quantité variable de graines.  se forme seulement à partir de l’ovule.  se forme avant la pollinisation. 17 La technique d’hybridation :  permet d’obtenir des variétés nouvelles qui cumulent les caractéristiques des 2 parents.  consiste à croiser toujours 2 individus d’espèce différente.  consiste à croiser 2 individus afin d’obtenir des homozygotes.  est la seule technique permettant de modifier le patrimoine génétique d’une plante.

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SVT

Le sujet

18 L’inflammation :  est la première étape de la réponse adaptative.  ne repose pas sur des mécanismes de reconnaissance mais seulement sur la mise en jeu de molécules.  est effective dès le stade fœtal.  est caractérisée par des symptômes stéréotypés. 19 Lors de la réponse adaptative :  il se produit une augmentation de la quantité d’immunoglobulines dans le sang.  il se produit un gonflement, rougeur, chaleur, douleur au niveau de la zone d’infection.  il y a production d’antigènes par les plasmocytes.  les plasmocytes se différencient en lymphocytes cytotoxiques. 20 La vaccination :  consiste à injecter des produits immunogènes et pathogènes.  mobilise la réponse innée et adaptative.  contient des adjuvants qui déclenchent une réponse adaptative nécessaire à l’installation de la réponse innée.  favorise la production d’antigènes par l’organisme. 21 Lors de la méiose, il s’effectue un brassage génétique par :  un brassage intrachromosomique lors de la deuxième division de la méiose.  un brassage interchromosomique puis intrachromosomique lors de la première division de la méiose.  un brassage intrachromosomique puis interchromosomique lors la deuxième division de la méiose.  un brassage intrachromosomique puis interchromosomique lors la première division de la méiose. 22 Le zygote formé par fécondation :  contient une combinaison unique et nouvelle d’allèles.  contient les mêmes combinaisons alléliques que ses parents.  contient les mêmes combinaisons alléliques que l’un des parents.  contient une combinaison allélique identique aux autres descendants du couple.

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Sujet 1 – Le sujet

23 L’immunité adaptative :  est présente seule chez les Vertébrés.  s’ajoute à l’immunité innée chez tous les animaux.  est moins spécifique que l’immunité innée.  s’ajoute à l’immunité innée chez les Vertébrés. 24 La sélection clonale des lymphocytes T CD8 :  peut s’effectuer par contact direct avec un virus.  s’effectue toujours après la sélection clonale des lymphocytes B.  nécessite la présence d’interleukine 2.  s’effectue par contact avec une cellule présentatrice de l’antigène. 25 La mémoire immunitaire :  est due à la présence de cellules mémoires à longue durée de vie.  est présente dès la naissance de l’individu.  permet une réponse secondaire à l’antigène plus rapide mais quantitativement moins importante.  permet une réponse secondaire à l’antigène moins rapide mais quantitativement plus importante. 26 Le réflexe myotatique :  fait intervenir une seule synapse entre deux neurones moteurs.  fait intervenir une seule synapse entre deux neurones sensoriels.  nécessite l’intervention de plusieurs synapses.  fait intervenir une seule synapse entre un neurone sensoriel et un neurone moteur. 27 Le neurone moteur conduit un message nerveux :  codé en fréquence de potentiel d’action vers les centres nerveux.  codé en amplitude de potentiel d’action vers le muscle effecteur.  présentant toujours la même fréquence et la même amplitude de potentiel d’action.  codé en fréquence de potentiel d’action vers le muscle effecteur. 28 Au niveau du cerveau, les cartes motrices :  sont innées, présentes dès la naissance.  restent identiques tout au long de la vie de l’individu.  sont identiques chez tous les individus d’une même espèce.  peuvent évoluer en fonction de l’apprentissage.

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Le sujet Pas

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ä Comprendre la question Cet exercice constitue un excellent entraînement de révision pour tester vos connaissances sur l’ensemble du programme d’enseignement obligatoire. Un exercice de ce type est possible en partie 1 au baccalauréat mais semble peu probable. Une seule réponse est correcte parmi les quatre proposées et aucune justification n’est attendue.

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Sujet 1 – Le corrigé

Les conseils de l’enseignant

L’objectif de cette partie 1 est de vérifier les connaissances acquises par le candidat sur l’ensemble du programme obligatoire à l’aide d’un questionnaire à choix multiple. Il est essentiel de bien lire la consigne : ici pour chaque question, 4 propositions sont présentées. Une seule proposition sur les 4 est exacte, les 3 autres sont fausses. Il ne faut donc jamais cocher 2 propositions. En général, seules les bonnes réponses rapportent des points. L’absence de réponse ou une réponse fausse ne rapporte ni n’enlève de point. Les candidats ont donc toujours intérêt à cocher une proposition, même s’ils ne sont pas sûrs de leur réponse. Aucune justification n’est demandée aux candidats mais dans le corrigé, une explication est ici rajoutée afin d’aider à la compréhension. 1 Dans la Terre le transfert thermique s’effectue par : – convection seulement (faux). – convection et conduction (vrai). – l’intermédiaire du champ magnétique terrestre (faux). – fusion du manteau et remontée de roches du noyau (faux). Dans la Terre, les transferts thermiques s’effectuent par conduction (transfert de chaleur sans transfert de matière) et par convection (transfert de chaleur et de matière). 2 La croûte continentale est principalement formée : – de gabbros et granites (faux). – de roches sédimentaires et de granites (vrai). – de péridotites (faux). – de roches voisines du gabbro (faux). La croûte continentale est constituée principalement de granites recouverts d’une fine pellicule de roches sédimentaires. 3 Les différences d’altitude entre continents et océans sont dues au fait que : – la croûte continentale est moins dense et plus épaisse que la croûte océanique (vrai). – la croûte continentale est plus dense et plus épaisse que la croûte océanique (faux). – la croûte continentale est moins dense et plus fine que la croûte océanique (faux). – la croûte continentale est plus dense et plus fine que la croûte océanique (faux). La croûte continentale (densité : 2,8) est moins dense que la croûte océanique (densité : 2,9). La croûte continentale est plus épaisse (30 km d’épaisseur en moyenne) que la croûte océanique (7 km d’épaisseur en moyenne).

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Le corrigé

4 Les chaînes de montagnes présentent parfois des ophiolites, ce sont les traces : – d’un domaine océanique disparu suite à la collision de deux lithosphères continentales (vrai). – d’une activité volcanique de type point chaud (faux). – de la subduction d’une lithosphère océanique sous une autre de même nature (faux). – d’un amincissement crustal mettant à nu le manteau (faux). Les ophiolites sont des lambeaux de lithosphère océanique, composés de péridotites, basaltes et gabbros, charriés en domaine continental lors d’une collision. 5 Au niveau d’une chaîne de collision il se produit : – une convergence d’une lithosphère continentale et d’une lithosphère océanique (faux). – une subduction d’une lithosphère continentale sous l’autre (vrai). – une subduction océanique (faux). – un épaississement crustal par création de matériaux continentaux (faux). Lors de la formation des chaînes de collision, la subduction océanique se poursuit par la subduction d’une partie de la lithosphère continentale, tandis que la partie supérieure de la croûte s’épaissit par empilement de nappes dans la zone de contact des deux lithosphères. 6 Dans les zones de subduction on observe : – un volcanisme de type granodiorite, par fusion partielle de la plaque en subduction (faux). – un volcanisme andésitique par fusion partielle de péridotite de la plaque supérieure (vrai). – un volcanisme de type andésitique et de granodiorite par fusion partielle de péridotite de la plaque en subduction (faux). – un volcanisme de type andésitique par fusion partielle de péridotite de la plaque en subduction (faux). Les zones de subduction se caractérisent par un magmatisme ayant pour origine la fusion partielle des péridotites de la plaque chevauchante. Ce magmatisme se compose d’un volcanisme (andésite) et d’un plutonisme (granodiorite). 7 La fusion de péridotites dans les zones de subduction a pour origine : – un flux géothermique supérieur à la moyenne (faux). – la déshydratation des matériaux de la croûte océanique subduite (vrai). – la déshydratation des péridotites de la lithosphère océanique subduite (faux). – la déshydratation des péridotites de la croûte océanique subduite (faux). Les roches de la croûte océanique plongeante sont déshydratées lors du métamorphisme haute pression - basse température. L’eau libérée permet l’hydratation des péridotites de la lithosphère chevauchante, qui peuvent ainsi entrer en fusion partielle.

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Sujet 1 – Le corrigé

8 Un granitoïde est une roche : – volcanique à structure grenue (faux). – volcanique à structure vitreuse (faux). – magmatique à structure vitreuse (faux). – magmatique à structure grenue (vrai). Un granitoïde, comme le granite, est une roche magmatique plutonique qui présente une structure grenue, c’est à dire entièrement cristallisée. 9 La croûte continentale : – est en moyenne plus jeune que la croûte océanique (faux). – est plus dense dans les zones de collision (faux). – s’épaissit progressivement dans les zones de collision anciennes (faux). – s’altère sous l’effet des agents de l’érosion (vrai). La croûte continentale est soumise à l’érosion qui entraîne la disparition des reliefs. 10 Bien que le concept d’espèce soit délicat à définir, on peut néanmoins considérer qu’il s’agit : – de tous les individus interféconds (faux). – d’une population ayant le même patrimoine génétique (faux). – d’une population isolée géographiquement d’autres populations (faux). – d’une population isolée génétiquement d’autres populations (vrai). Une espèce peut être définie comme une population d’individus suffisamment isolée génétiquement des autres populations et qui n’existe que pendant un certain laps de temps. 11 Le genre Homo : – est constitué par l’Homme et les grands singes actuels (faux). – correspond à un groupe d’êtres vivants dont la biodiversité est maximale à l’époque actuelle (faux). – est associé à la production d’outils complexes (vrai). – est apparu il y a environ 55 à 60 millions d’années (faux). Le genre Homo n’est constitué actuellement que l’espèce humaine Homo sapiens et serait apparu il y a environ 2 Ma. Il se caractérise par la production et l’utilisation d’outils complexes. 12 Le genre Homo se distingue des autres primates par : – une bipédie occasionnelle (faux). – un dimorphisme sexuel marqué (faux). – une bipédie avec trou occipital en arrière (faux). – une bipédie avec un trou occipital avancé (vrai). 15

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Le corrigé

Le genre Homo se caractéristique par une bipédie permanente, associée à un trou occipital (insertion de la colonne vertébrale sous la boîte crânienne) en position avancée. 13 En relation avec la vie fixée, les plantes ont développé : – un système racinaire permettant des échanges de CO2 avec le sol (faux). – un système racinaire permettant des échanges d’eau avec l’atmosphère (faux). – un système aérien permettant des échanges d’ions, d’eau et de gaz avec l’air (faux). – un système aérien et un système souterrain pouvant échanger de la matière par un système vasculaire (vrai). Les plantes ont une vie fixée et se caractérisent par un système racinaire souterrain permettant l’échange d’eau et d’ions avec le sol et un système foliaire aérien permettant l’échange de molécules gazeuses avec l’atmosphère. Le système vasculaire permet le transfert de matière dans la plante. 14 Le pollen : – correspond au gamète femelle (faux). – est produit par les étamines (vrai). – représente l’embryon de la future graine (faux). – est toujours transporté par les insectes (faux). Le pollen est produit par les étamines : il contient les cellules reproductrices mâles de la plante. 15 La collaboration animal – plante : – s’exerce exclusivement lors de la pollinisation (faux). – s’exerce lors de la pollinisation et de la fécondation (faux). – s’exerce lors de la pollinisation et de la dispersion des gamètes (faux). – s’exerce lors de la pollinisation et de la dispersion des graines (vrai). Les animaux participent à la pollinisation (transport du pollen des étamines vers le pistil) et au transport des graines. 16 Le fruit : – contient une quantité variable d’ovules (faux). – contient une quantité variable de graines (vrai). – se forme seulement à partir de l’ovule (faux). – se forme avant la pollinisation (faux). Lors de la fécondation, après la pollinisation, les ovules fécondés se transforment en graines alors que le pistil se transforme en fruit.

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Sujet 1 – Le corrigé

17 La technique d’hybridation : – permet d’obtenir des variétés nouvelles qui cumulent les caractéristiques des 2 parents (vrai). – consiste à croiser toujours 2 individus d’espèce différente (faux). – consiste à croiser 2 individus afin d’obtenir des homozygotes (faux). – est la seule technique permettant de modifier le patrimoine génétique d’une plante (faux). L’hybridation vise à réunir dans une même variété les caractéristiques intéressantes des 2 parents, mais elle n’est pas la seule méthode pour modifier le patrimoine génétique (exemple : la transgénèse permet d’obtenir des organismes génétiquement modifiés ou OGM). 18 L’inflammation : – est la première étape de la réponse adaptative (faux). – ne repose pas sur des mécanismes de reconnaissance mais seulement sur la mise en jeu de molécules (faux). – est effective dès le stade fœtal (faux). – est caractérisée par des symptômes stéréotypés (vrai). La réaction inflammatoire aiguë fait partie de l’immunité innée et se caractérise par des symptômes toujours identiques au niveau de la plaie : douleur, rougeur, chaleur, et gonflement. 19 Lors de la réponse adaptative : – il se produit une augmentation de la quantité d’immunoglobulines dans le sang (vrai). – il se produit un gonflement, rougeur, chaleur, douleur au niveau de la zone d’infection (faux). – il y a production d’antigènes par les plasmocytes (faux). – Les plasmocytes se différencient en lymphocytes cytotoxiques (faux). Lors de la réponse adaptative, les lymphocytes B spécifiques de l’antigène sont activés, multipliés puis se différencient en plasmocytes sécrétant de nombreux anticorps, ou immunoglobulines, spécifiques de l’antigène. 20 La vaccination : – consiste à injecter des produits immunogènes et pathogènes (faux). – mobilise la réponse innée et adaptative (vrai). – contient des adjuvants qui déclenchent une réponse adaptative nécessaire à l’installation de la réponse innée (faux). – favorise la production d’antigènes par l’organisme (faux). La vaccination consiste en l’injection de produits immunogènes non pathogènes qui entraînent une réaction immunitaire adaptative à l’origine d’une mémoire immunitaire. Les adjuvants du vaccin déclenchent une réponse immunitaire innée indispensable à la réaction immunitaire adaptive.

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Le corrigé

21 Lors de la méiose, il s’effectue un brassage génétique par : – un brassage intrachromosomique lors de la deuxième division de la méiose (faux). – un brassage interchromosomique puis intrachromosomique lors de la première division de la méiose (faux). – un brassage intrachromosomique puis interchromosomique lors la deuxième division de la méiose (faux). – un brassage intrachromosomique puis interchromosomique lors la première division de la méiose (vrai). Lors de la première division de méiose, a lieu d’abord un brassage intrachromosomique, qui se caractérise par la formation de crossing-over, puis un brassage interchromosomique correspondant aux différentes dispositions possibles des chromosomes de chaque paire de part et d’autre du plan équatorial. 22 Le zygote formé par fécondation : – contient une combinaison unique et nouvelle d’allèles (vrai). – contient les mêmes combinaisons alléliques que ses parents (faux). – contient les mêmes combinaisons alléliques que l’un des parents (faux). – contient une combinaison allélique identique aux autres descendants du couple (faux). Le zygote, obtenu lors de la fécondation du gamète mâle et du gamète femelle, contient une combinaison allélique unique, différente de celles de ses parents et de celles des autres descendants du couple (sauf cas des vrais jumeaux). La reproduction sexuée réalise donc un brassage génétique. 23 L’immunité adaptative : – est présente seule chez les Vertébrés (faux). – s’ajoute à l’immunité innée chez les animaux (faux). – est moins spécifique que l’immunité innée (faux). – s’ajoute à l’immunité innée chez les Vertébrés (vrai). L’immunité innée est largement répandue chez tous les êtres vivants mais l’immunité adaptative est propre aux Vertébrés. 24 La sélection clonale des lymphocytes T CD8 : – peut s’effectuer par contact direct avec un virus (faux). – s’effectue toujours après la sélection clonale des lymphocytes B (faux). – nécessite la présence d’interleukine 2 (faux). – s’effectue par contact avec une cellule présentatrice de l’antigène (vrai). Pour effectuer la sélection clonale des lymphocytes T CD8, l’antigène doit être présenté par une cellule présentant les antigènes, comme les cellules dendritiques.

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Sujet 1 – Le corrigé

25 La mémoire immunitaire : – est due à la présence de cellules mémoires à longue durée de vie (vrai). – est présente dès la naissance de l’individu (faux). – permet une réponse secondaire à l’antigène plus rapide mais quantitativement moins importante (faux). – permet une réponse secondaire à l’antigène moins rapide mais quantitativement plus importante (faux). La mémoire immunitaire consiste à la formation de cellules immunitaires mémoire à longue durée de vie : elle se construit tout au long de la vie de l’individu à partir de la naissance. Elle permet une réaction dite secondaire à l’antigène, qui est plus rapide et quantitativement plus importante. 26 Le réflexe myotatique : – fait intervenir une seule synapse entre deux neurones moteurs (faux). – fait intervenir une seule synapse entre deux neurones sensoriels (faux). – nécessite l’intervention de plusieurs synapses (faux). – fait intervenir une seule synapse entre un neurone sensoriel et un neurone moteur (vrai). Le réflexe synaptique est un réflexe monosynaptique, qui ne fait intervenir qu’une seule synapse entre le neurone sensoriel et le neurone moteur. L’ensemble du circuit constitue un arc-reflexe. 27 Le neurone moteur transmet les informations nerveuses du centre nerveux situé dans la moelle épinière vers le muscle effecteur. Le message nerveux est codé en fréquence de potentiels d’action. 28 Au niveau du cerveau, les cartes motrices : – sont innées, présentes dès la naissance (faux). – restent identiques tout au long de la vie de l’individu (faux). – sont identiques chez tous les individus d’une même espèce (faux). – peuvent évoluer en fonction de l’apprentissage (vrai). Les cartes motrices sont variables selon les individus et évoluent en fonction de l’apprentissage : il s’agit de la plasticité cérébrale.

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Sujet 2, Inde, avril 2013

Partie 1 : La vie fixée chez les plantes Les végétaux terrestres sont pour la plupart des êtres vivants fixés. La vie fixée impose des contraintes. Présentez les différentes contraintes liées à la vie fixée et les caractéristiques des végétaux terrestres qui peuvent leur être reliées. Votre travail sera structuré et comportera une introduction et une conclusion rédigées. Le développement sera réalisé sous la forme d’un tableau présenté sur une double page.

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Sujet 2 – Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question Il s’agit d’abord d’identifier les différentes contraintes qu’impose la vie fixée des végétaux. Puis, pour chaque contrainte, il faut présenter les adaptations développées par les végétaux permettant de faire face à ces contraintes. Le sujet de la synthèse est proche du cours et ne présente pas de difficulté particulière mais l’originalité de cet exercice réside dans l’obligation de présenter le développement sous forme d’un tableau. ä Mobiliser ses connaissances La plante se caractérise par un mode de vie fixé à l’interface entre le milieu aérien et le sol. Les échanges de la plante avec le sol s’effectuent au niveau des racines, notamment au niveau des poils absorbants spécialisés dans l’absorption de l’eau et des ions minéraux du sol. Les échanges de molécules gazeuses (CO2 , O2 et H2 O) de la plante avec l’atmosphère s’effectuent au niveau des stomates des feuilles. Les vaisseaux conducteurs (xylème pour la sève brute et phloème pour la sève élaborée) transportent la matière à l’intérieur de la plante. Les plantes sont capables de résister aux variations saisonnières et présentent des mécanismes de défense contre leurs prédateurs. La fleur est l’organe reproducteur de la plante : les étamines contenant les grains de pollen sont l’organe reproducteur mâle tandis que le pistil renfermant les ovules est l’organe reproducteur femelle. La fécondation chez les plantes à fleurs est généralement croisée et nécessite souvent l’action d’un agent pollinisateur (animaux, vent ou eau), qui transporte le pollen des étamines d’une fleur au pistil d’une autre. La pollinisation de certaines plantes repose sur une collaboration entre l’animal pollinisateur et la plante, et est le produit d’une coévolution. Après fécondation, les ovules fécondés se transforment en graines tandis la fleur se transforme en fruit. La dissémination des graines s’effectue par des agents disséminateurs (animaux, vent, ou eau) et repose également sur une collaboration entre l’animal disséminateur et la plante, résultat d’une coévolution. ä Procéder par étapes 1re étape : identifier le type de réponse attendue Le développement de la synthèse doit obligatoirement se présenter sous forme d’un tableau occupant une double page. L’essentiel est de bien structurer le tableau. Enfin, l’énoncé exige la présence d’une introduction et d’une conclusion rédigées. 2e étape : élaborer un plan détaillé de la synthèse au brouillon La construction du tableau nécessite de définir ce qui est mis dans les lignes et dans les colonnes. Ainsi dans une première colonne, peuvent figurer les contraintes liées à la vie fixée et dans une seconde colonne, les caractéristiques des plantes permettant de répondre à ces contraintes. Les différentes lignes du tableau correspondent alors aux différents domaines de la vie de la plante affectés par la vie fixée : les échanges avec le milieu en vue de la nutrition, la défense contre les variations et les agressions du milieu, puis la reproduction des plantes à fleurs.

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SVT

Le sujet Pas

à pas

Pour chacun de ces trois thèmes, il s’agit de mettre en évidence les caractéristiques de la plante permettant de répondre aux contraintes imposées par la vie fixée. Quand cela s’y prête, vous pouvez donner un exemple ou illustrer la notion présentée par un schéma, qui figurera dans le tableau. 3e étape : structurer l’introduction et la conclusion au brouillon Vous pouvez structurer l’introduction et la conclusion au brouillon mais sans les rédiger entièrement. L’introduction s’organise en trois parties : – la présentation du sujet ou l’entrée en matière : ici on peut partir des différences de modes de vie entre les animaux généralement mobiles dans leur milieu et les plantes ayant une vie fixée. – la problématique ou le problème à résoudre : quelles sont les contraintes imposées par le mode de vie fixé des plantes et quelles sont les caractéristiques des plantes permettant de répondre à ces contraintes ? – l’annonce de la résolution du problème posé, correspondant à l’annonce du plan de la synthèse, qui présente les trois thèmes étudiés : les échanges avec le milieu, la défense contre les variations et les agressions du milieu et la reproduction des plantes à fleurs. La conclusion se structure en deux parties : – Le bilan ou la réponse à la problématique fait ressortir l’essentiel de votre réponse : ici, le mode de vie fixé des plantes impose le développement de vastes surfaces d’échange avec le sol et l’atmosphère, des structures et des mécanismes de défense contre les variations et les agressions du milieu, et l’intervention d’agents réalisant la pollinisation et la dissémination des graines permettant la reproduction des plantes à fleurs. – l’ouverture vers un sujet voisin de celui étudié, qui peut se présenter sous forme d’une question. Plusieurs ouvertures sont possibles, comme par exemple une ouverture portant sur l’utilisation des plantes par l’homme en agriculture. 4e étape : rédiger la réponse sur la copie Sur votre copie, rédigez directement l’introduction, tracez proprement le tableau et remplissez-le, y compris avec les schémas, puis rédigez la conclusion. Dans le tableau, vous n’êtes pas obligé(e) de présenter les notions sous forme de longues phrases, au contraire, des explications courtes mais complètes seront plus compréhensibles. Vos schémas présents dans le tableau doivent être légendés et porter un titre approprié.

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Sujet 2 – Le corrigé

Question de synthèse

Introduction

La majorité des animaux sont capables de se déplacer dans leur milieu pour aller à la recherche de leur nourriture, pour échapper à leurs prédateurs et pour se reproduire. À l’inverse, les plantes se caractérisent par un mode de vie fixé rendant impossible tout déplacement. Quelles sont alors les différentes contraintes des plantes liées à leur vie fixée et quelles sont les caractéristiques des plantes leur permettant de répondre à ces contraintes ? Nous présenterons les contraintes et les caractéristiques des végétaux qui en découlent, d’abord celles concernant les échanges avec le milieu pour la nutrition des plantes, puis celles liées à la défense des plantes face aux agressions du milieu, et enfin celles concernant la reproduction des plantes à fleurs.

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Sujet 2 – Le corrigé

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Sujet 2 – Le corrigé

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Conclusion

Le mode de vie fixé des plantes a entraîné la sélection lors de l’évolution de caractéristiques particulières des plantes : vastes surfaces d’échanges d’externes avec le sol et l’atmosphère, mécanismes de protection contre les variations saisonnières et les prédateurs, modalités de reproduction faisant intervenir des agents de transport du pollen et de dissémination des graines. L’homme utilise les végétaux pour se nourrir, se vêtir, mais aussi à des fins industrielles et énergétiques. Comment l’homme a-t-il modifié les caractéristiques des végétaux en les cultivant pour les utiliser à son profit ?

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Sujet 3, Centres étrangers, juin 2013

Partie 1 : La coopération entre les animaux et les plantes à fleurs dans la reproduction sexuée des plantes à fleurs L’organisation fonctionnelle des plantes (Angiospermes) résulte d’une histoire évolutive qui sélectionne un certain nombre de caractéristiques répondant aux exigences d’une vie fixée à l’interface entre deux milieux, l’air et le sol. Sélectionnez la proposition exacte pour chaque question. 1 La plante fixée :  ne possède aucun moyen de défense contre les variations climatiques  ne peut jamais se défendre contre les prédateurs  peut se reproduire avec une autre plante de la même espèce  peut disperser sa descendance sous forme de pollen 2 La racine :  contient uniquement des vaisseaux du xylème  ne contient pas de sève élaborée  permet l’absorption de matière organique à partir du sol  permet l’absorption d’eau et d’ions à partir du sol 3 La fleur :  a une organisation contrôlée par des gènes de développement  produit du pollen au niveau du pistil  attire toujours des insectes pollinisateurs  se transforme en graine après fécondation Les plantes ont une vie fixée, ce qui peut constituer un obstacle au moment de la reproduction sexuée. Montrez en quoi une coopération avec des animaux permet la reproduction sexuée de certaines plantes à fleurs. Votre exposé sera structuré et l’expression écrite soignée.

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Le sujet Pas

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à pas

ä Comprendre la question QCM

La première partie de la question se présente sous forme d’un QCM de trois questions portant sur des connaissances du cours. Question de synthèse

Le sujet de la synthèse est la coopération entre les animaux et certaines plantes à fleurs pour la réalisation de la reproduction sexuée de ces plantes. Il s’agit d’un sujet proche du cours, qui n’offre pas de grandes difficultés et qui est assez court. L’élément le plus délicat est de bien expliquer la notion de coévolution entre les espèces. ä Mobiliser ses connaissances Dans le QCM

Les racines sont spécialisées dans l’absorption de l’eau et des ions minéraux du sol. Les vaisseaux conducteurs (xylème pour la sève brute et phloème pour la sève élaborée) transportent la matière à l’intérieur de la plante. Les plantes sont capables de résister aux variations saisonnières et présentent des mécanismes de défense contre leurs prédateurs. La fleur est l’organe reproducteur de la plante et son développement est contrôlé par des gènes de développement. Les étamines contiennent les grains de pollen et le pistil contient les ovules. La fécondation est généralement croisée : les grains de pollen produits par une fleur sont déposés sur l’extrémité du pistil d’une fleur appartenant à une autre plante de la même espèce. La pollinisation nécessite souvent l’action d’agents pollinisateurs, comme les animaux. Après fécondation, les ovules fécondés se transforment en graines tandis que la fleur se transforme en fruit. Dans la synthèse

La pollinisation de nombreuses plantes repose sur une collaboration entre l’animal pollinisateur et la plante. Cette collaboration est le produit d’une coévolution. La dissémination des graines s’effectue par des agents disséminateurs dont les animaux. La collaboration entre l’animal disséminateur et la plante est également le résultat d’une coévolution.

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Sujet 3 – Le sujet Pas

à pas

ä Procéder par étapes Le QCM

Une seule réponse est correcte parmi les quatre proposées et aucune justification n’est attendue. La synthèse

1re étape : identifier le type de réponse attendue D’après l’énoncé, la réponse attendue est une synthèse structurée qui présente la coopération entre les animaux et les plantes à fleurs dans la reproduction sexuée de ces plantes. L’énoncé n’apporte aucune indication concernant le plan de la synthèse et ne précise pas si une introduction et une conclusion sont exigées. Mais comme la problématique de la synthèse et la réponse à cette problématique doivent être présentes, il est préférable de rédiger une introduction et une conclusion les comprenant. Aucun schéma n’est exigé par l’énoncé mais il est souhaitable d’en intégrer dans la synthèse afin d’illustrer les notions développées. 2e étape : élaborer un plan détaillé de la synthèse au brouillon La construction du plan de la synthèse nécessite de déterminer quand intervient la coopération entre les plantes et les animaux dans la reproduction des plantes à fleurs. Cette coopération s’observe d’abord lors de la pollinisation et lors de la dissémination des graines. Dans ces deux parties, l’idée essentielle est de montrer que la vie fixée des plantes représente un obstacle au déplacement du pollen et des graines et que la reproduction des plantes à fleurs est souvent réalisée grâce à l’intervention d’animaux qui effectuent la pollinisation et la dissémination des graines. Des exemples issus de ceux vus dans l’année, même s’ils ne sont pas très détaillés, sont à intégrer dans la synthèse. À la fin de la synthèse, un schéma-bilan récapitulant les notions exposées peut être proposé. Le tableau suivant présente un exemple de plan détaillé construit au brouillon. Structure de la synthèse Introduction 1. La coopération entre les plantes et les animaux dans la pollinisation

Eléments de connaissance

Exemples

La fleur : organe reproducteur de la plante –les étamines contenant les grains de pollen : organe reproducteur mâle ; –le pistil renfermant les ovules : organe reproducteur femelle. La vie fixée des plantes et la reproduction croisée impose un transport du pollen. Agent pollinisateur : les animaux (en particulier les insectes). Coopération entre l’animal pollinisateur et la plante : pollinisation souvent spécifique, résultat d’une coévolution.

Pollinisation par les abeilles, pollinisation très spécifique entre une orchidée d’Afrique du Sud et une espèce de mouche.

31

SVT

Le sujet Pas

Structure de la synthèse 2. La coopération entre les plantes et les animaux dans la dissémination des graines

à pas

Eléments de connaissance Après fécondation, les ovules fécondés se transforment en graines tandis la fleur se transforme en fruit. La vie fixée des plantes impose le transport des graines pour disséminer les graines et coloniser ainsi de nouveaux milieux. Coopération entre l’animal disséminateur et la plante, résultat d’une coévolution.

Exemples Consommation de fruits charnus par les primates en forêt tropicale.

Schéma-bilan : coopération entre les plantes et les animaux dans la reproduction sexuée des plantes à fleurs Conclusion

3e étape : structurer l’introduction et la conclusion au brouillon Vous pouvez structurer l’introduction et la conclusion au brouillon sans les rédiger entièrement. L’introduction s’organise en trois parties : – la présentation du sujet ou l’entrée en matière (on peut ici partir du mode de vie fixé des plantes et de leurs caractéristiques), – la problématique ou le problème à résoudre, correspondant à celui présenté par l’énoncé : comment la coopération avec des animaux permet-elle la reproduction sexuée de certaines plantes à fleurs ? – l’annonce de la résolution du problème posé, correspondant à l’annonce du plan de la synthèse et présentant les deux parties étudiées : la pollinisation puis la dissémination des graines. La conclusion se structure en deux parties : – le bilan ou la réponse à la problématique fait ressortir l’essentiel de votre réponse : les animaux participent à la pollinisation et la dissémination des graines. Cette coopération peut parfois être très spécifique et est le résultat d’une coévolution. – l’ouverture vers un sujet voisin de celui étudié, qui peut se présenter sous forme d’une question. Plusieurs ouvertures sont possibles comme par exemple l’importance pour l’agriculture de la pollinisation effectuée par certains insectes dont les populations sont en déclin depuis plusieurs années. 4e étape : rédiger la réponse sur la copie Sur votre copie, rédigez directement l’introduction, le développement de la synthèse en y intégrant les schémas puis rédigez la conclusion. Pour plus de clarté, vous pouvez structurer votre synthèse par des titres numérotés et mis en valeur. Vos schémas doivent être grands, clairs, en couleurs et accompagnés de légendes et d’un titre pertinent. À la fin de votre travail, consacrez quelques minutes à relire votre synthèse pour vérifier sa cohérence et rectifier les maladresses dans l’expression ainsi que les fautes d’orthographe. 32

Sujet 3 – Le corrigé

QCM

1 La plante fixée : peut se reproduire avec une autre plante de la même espèce Lors de la fécondation croisée, deux plantes de la même espèce se reproduisent entre-elles. 2 La racine : permet l’absorption d’eau et d’ions à partir du sol La racine est l’organe responsable de l’absorption de l’eau et des ions présents dans le sol qui forment alors la sève brute conduite par les vaisseaux du xylème. La racine possède également des vaisseaux du phloème qui lui apportent de la sève élaborée. 3 La fleur : produit du pollen au niveau du pistil Le pollen est produit par les étamines. D’autres agents de pollinisation existent : des animaux qui ne sont pas des insectes, le vent et l’eau. Les ovules fécondés se transforment en graines tandis que la fleur se transforme en fruit. Question de synthèse Introduction

La majorité des animaux sont capables de se déplacer dans leur milieu à la recherche de leur partenaire sexuel pour se reproduire. Mais les plantes caractérisées par un mode de vie fixé sont incapables de se mouvoir dans leur milieu. Certaines plantes utilisent alors des animaux pour la réalisation de leur reproduction. Comment la coopération avec des animaux permet-elle la reproduction sexuée de certaines plantes à fleurs ? Nous présenterons d’abord comment les animaux interviennent dans la pollinisation des plantes puis de quelle manière ils participent à la dissémination des graines. 1. La coopération entre les plantes et les animaux lors de la pollinisation

La plante immobile dans son milieu est incapable de se déplacer pour rencontrer un partenaire en vue de sa reproduction sexuée. Or, la majorité des plantes à fleurs pratiquent des fécondations croisées, c’est-à-dire que la fécondation a lieu entre un gamète mâle et un gamète femelle issus de deux plantes différentes de la même espèce. Ainsi, la fécondation croisée et la vie fixée des plantes imposent un transport du pollen de l’étamine d’une première fleur sur l’extrémité du pistil d’une seconde fleur. Cette pollinisation s’effectue souvent par des agents pollinisateurs comme les animaux. Par exemple, les insectes tels que les abeilles participent à la pollinisation de nombreuses plantes. Les animaux pollinisateurs et la fleur qu’ils pollinisent sont souvent étroitement spécifiques l’un de l’autre. Ainsi en Afrique du Sud, une espèce particulière d’Orchidée ne peut 33

SVT

Le corrigé

être pollinisée que par une seule espèce de mouche dont la longueur de l’organe de succion correspond exactement à la longueur du pétale contenant le nectar. Certaines plantes à fleurs et certains animaux ont ainsi développé conjointement des adaptations favorisant leur coopération. Ainsi les fleurs pollinisées par les insectes émettent des signaux (couleur, odeur...) attirant les insectes pollinisateurs, qui trouvent dans la fleur des aliments (nectar et pollen). L’accrochage des grains de pollen sur les animaux peut être facilité par leur ornementation. On peut citer l’exemple de la fleur de l’orchidée Ophrys, qui mine même une abeille femelle pour attirer l’abeille mâle réalisant sa pollinisation. Ces adaptations de la plante et l’animal pollinisateur sont le résultat d’une coévolution entre ces deux espèces, c’est-à-dire une évolution coordonnée des deux espèces en relation étroite l’une avec l’autre et où chaque espèce exerce une pression de sélection sur l’autre. 2. La coopération entre les plantes et les animaux lors de la dissémination des graines

Après la fécondation des ovules contenus dans le pistil par les gamètes mâles des grains de pollen, les ovules fécondés se transforment en graines tandis que la fleur se transforme en fruit. Le mode de vie fixé des plantes a comme conséquence que les graines sont responsables de la dispersion de l’espèce et de la colonisation de nouveaux milieux. La dispersion des graines peut s’effectuer par des animaux. Par exemple, en forêt tropicale africaine, des primates consomment des fruits charnus contenant les graines de plantes à fleurs. Ils transportent les graines dans leur tube digestif puis les rejettent avec leurs excréments dans le milieu. Les graines ainsi disséminées peuvent alors germer et leur germination est facilitée par leur passage dans le tube digestif des animaux. La dissémination des graines par les animaux est une coopération entre les animaux et les plantes à fleurs et résulte là aussi d’une coévolution.

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Sujet 3 – Le corrigé

Coopération entre les plantes à fleurs et les animaux pour la reproduction sexuée des plantes à fleurs

35

SVT

Le corrigé

Conclusion

Le mode de vie fixé des plantes a contraint la sélection lors de l’évolution des caractéristiques particulières des plantes permettant leur reproduction sexuée et la colonisation de nouveaux milieux. Des animaux participent à la reproduction sexuée des plantes à fleurs lors de la pollinisation et la dissémination des graines. La coopération entre les plantes à fleurs et les animaux est donc le résultat d’une évolution conjointe entre les plantes à fleurs et les animaux. Depuis plus d’une dizaine d’années, un déclin des populations d’insectes pollinisateurs est observé dans plusieurs pays en particulier en Europe. Ce déclin, s’il n’est pas enrayé, pourrait avoir de graves conséquences sur de nombreuses plantes à fleurs, y compris certaines utilisées en agriculture pour l’alimentation humaine.

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Sujet 4, Centres étrangers, juin 2013

Partie 2, exercice 1 : Comparaisons moléculaires et phylogénie Le TNF alpha est une molécule intervenant chez l’Homme dans la réaction inflammatoire. Cette molécule a été isolée chez plusieurs Vertébrés. D’autre part, en 2002, des scientifiques ont identifié chez la drosophile (Drosophila melanogaster) une protéine membranaire « Eiger » qui a les mêmes effets que le TNF alpha. Expliquez en quoi la comparaison des différentes molécules du document 1 indique une origine ancienne commune des molécules intervenant dans la réaction inflammatoire et conforte le positionnement des espèces dans l’arbre phylogénétique du document 2. Votre réponse consistera en un texte concis, de quelques phrases. Pour le document 1, aucun calcul de pourcentages n’est attendu.

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SVT

Le sujet

› Document 1 : Alignements et comparaisons de différentes protéines (TNFα ou Eiger) avec la protéine TNF alpha (TNFa) de l’Homme

Sources : Banque de séquences Uniprot, logiciel de comparaison : Clustal.

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Sujet 4 – Le sujet

› Document 2 : Arbre phylogénétique établi sur des critères anatomiques montrant les liens de parenté entre quelques animaux

(La numérotation des nœuds est totalement arbitraire).

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SVT

Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question À partir de la comparaison des séquences peptidiques de protéines impliquées dans la réaction inflammatoire chez différentes espèces, le sujet propose de montrer que ces molécules ont une origine commune, puis d’établir les liens de parenté entre ces espèces afin de les comparer à ceux présentés par un arbre phylogénétique obtenu à partir de caractères anatomiques. ä Mobiliser ses connaissances Deux gènes proviennent d’un même gène ancestral si leurs séquences nucléotidiques (ou la séquence peptidique des protéines qu’ils codent) présentent une similitude importante (au moins 20 %). Deux espèces sont d’autant plus apparentées qu’elles possèdent des gènes (ou des protéines) présentant de fortes similitudes de séquences. Un arbre phylogénétique représente les liens de parenté entre les espèces. Deux espèces sont d’autant plus apparentées que leur dernier ancêtre commun est récent. ä Procéder par étapes 1re étape : analyser la comparaison moléculaire des protéines étudiées On compare la séquence peptidique du TNF alpha de l’homme avec celles du TNF alpha de chimpanzé, de souris, de dorade et avec celle d’une partie de la protéine Eiger de drosophile. Il suffit ici d’observer que la similitude des séquences peptidiques de ces protéines est suffisante pour justifier que ces protéines ont une origine commune. 2e étape : déduire de la comparaison moléculaire les liens de parenté entre les espèces étudiées On sait que deux espèces sont d’autant plus apparentées que leurs protéines ont des séquences similaires. La comparaison moléculaire permet d’établir que l’homme est plus apparenté d’abord au chimpanzé, puis à la souris, puis à la dorade, et enfin à la drosophile. 3e étape : retrouver sur l’arbre phylogénétique les liens de parenté précédemment établis Dans l’arbre phylogénétique, deux espèces sont d’autant plus apparentées que leur dernier ancêtre commun est récent. On retrouve facilement sur l’arbre les liens de parenté établis précédemment à partir de la comparaison moléculaire. 4e étape : rédiger une réponse claire et courte Après avoir compris le principe des trois étapes précédentes, rédiger directement sur votre copie votre réponse, qui doit comporter une courte introduction présentant la problématique et une courte conclusion répondant à cette problématique. L’énoncé précise qu’aucun calcul de pourcentage issu du document 1 n’est attendu mais on peut donner le nombre d’identités ou de similitudes en acides aminés pour chaque comparaison.

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Sujet 4 – Le corrigé

Comment la comparaison des molécules impliquées dans la réaction inflammatoire permet-elle de montrer leur origine commune et comment cette comparaison moléculaire conforte-elle le positionnement des espèces étudiées dans l’arbre phylogénétique fourni ? Les séquences peptidiques du TNF alpha de l’homme, du chimpanzé, de la souris, de la dorade et celle de la protéine Eiger de drosophile présentent des similitudes importantes (document 1). On en déduit que ces différentes protéines impliquées dans la réaction inflammatoire présentent une origine commune, c’est-à-dire qu’elles sont codées à partir de gènes issus d’un même gène ancestral. La comparaison moléculaire montre que la séquence du TNF alpha humain présente davantage de similitudes d’abord avec celle du TNF alpha du chimpanzé (155 identités ou similitudes), puis avec celle du TNF alpha de la souris (146 identités ou similitudes), puis avec celle du TNF alpha de la dorade (96 identités ou similitudes) et enfin avec la séquence de la protéine Eiger de drosophile (59 identités ou similitudes) (document 1). Or, deux espèces sont d’autant plus apparentées qu’elles possèdent des protéines présentant de fortes similitudes de séquences. On en déduit que l’homme est plus apparenté d’abord avec le chimpanzé, puis avec la souris, puis avec la dorade, et enfin avec la drosophile. Dans un arbre phylogénétique, deux espèces sont d’autant plus apparentées que leur dernier ancêtre commun est récent. Ainsi les liens de parenté obtenus par la comparaison moléculaire correspondent à ceux représentés dans l’arbre phylogénétique (document 2). En effet le dernier ancêtre commun de l’homme et du chimpanzé (nœud no 9) est plus récent que le dernier ancêtre commun de l’homme, du chimpanzé et de la souris (nœud no 8), qui est lui-même plus récent que le dernier ancêtre commun de l’homme, du chimpanzé, de la souris, et de la dorade (nœud no 6), qui est enfin plus récent que le dernier commun de ces quatre espèces et de la drosophile (nœud n° 2). Ainsi, le TNF alpha de l’homme, du chimpanzé, de la souris, de la dorade et la protéine Eiger de la drosophile ont une origine commune et la comparaison de leurs séquences permet d’établir des liens de parenté qui correspondent à ceux établis par l’étude des caractères anatomiques.

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Sujet 5, Sujet national, juin 2013

Partie 2, exercice 1 : Brassages chromosomiques chez la drosophile Au cours de la méiose, les brassages inter et intra-chromosomique produisent une diversité potentiellement infinie de gamètes. On réalise des croisements de drosophiles dont les résultats sont donnés dans le document 1. On cherche à comprendre lequel de ces deux mécanismes (brassage inter ou intra-chromosomique) est mis en œuvre et quels sont les deux gènes impliqués. › Document 1 : résultats de croisements de drosophiles portant sur les caractères « longueur des ailes » (ailes longues et ailes vestigiales ou réduites) et « couleur du corps » (corps clair et corps noir).

D’après http ://didac.free.fr/droso/index.htm le 07/07/2012

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Sujet 5 – Le sujet

› Document 2 : caryotype et portion de la carte génétique de la drosophile (Chaque gène possède un allèle dit « sauvage » à l’origine de l’expression du phénotype « sauvage » qui est le plus présent dans les populations de drosophiles).

D’après E. Altenburg repris dans Génétique de G. Prévost, éditions Hermann -1976 modifié à l’aide du site http ://svt.ac-dijon.fr/

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SVT

Le sujet

QCM : à partir des informations tirées des documents, cocher la bonne réponse, pour chaque série de propositions. 1  Le caryotype de la drosophile comprend 2 chromosomes à 2 chromatides  Le caryotype de la drosophile comprend 8 paires de chromosomes  Le caryotype de la drosophile comprend 3 paires de chromosomes et 2 protéines sphériques  Le caryotype de la drosophile comprend 4 paires de chromosomes 2  L’allèle responsable de la couleur claire du corps est dominant par rapport à l’allèle responsable des ailes vestigiales  L’allèle responsable de la couleur claire du corps est dominant par rapport à l’allèle responsable du corps noir  L’allèle responsable des ailes vestigiales est dominant par rapport à l’allèle responsable des ailes longues  L’allèle responsable de la couleur noire du corps est un allèle sauvage 3  Ces croisements illustrent les brassages intrachromosomique et interchromosomique  Ces croisements illustrent le brassage intrachromosomique  Ces croisements illustrent le brassage interchromosomique  Ces croisements sont responsables d’une aberration chromosomique 4  Les gènes impliqués dans ce brassage sont liés  Un seul gène gouverne la couleur du corps  Les gènes impliqués dans ce brassage sont indépendants  Le gène gouvernant la couleur du corps situé sur le chromosome 2 est un des deux gènes impliqués dans le croisement 5  Toutes les cellules du corps de la drosophile sont haploïdes  Les résultats du premier croisement (F1) permettent de déterminer quels sont les allèles dominants  On appelle test-cross, l’évènement responsable d’une recombinaison intra-chromosomique  Les drosophiles « sauvages » sont plus dangereuses que les drosophiles « mutées »

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Sujet 5 – Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question L’objet d’étude est une série de deux croisements chez la drosophile. Deux caractères sont étudiés : la couleur du corps et la longueur des ailes. Le premier document présente les résultats des deux croisements et le second document expose le caryotype et une carte génétique partielle de la drosophile. Cette carte génétique précise la localisation chromosomique de plusieurs gènes. L’objectif de l’exercice est d’établir si les résultats des croisements résultent d’un brassage intrachromosomique entre des gènes situés sur un même chromosome ou d’un brassage interchromosomique entre des gènes situés sur des chromosomes différents. Il s’agit seulement de répondre aux cinq questions du QCM sans apporter de justification. Dans le QCM, une seule réponse est correcte parmi les quatre proposées. S’il n’est pas difficile, l’exercice nécessite néanmoins une bonne lecture du caryotype et de la carte génétique de la drosophile, et d’avoir bien intégré les notions de génétique vues durant l’année. ä Mobiliser ses connaissances Une cellule diploïde est une cellule possédant 2n chromosomes, soit n paires de chromosomes homologues tandis qu’une cellule haploïde possède n chromosomes, soit un chromosome de chaque paire. Un test-cross ou croisement test est le croisement d’un individu avec un individu homozygote pour les allèles récessifs des gènes étudiés. Le brassage interchromosomique est la répartition aléatoire des chromosomes de chaque paire au cours de l’anaphase de première division de méiose. Le brassage intrachromosomique est la réassociation en prophase de première division de méiose de chromatides appartenant à deux chromosomes homologues lors de crossing-over. Des gènes liés sont des gènes situés sur un même chromosome. Des gènes indépendants sont des gènes situés sur des chromosomes différents. ä Procéder par étapes 1re étape : Déterminer si les gènes étudiés sont indépendants ou non à partir des résultats des croisements On étudie deux caractères et on suppose que chaque caractère est gouverné par un gène. Chaque gène présente ici deux allèles. D’après le document 1, le 1er croisement permet d’établir les relations de dominance et de récessivité entre les allèles d’un même gène. Le second croisement est un test-cross qui aboutit à la formation de quatre types d’individus ayant chacun la même fréquence (25 %). Ce résultat permet de déduire que les deux gènes étudiés sont indépendants, c’est-à-dire situés sur deux chromosomes différents et que la diversité des individus obtenus lors du second croisement est le résultat d’un brassage interchromosomique concernant les deux gènes étudiés. 2e étape : Identifier les gènes étudiés et préciser leur localisation chromosomique Dans le document 2, la carte génétique montre que le gène vestigial responsable des phénotypes aile normale/aile vestigiale est situé sur le chromosome 2. Il existe deux gènes responsables des phénotypes corps clair/corps noir : le gène black est situé sur le chromosome 2 tandis que le gène ebony est situé sur le chromosome 3. Comme on sait que les deux gènes étudiés sont indépendants, on en déduit que les gènes étudiés sont les gènes vestigial et ebony. 45

SVT

Le corrigé

QCM

1 Le caryotype de la drosophile comprend quatre paires de chromosomes. Le document 2 présente le caryotype de la drosophile : on observe huit chromosomes, soit quatre paires de chromosomes. Les deux chromosomes de la paire n °4 sont de petite taille. 2 L’allèle responsable de la couleur claire du corps est dominant par rapport à l’allèle responsable du corps noir. Dans le premier croisement, la mouche A possède des ailes normales et un corps clair tandis que la mouche B possède des ailes vestigiales et un corps noir. Or, les mouches F1 résultant du croisement des mouches A avec les mouches B ont des ailes normales et un corps clair. En supposant que la couleur du corps est gouverné par un gène possédant deux allèles (l’un conférant un corps clair, l’autre conférant un corps noir), on en déduit que l’allèle responsable du corps clair est dominant par rapport à l’allèle responsable du corps noir. 3 Ces croisements illustrent le brassage interchromosomique. Dans le second croisement ou test-cross, les femelles F1 sont croisées avec des mâles aux ailes vestigiales et au corps noir. À l’issue de ce croisement, on obtient quatre types d’individus différents ayant chacun une fréquence de 25 %. Ce résultat indique l’existence d’un brassage interchromosomique, qui a lieu en anaphase de première division de méiose. Le brassage interchromosomique se caractérise par la migration au hasard des chromosomes d’une même paire de part et d’autre du plan équatorial de la cellule. Si le brassage avait été intrachromosomique, les individus de type parentaux (ceux à ailes normales et corps clair et ceux à ailes vestigiales et corps noir) auraient été beaucoup plus fréquents que les individus de type non parentaux (ceux à ailes normales et corps noir et ceux à ailes vestigiales et corps clair). 4 Les gènes impliqués dans ce brassage sont liés. Un seul gène gouverne la couleur du corps. Les gènes impliqués dans ce brassage sont indépendants. Le gène gouvernant la couleur du corps situé sur le chromosome 2 est un des deux gènes impliqués dans le croisement. Deux gènes sont responsables des phénotypes corps clair/corps noir chez la drosophile : le gène black sur le chromosome 2, le gène ebony sur le chromosome 3. La mise en évidence d’un brassage interchromosomique indique que les deux gènes étudiés, celui responsable de la couleur du corps et celui responsable de la longueur des ailes, sont localisés sur deux chromosomes différents. Les deux gènes ebony et vestigial étudiés sont en effet situés sur deux chromosomes différents et sont dits indépendants. Si les deux gènes impliqués avaient été localisés sur le même chromosome, alors le brassage aurait été intrachromosomique et les individus de type parentaux auraient été beaucoup plus fréquents que les individus de type non parentaux.

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Sujet 5 – Le corrigé

5 Toutes les cellules du corps de la drosophile sont haploïdes. Les résultats du premier croisement (F1) permettent de déterminer quels sont les allèles dominants. On appelle test-cross, l’évènement responsable d’une recombinaison intra-chromosomique. Les drosophiles « sauvages » sont plus dangereuses que les drosophiles « mutées ». La réponse correcte est que les résultats du premier croisement permettent d’établir que l’allèle responsable de la couleur claire du corps est dominant par rapport à l’allèle responsable du corps noir et que l’allèle responsable des ailes longues est dominant par rapport à l’allèle responsable des ailes vestigiales. Les autres réponses ne sont pas correctes car : – les cellules du corps de la drosophile sont diploïdes sauf les cellules germinales qui sont haploïdes. – un test-cross ou croisement test est le croisement d’un individu avec un autre individu portant les allèles récessifs pour les gènes étudiés. – les drosophiles quelles soient sauvages ou mutées ne sont pas particulièrement dangereuses.

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Sujet 6, Polynésie, juin 2013

Partie 2, exercice 2 : Diversification génétique et diversification des êtres vivants

Les chauves-souris sont des Mammifères appartenant au groupe des Chiroptères ; elles présentent des membres antérieurs spécialisés (ailes) adaptés au vol. Les premiers Chiroptères fossiles apparaissent il y a une cinquantaine de millions d’années avec d’emblée les caractéristiques des Chauves-souris actuelles. Les spécialistes s’accordent pour dire que les Chiroptères proviennent de l’évolution de formes ancestrales ayant l’aspect de mammifères quadrupèdes aux membres non spécialisés comme ceux des rats et souris actuels. Des travaux récents ont eu pour objectif de déceler les innovations génétiques à l’origine de l’adaptation au vol des Chauve-souris, notamment de la transformation des membres antérieurs en ailes. L’intérêt s’est porté sur les gènes Prx1 et Bmp2 connus pour agir sur la croissance des os longs des membres au cours du développement embryonnaire. Exploitez les documents 1 à 4 ci-dessous et mobilisez vos connaissances sur le gène et les modalités de son expression pour dégager des arguments permettant de penser que des modifications de l’expression de certains gènes de développement peuvent être à l’origine du groupe des Chiroptères. › Document 1 : Comparaison de l’organisation des membres antérieurs d’une souris (Mus musculus) et de chauve souris (Carollia perspicillatta)

I, II, III, IV et V correspondent aux doigts. Le doigt I correspond au pouce. s = segment correspondant au bras z = segment correspondant à l’avant-bras a = segment correspondant à la main+

from Cretekos et al. (2001)

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Sujet 6 – Le sujet

› Document 2 : Des résultats expérimentaux : effets de la protéine Bmp2 sur la croissance en longueur des métatarsiens1

Le rôle du gène BMP2 (bone morphologic protein) dans l’ossification étant connu, on a constaté qu’il s’exprimait dans les bourgeons des membres et donc émis l’hypothèse qu’il pouvait être impliqué dans la croissance des os de la main et du pied. Pour tester cette idée, les scientifiques ont prélevé des os métatarsiens1 de foetus de rats et les ont mis en culture dans un milieu contenant des concentrations variées de la protéine Bmp2. Le graphique renseigne sur la croissance des métatarsiens 1 durant les 3 jours qu’a duré l’expérience.

D’après Luca F et al. Endocrinology 2001 ; 142 :430-436

1. les métatarsiens sont des os du pied

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SVT

Le sujet

› Document 3 : Comparaison de l’expression du gène Prx1 au cours du développement embryonnaire des membres antérieurs de la chauve-souris et de la souris

Par la méthode d’hybridation in situ, les chercheurs ont repéré les endroits du membre où est présent l’ARN messager du gène Prx1 à divers stades de développement chez la chauve-souris (photos de la première ligne) et la souris (photos de la deuxième ligne). Avec la technique utilisée, ces endroits sont colorés en bleu plus ou moins foncé (ici, les zones noires correspondent aux zones colorées en bleu foncé dans l’échantillon).

› Document 4 : Le gène Prx1 et l’allongement des membres Le gène Prx1 est un gène qui s’exprime au cours du développement embryonnaire au niveau du crâne, de la face et des membres de la souris. On connaît des souris mutantes affectées par une mutation des deux allèles du gène Prx1. Ces mutations ayant pour effet de rendre non fonctionnelle la protéine codée par le gène. Les souriceaux mutants meurent à la naissance à cause d’anomalies de la face et du crâne. Ils possèdent par ailleurs un raccourcissement significatif des 2 os de l’avant-bras. Tous les documents de ce sujet sont issus du site : http ://acces.ens-lyon.fr/evolution/evolution/accompagnement-pedagogique/accompagnement-au-lycee/terminale-2012/diversification-genetiquedes-etres-vivants/genes-du-developpement-et-evolution-morphologique/chauve-souris/index.html .

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Sujet 6 – Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question Le sujet porte sur l’identification des innovations génétiques à l’origine de la présence de membres antérieurs adaptés au vol chez la chauve-souris. Le sujet présente l’étude de l’expression de deux gènes de développement qui seraient impliqués dans la formation des ailes de chauve-souris lors du développement embryonnaire. Il s’agit d’abord de caractériser les particularités du membre antérieur de la chauve-souris puis de mettre en évidence les arguments montrant que les modifications de l’expression de ces gènes de développement sont à l’origine de la construction de l’aile chez la chauve-souris. Cet exercice nécessite peu de connaissances mais sa difficulté réside dans la compréhension des documents présentant les modifications de l’expression des gènes de développement étudiés. ä Mobiliser ses connaissances Des différences dans l’expression de gènes de développement peuvent être à l’origine de variations des phénotypes. ä Procéder par étapes 1e étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique Après avoir compris la problématique, cette première étape s’effectue en travaillant directement sur les documents et au brouillon. Le document 1 présente une comparaison entre le membre antérieur de la souris et celui de la chauve-souris. L’aile de chauve-souris présente la même organisation que le membre antérieur de souris mais se caractérise par un fort développement de l’avant-bras et de la main avec un allongement marqué des doigts II, III, IV et V. Le document 2 présente les résultats d’une étude de l’effet de la protéine Bmp2 sur la croissance des os du pied. En concentration suffisamment élevée, la protéine Bmp2 stimule in vitro la croissance des os du pied. Le document 3 présente les résultats de l’hybridation in situ de l’ARNm du gène de développement Prx1 chez différents stades embryonnaires de souris et de chauve-souris. On observe qu’à partir du 3e stade embryonnaire, l’expression du Prx1 est plus forte au niveau de la main de l’embryon de chauve-souris alors qu’elle reste localisée au niveau du bras chez l’embryon de souris. Enfin, le document 4 informe que des souriceaux présentant une perte totale de fonction du gène Prx1 possèdent les deux os de l’avant-bras fortement raccourcis. 2e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents et les connaissances Il s’agit de construire une démarche structurée détaillant les particularités du membre antérieur de chauve-souris puis présentant les résultats de l’étude des deux gènes de développement. Le tableau suivant propose un exemple de démarche élaborée au brouillon. 51

Le sujet Pas

SVT

à pas

Parties du problème Introduction : quels sont les arguments montrant que l’apparition de l’aile chez les chiroptères est la conséquence de modifications de l’expression de certains gènes du développement ? Caractéristiques du membre antérieur de la chauve-souris

Éléments issus des documents

Document 1 : chez la chauve-souris : fort développement de l’avant-bras et de la main avec allongement marqué des doigts II, III, IV et V. Document 2 : la protéine Bmp2 stimule la croissance in vitro des métatarsiens. Document 3 : des souriceaux homozygotes pour un allèle non fonctionnel du gène Prx1 présentent un raccourcissement de l’avant-bras. Document 4 : localisation de l’ARNm du gène Prx1 : au cours du développement embryonnaire, l’ARNm du gène Prx1 est davantage présent au niveau de la main de l’embryon de chauve-souris comparé à un embryon de souris.

Étude de l’expression du gène Bmp2 Étude de l’expression du gène Prx1

Conclusion

3e étape : rédiger la réponse sur la copie La réponse doit contenir une introduction présentant la problématique, puis il s’agit de traiter le sujet sous forme d’un texte structuré en différents paragraphes. Lors de l’analyse des documents, vous devez présenter les informations issues de ces documents en indiquant leur origine, en mettant par exemple les numéros des documents entre parenthèses. L’important est que l’étude des documents soit rigoureuse et que vous parveniez à une réponse suffisamment argumentée. Votre devoir se terminera par une conclusion résumant votre réponse à la problématique.

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Sujet 6 – Le corrigé

Les chiroptères, groupe auquel appartiennent les chauves-souris, présentent des membres antérieurs sous forme d’ailes, spécialisées dans le vol. On s’intéresse aux innovations génétiques expliquant l’acquisition de ce caractère particulier. Quels sont les arguments montrant que l’apparition de l’aile chez les chiroptères est la conséquence de modifications de l’expression de certains gènes de développement ? Après avoir décrit les caractéristiques du membre antérieur de chauvesouris, nous étudierons les modalités de l’expression de deux gènes, les gènes Prx1 et Bmp2 de la chauve-souris. La comparaison de l’organisation des membres antérieurs d’une souris et d’une chauve-souris montre une organisation similaire (document 1). Le membre antérieur de ces deux espèces est organisé en trois parties : bras, avant-bras et main, munie de cinq doigts. Mais les membres antérieurs de souris et de chauve-souris diffèrent par la taille relative des trois segments. En particulier, la chauve-souris présente un avant-bras plus long et surtout une main très allongée par rapport à ceux de la souris. Ainsi, les doigts II, et surtout III, IV et V de chauve-souris sont très allongés par rapport à ceux de la souris, permettant ainsi le déploiement de l’aile chez la chauve-souris. Quelle est l’origine de ces différences de la taille de l’avant-bras et de la main de chauve-souris, comparé à la souris ? Le gène de développement Bmp2 intervient dans l’ossification et s’exprime dans le bourgeon des membres (document 2). Pour déterminer si le gène Bmp2 participe à la croissance des os de la main ou des pieds, on étude l’effet in vitro de concentrations croissantes de la protéine Bmp2 sur la croissance des métatarsiens (ou os du pied) de fœtus de rat. Une concentration en protéine Bmp2 supérieure ou égal à 100 ng/mL stimule la croissance sur trois jours des métatarsiens. L’expression du gène Bmp2 favoriserait donc la croissance des os des membres. On s’intéresse maintenant au gène de développement Prx1. Des embryons homozygotes pour un allèle muté du gène Prx1 codant une protéine non fonctionnelle ne sont pas viables à la naissance et présentent plusieurs anomalies de développement, dont un raccourcissement des deux os constituant l’avant-bras (document 4). La perte de fonction du gène Prx1 entraîne donc un avant-bras raccourci chez des souris. On peut donc émettre l’hypothèse que le gène Prx1 interviendrait dans la croissance de l’avant-bras chez la souris. On cherche alors à confirmer cette hypothèse chez la chauve-souris et à comparer l’expression du gène Prx1 dans les ébauches de membres antérieurs d’embryons de souris et de chauve-souris. La méthode d’hybridation in situ permet de localiser spécifiquement l’ARNm du gène Prx1 et d’évaluer sa concentration (document 3). Pour les deux premiers stades embryonnaires de souris et de chauve-souris, la morphologie des ébauches des membres antérieurs de souris et de chauve-souris sont identiques et présentent la même localisation et la même concentration en ARNm de Prx1. Mais, aux 3e et 4e stades embryonnaires, l’ARNm de Prx1 est localisé de manière importante dans la main de l’embryon de chauve-souris tandis que chez l’embryon de souris, l’ARNm de Prx1 reste localisé au niveau du bras et en quantité plus faible (document 3). De plus, le 4e stade embryonnaire de chauve-souris présente une main déjà beaucoup plus développée que celle de l’embryon de souris au même stade. Ainsi, l’étude par hybridation in situ montre que le gène Prx1 s’exprime de manière plus étendue et plus forte au niveau de la future main de l’embryon de chauve-souris, contribuant au développement accru de ce segment et donc à la formation de l’aile. 53

SVT

Le corrigé

Ainsi, les chiroptères comme la chauve-souris présentent un membre antérieur modifié par rapport à celui d’autres mammifères comme les souris. L’aile des chauves-souris est caractérisée par une croissance accrue de l’avant-bras et de la main lors du développement embryonnaire. Nous avons pu mettre en évidence que cette différence de croissance résulte de différences dans l’intensité et la localisation de l’expression génétique de certains gènes de développement : l’expression des gènes Bmp2 et Prx1 stimulerait particulièrement la croissance des os de l’avant-bras et la main chez les embryons de chauve-souris. Il reste alors à identifier si d’autres gènes de développement interviennent et à déterminer l’origine des modifications d’expression de gènes Bmp2 et Prx1 ainsi mises en évidence. Cet exemple montre que la diversité génétique peut entraîner une diversification du vivant.

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Sujet 7, Amérique du Nord, mai 2013

Partie 2, exercice 2 : La morphologie des roses Depuis les domestications des roses autour de la Méditerranée et en Chine il y a 5 000 ans, l’Homme a créé plus de 16 000 variétés de roses qui diffèrent entre elles et de leurs ancêtres sauvages notamment par leur nombre de pétales. À partir de l’exploitation des documents et de l’utilisation des connaissances, montrer que les différences de morphologie florale entre les roses résultent de différences d’expression des gènes de développement. › Document 1 : morphologie florale Document 1a : aspect des fleurs

D’après Wikipedia commons (Rosa gallica), Dubois A. et al. (2010) Tinkering with the C-Function : A Molecular Frame for the Selection of Double Flowers in Cultivated Roses. PLoS ONE (« Variété cultivée 1» et « Variété cultivée 2 »)

55

SVT

Le sujet

Document 1b : nombre d’organes floraux Les histogrammes représentent les moyennes obtenues à partir de 5 fleurs. Les barres noires représentent les intervalles de confiance.

D’après Dubois A. et al. (2010) Tinkering with the C-Function A Molecular Frame for the Selection of Double Flowers in Cultivated Roses PLoS ONE 5(2) : e9288 › Document 2 : expression des gènes de développement floral et production des pièces florales L’organisation florale est contrôlée par des gènes de développement répartis en 3 classes (A, B et C).

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Sujet 7 – Le sujet

L’expression des gènes de classe A seuls aboutit au développement des sépales. L’expression simultanée des gènes de classe A et B aboutit au développement des pétales. L’expression simultanée des gènes de classe B et C aboutit au développement des étamines. L’expression de gènes de classe C seuls aboutit au développement des carpelles. Les gènes de classe A et C s’excluent mutuellement : par exemple, si la zone d’expression des gènes de classe C est réduite, alors celle des gènes de classe A s’élargit. D’après Le modèle ABC par Stéphanie Breuil http ://acces.ens-lyon.fr .

› Document 3 : expression du gène de développement floral de classe C On réalise des coupes de bourgeons de fleurs de Rosa gallica, « Variété cultivée 1 » et « Variété cultivée 2 », à un stade où les gènes de développement floral s’expriment. Par une technique adaptée, on colore en foncé les zones où s’exprime le gène de développement de classe C (le gène de développement de classe A s’exprime donc dans la zone en clair). Observation au microscope photonique

D’après Dubois A. et al. (2010) Tinkering with the C-Function : A Molecular Frame for the Selection of Double Flowers in Cultivated Roses PLoS ONE 5(2). e928S. doi :10.1371/journaipone.0009288

57

SVT

Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question Le sujet porte sur la mise en place de la morphologie florale chez la rose. L’objectif du sujet est de comparer la morphologie de la fleur de deux variétés de roses et d’expliquer l’origine génétique des différences observées entre ces deux types de fleurs. Cet exercice nécessite peu de connaissances mais demande que le document présentant la localisation de l’expression des gènes (document 3) soit bien compris et correctement interprété à l’aide du document expliquant le contrôle génétique de l’organisation florale (document 2). ä Mobiliser ses connaissances Les fleurs sont formées de pièces florales disposées en cercles concentriques. Soit de l’extérieur vers l’intérieur : les sépales, les pétales, les étamines et le pistil. Lors de la formation de la fleur, la mise en place des différentes pièces florales est sous le contrôle de gènes de développement. ä Procéder par étapes 1re étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique Après avoir compris la problématique, il s’agit d’extraire les informations contenues dans les documents permettant de construire votre réponse. Ce travail s’effectue sur les documents avec un surligneur et au brouillon. Le document 1a présente l’aspect des fleurs d’une espèce sauvage de rose, Rosa gallica, et de variétés cultivées 1 et 2. Le document 1b précise le nombre de chaque pièce florale des fleurs des variétés 1 et 2. La variété cultivée 2 présente plus de pétales et plus de carpelles, mais moins d’étamines que la variété cultivée 1. Le document 2 précise le rôle des gènes de développement floral des différentes classes A, B et C en fonction de la localisation de leur expression dans la fleur. Le document 3 présente la localisation de l’expression de gènes de développement floral de classe A et de classe C au niveau de coupes de bourgeons floraux des variétés cultivées 1 et 2 et de Rosa gallica. Le document 3 montre également les variations de morphologie du bourgeon floral et indique que chez la variété cultivée 2, le territoire d’expression des gènes de développement de classe C est plus réduit que chez la variété cultivée 1 et que chez Rosa gallica. 2e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents Il s’agit de construire une démarche structurée présentant les différences de morphologie florale des différentes variétés de roses, puis à partir de la localisation de l’expression de certains gènes impliqués dans le développement floral, d’expliquer le contrôle génétique de l’organisation des fleurs étudiées.

58

Sujet 7 – Le sujet Pas

à pas

Notez que le document 2 n’est pas à analyser pour lui-même mais doit être utilisé pour interpréter les résultats présentés par le document 3. Le tableau suivant propose un exemple de démarche élaborée au brouillon. Parties du problème Introduction : comment montrer que les différences de morphologie florale entre les variétés de roses étudiées résultent d’une différence dans l’expression des gènes de développement ? Quelles sont les différences dans la morphologie florale des variétés de roses étudiées ?

Éléments issus des documents

Documents 1a et 1b : Rosa gallica et la variété cultivée 1 présentent un faible nombre de pétales alors que la variété cultivée 2 possède de très nombreuses pétales. La variété cultivée 1 présente plus de carpelles et moins d’étamines que la variété cultivée 2. Documents 2 et 3 : Etude de la localisation des gènes de développement floral A et C dans les coupes de bourgeons floraux : – Rosa gallica et variété cultivée 1 : les gènes de développement de classe C s’expriment sur un territoire étendu, au niveau des futurs carpelles et étamines tandis que les gènes de développement de classe A s’expriment dans les futurs sépales et pétales. – Variété cultivée 2 : l’expression des gènes de classe C présente une localisation réduite par rapport aux deux autres variétés. Les futures étamines (résultant de l’expression conjointe des gènes de classe B et C) sont peu nombreuses et les futurs pétales (résultant de l’expression conjointe des gènes de classe A et B) sont plus nombreux.

Comment expliquer les différences dans la morphologie florale des variétés de roses étudiées ?

Conclusion

3e étape : rédiger la réponse sur la copie La réponse doit contenir une introduction présentant la problématique, puis il s’agit de traiter le sujet sous forme d’un texte structuré en différents paragraphes. Lors de l’analyse des documents, vous devez présenter les informations issues de ces documents en indiquant leur origine, en mettant par exemple leurs numéros entre parenthèses. L’important est que les différentes étapes de la démarche soient bien visibles et que l’analyse des documents soit rigoureuse. Enfin, vous terminerez votre devoir par une conclusion résumant votre réponse à la problématique.

59

SVT

Le corrigé

Les roses cultivées présentent un grand nombre de variétés différentes et résultent d’une domestication par l’homme depuis 5 ans. Ces variétés diffèrent par certaines caractéristiques dont la morphologie florale. Ainsi, quelques variétés présentent un nombre élevé de pétales, à la différence d’une espèce sauvage proche de l’espèce ancestrale, Rosa gallica . Comment montrer que les différences de morphologie florale entre les variétés de roses étudiées résultent d’une différence dans l’expression des gènes de développement ? Nous caractériserons d’abord les différences de morphologie florale entre deux variétés de roses puis nous étudierons l’influence de l’expression de certains gènes de développement floral dans le contrôle du nombre de pétales. Rosa gallica, espèce sauvage proche de l’espèce ancestrale des roses cultivées, et la variété cultivée 1 présentent un nombre réduit de pétales, environ une dizaine (documents 1a et 1b). La variété cultivée 2 possède un nombre élevé de pétales, environ 120 (documents 1 et 2). Les variétés cultivées 1 et 2 présentent d’autres différences dans leur morphologie florale : la variété cultivée 2 présente moins d’étamines que la variété cultivée 1 (70 étamines environ pour la variété 2 contre 140 environ pour la variété 1). De plus, la variété cultivée 2 présente davantage de carpelles que la variété cultivée 1 (80 étamines environ pour la variété 2 contre 50 environ pour la variété 1). Comment expliquer les différences dans la morphologie florale des variétés cultivées 1 et 2 et de Rosa gallica ? On étudie la localisation de l’expression de gènes de développement floral de classe A et de classe C au niveau de coupes de bourgeons floraux des variétés cultivées 1 et 2 et de Rosa gallica. En effet, l’organisation florale est contrôlée par des gènes de développement répartis en trois classes (A, B et C). Chaque gène s’exprime sur un territoire précis du bourgeon floral. L’identité des classes de gènes s’exprimant sur un territoire donné détermine alors l’évolution de ce territoire en un type de pièce florale (document 2). Chez la variété cultivée 1 et chez Rosa gallica, les ébauches florales les plus internes et celles situées immédiatement après présentent une coloration foncée, traduisant l’expression des gènes de développement floral de classe C (document 3). L’ébauche florale la plus interne, lieu de la seule expression des gènes de classe C, correspond aux futurs carpelles. L’ébauche florale suivante, lieu de l’expression des gènes de classes B et C, correspond aux futures étamines (document 2). Puis, l’ébauche florale suivante présente une coloration claire, traduisant l’absence d’expression des gènes de classe C et donc l’expression des gènes de classe A car les gènes de ces deux classes s’excluent mutuellement (document 3). L’expression de gènes de classe A associée à celle des gènes de classe B est responsable alors de la formation des pétales sur cette dernière ébauche. Chez la variété cultivée 2, le territoire d’expression des gènes de classe C est grandement réduit par rapport à la variété cultivée 1 et à Rosa gallica. En effet, ces gènes de classe C ne s’expriment qu’au niveau de la partie la plus interne du bourgeon floral. Ce territoire correspond aux futurs carpelles par la seule expression des gènes de classe C et aux futures étamines par l’expression conjointe des gènes de classe B et C. Mais les territoires correspondant aux futures étamines sont beaucoup plus réduits chez la variété cultivée 2 que chez la variété cultivée 1 (document 3). Ainsi la fleur de la variété cultivée 2 aura moins d’étamines que la fleur de la variété cultivée 1. Si le territoire d’expression des gènes de développement floral de classe C est réduit, cela signifie que le territoire d’expression des gènes de développement floral de classe A est augmenté par l’exclusion 60

Sujet 7 – Le corrigé

mutuelle des gènes de classes A et C. En effet, la variété cultivée 2 présente des territoires dédiés aux futures pétales plus grands que chez la variété cultivée 1 (document 3). Ainsi les futurs pétales, résultant de l’expression conjointe des gènes de classe A et B seront plus nombreux chez la variété cultivée 2 que chez la variété cultivée 1. Ainsi, les variétés cultivées 1 et 2 diffèrent par leur organisation florale, notamment par leur nombre de pétales. Nous avons mis en évidence que cette différence de morphologie florale provient de différences dans la localisation de l’expression de gènes de différentes classes impliqués dans le développement floral.

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Sujet 8, Liban, mai 2013

Partie 2, exercice 2 : Le diable de Tasmanie

Le gouvernement australien, écoutant les conseils des scientifiques, a décidé de créer une réserve pour y faire vivre 200 diables de Tasmanie (Sarcophilus harrisit) au Nord de Sydney. À partir de l’étude du dossier et de l’utilisation des connaissances : – expliquer le mécanisme à l’origine de l’évolution de la population de diables de Tasmanie ; – indiquer les objectifs de la création d’une réserve pour les diables de Tasmanie, au Nord de Sydney (en Australie).

› Document 1 : les diables, des animaux présents uniquement en Tasmanie Les diables ont disparu d’Australie depuis 400 ans. Protégés depuis 1941, ils ne vivent plus que sur une île située au Sud de l’Australie : la Tasmanie. Les scientifiques estimaient avant 1996, que l’effectif moyen de l’espèce avoisinait environ 50 000 individus.

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Sujet 8 – Le sujet

D’après McCallum, H et al., 2007 : EcoHeath 4,318-32 › Document 2 : le cancer de la face, une maladie inquiétante Document 2a : évolution de la population de diables entre 1985 et 2005 À partir de 1996, les scientifiques ont observé une augmentation des décès de diables liés à un cancer de la face. Les chercheurs pensent que la cause de celui-ci est un virus que les diables se transmettent lors de bagarres pour la nourriture. Apparu sur le site du parc national du Mont William (voir document 1), cette maladie s’est progressivement propagée à l’ensemble des populations de l’île. Ce virus est totalement inconnu en Australie.

D’après McCallum, H et al. 2007 : EcoHeath 4,318-32 UA : Unité arbitraire 63

SVT

Le sujet

Document 2b : modélisation des effectifs de diables de Tasmanie En 2007, les chercheurs ont modélisé l’évolution des effectifs de diables de Tasmanie dans la réserve de la péninsule de Freycinet (région est de la Tasmanie).

D’après McCallum, H et al. 2007 : EcoHeath 4,318-32 UA : Unité arbitraire Ce modèle, appliqué à l’ensemble des régions de la Tasmanie, donne exactement le même résultat, mais à l’horizon 2017. › Document 3 : des cellules contaminées non détruites par le système immunitaire Les chercheurs ont constaté que les cellules contaminées par le virus n’étaient pas détruites par le système immunitaire. Ils ont essayé d’en comprendre la cause. Pour cela, ils ont étudié la diversité allélique d’un gène codant une protéine jouant un rôle dans la destruction des cellules contaminées par des virus. Une grande diversité des allèles de ce gène permet, chez les mammifères, d’avoir dans une population une grande diversité d’individus, certains sont capables de détruire des cellules contaminées par un virus et d’autres non. Document 3a : diversité génétique chez l’Homme, le Lion asiatique et le Diable de Tasmanie Les chercheurs ont estimé la diversité de ce gène commun à l’Homme, au Lion asiatique et au Diable de Tasmanie. Pour cela, ils ont comparé le nombre de mutations dans la séquence codée par ce gène.

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Sujet 8 – Le sujet

Comparaison chez les trois espèces du nombre de mutations dans une portion de ce gène

D’après Siddle, H ét al, 2007 : www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.0704580104 Remarque : L’étude du nombre de mutations sur un gène donné permet d’avoir une idée de sa diversité allélique au sein d’une espèce. Ainsi, plus le nombre de mutations est important et plus la diversité allélique du gène l’est également. Document 3b : information sur la mise au point d’un vaccin contre le virus serait une solution possible Les immunologistes préparent un vaccin pour lutter contre le virus chez le diable de Tasmanie. Cependant, ils sont soumis à une contrainte : la mise au point d’un vaccin nécessite plusieurs années de recherche et ne sera pas utilisable avant 2020.

65

SVT

Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question Le sujet porte sur l’explication du mécanisme de l’évolution de la population des diables de Tasmanie dans l’île du même nom, située au large de l’Australie. Puis, l’énoncé demande de présenter les objectifs de la création d’une réserve australienne pour les diables de Tasmanie. La réponse attendue est l’exploitation structurée des documents, mise en relation avec les connaissances. Cet exercice nécessite une bonne compréhension des mécanismes évolutifs, notamment sur la dérive génétique, et une bonne mise en relation des différentes informations apportées par les documents. ä Mobiliser ses connaissances La dérive génétique est la variation au hasard de la fréquence des allèles d’un gène dans une population. La dérive génétique peut entraîner la disparition de certains allèles contribuant à la réduction de la diversité génétique d’une population. La dérive génétique est d’autant plus forte que la taille de la population est réduite. ä Procéder par étapes 1re étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique Après avoir identifié les deux parties attendues dans la réponse, la première étape du travail s’effectue sur les documents, avec un surligneur pour sélectionner les informations intéressantes et au brouillon. Le document 1 précise les caractéristiques de l’espèce du diable de Tasmanie. Les effectifs de cette espèce s’élevaient à environ 50 individus en 1996. Le document 2a détaille l’évolution récente de la population du diable de Tasmanie : toutes les populations de l’île sont en déclin depuis 1996 à cause de cancers de la face d’origine virale entraînant de nombreux décès. Le virus se transmet entre les individus lors des bagarres pour la nourriture. Le document 2b présente les résultats des modélisations de l’évolution de l’effectif des différentes populations de diables de Tasmanie. Ces modélisations prédisent la disparition du diable de l’est de la Tasmanie en 2011 et la disparition définitive de l’espèce en 2017. Le document 3a présente les résultats de l’estimation de la diversité allélique d’un gène codant une protéine impliquée dans l’élimination des cellules infectées par des virus chez le diable de Tasmanie, le lion asiatique et l’homme. Ces résultats montrent que le diable de Tasmanie présente une faible diversité allélique pour ce gène, comparée aux autres espèces. Enfin, le document 3b informe qu’un vaccin contre le virus sévissant actuellement chez le diable de Tasmanie pourrait être prêt à partir de 2020.

66

Sujet 8 – Le sujet Pas

à pas

2e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents et des connaissances Il s’agit de construire une démarche structurée pour décrire l’évolution du diable de Tasmanie, puis expliquer l’origine de cette évolution en utilisant les informations issues des documents et votre connaissance des mécanismes évolutifs. Puis, la dernière partie de la réponse, plus courte, expliquera les objectifs de la création d’une réserve de diables de Tasmanie en Australie. Le tableau suivant présente un exemple de démarche élaborée au brouillon. Parties du problème Introduction : quel mécanisme explique l’évolution de la population des diables de Tasmanie et quels sont les objectifs de la création d’une réserve australienne pour les diables de Tasmanie ? Quelle évolution présente actuellement la population des diables de Tasmanie ?

Quel mécanisme évolutif explique le déclin important et brutal de la population des diables de Tasmanie ?

Quels sont les objectifs de la création d’une réserve australienne pour les diables de Tasmanie ?

Éléments issus des documents

Document 1 : en 1996, population de 50 000 diables dans l’île de Tasmanie. Document 2 : forte mortalité des diables depuis 1996 par cancer de la face, d’origine virale et transmis entre les individus. Document 3 : disparition prévue du diable de Tasmanie en 2017. Document 3a : faible diversité allélique du diable de Tasmanie pour un gène codant une protéine importante dans la destruction des cellules infectées par des virus. Document 1 : isolement géographique des diables de Tasmanie. Document 2b : extinction prévue de l’espèce du diable de Tasmanie en 2017. Document 3b : utilisation possible d’un vaccin contre le cancer de la face à partir de 2020.

Conclusion

67

Éléments issus des connaissances

Dérive génétique. Isolement génétique des diables de Tasmanie. Faible taille de la population accélérant la dérive génétique.

SVT

Le sujet Pas

à pas

3e étape : rédiger la réponse sur la copie La réponse doit contenir une introduction présentant la problématique, puis il s’agit de traiter le sujet sous forme d’un texte structuré en différents paragraphes. Lors de l’analyse des documents, vous devez présenter les informations issues de ces documents en indiquant leur origine, en mettant par exemple les références entre parenthèses. L’important est que l’étude des documents soit précise et que les mécanismes évolutifs soient clairement expliqués.

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Sujet 8 – Le corrigé

Le diable de Tasmanie est un mammifère qui ne vit plus actuellement que sur l’île de Tasmanie, située au sud-est de l’Australie. Le gouvernement australien a récemment décidé la création d’une réserve australienne de 200 diables de Tasmanie car cette espèce est aujourd’hui menacée. Quel mécanisme explique l’évolution de la population des diables de Tasmanie et quels sont les objectifs de la création d’une réserve australienne pour les diables de Tasmanie ? Les diables de Tasmanie forment une espèce protégée, qui comptait environ 50 000 individus en 1996, occupant toute l’île de Tasmanie sauf la partie sud-ouest (document 1). De 1985 à 1995, l’effectif de cette population était en augmentation, mais à partir de 1996, la taille des différentes populations de diables de Tasmanie a diminué. Par exemple, l’effectif de la population des diables de l’est de la Tasmanie est divisé par 7 entre 1995 et 2005 (document 2a). Cette mortalité accrue des diables est due au développement d’un cancer de la face, d’origine virale, et transmis entre les animaux lors des bagarres pour la nourriture. Apparue d’abord au nord-est de l’île, la maladie s’est propagée dans l’ensemble des populations des diables de l’île. La modélisation des effectifs des diables de Tasmanie est alarmante : la population des diables disparaîtrait de la région est de la Tasmanie vers 2011 et toute la population de diables de Tasmanie serait éteinte en 2017 (document 2b). Comment expliquer ce déclin si rapide et si important des populations de diables de Tasmanie ? Chez le diable de Tasmanie, la question se pose de savoir pourquoi les cellules infectées par le virus responsable du cancer de la face ne sont pas détruites par le système immunitaire. Une étude de la diversité allélique d’un gène codant une protéine impliquée dans la destruction des cellules infectées par des virus est effectuée pour répondre à cette question (document 3a). Le nombre de mutations présentées par ce gène pour différentes positions de triplets de nucléotides est estimé chez le diable de Tasmanie et chez deux autres espèces, le lion asiatique et l’homme. Les résultats montrent que le diable de Tasmanie présente pour tous les triplets étudiés, un nombre de mutations toujours inférieur à celui du lion asiatique et de l’homme. On peut donc en conclure que le diable de Tasmanie se caractérise par une faible diversité allélique pour le gène étudié. On peut alors supposer que la faible diversité allélique du diable de Tasmanie explique l’absence d’animaux capables de résister au virus. Ainsi, de par sa faible diversité allélique, les diables de Tasmanie sont tous sensibles au virus responsable du cancer de la face. Mais comment expliquer la faible diversité allélique du diable de Tasmanie ? Dans la population des diables de Tasmanie, la variation de la fréquence des allèles de certains gènes a pu évoluer de manière aléatoire par dérive génétique. La dérive génétique peut entraîner la disparition de certains allèles, contribuant à la réduction de la diversité allélique. De plus, l’espèce du diable de Tasmanie n’existe plus que sur l’île de Tasmanie depuis 1941 (document 1). Cette population est donc isolée génétiquement et sa diversité allélique n’a pas pu augmenter par reproduction sexuée avec des individus d’autres populations de diables. Enfin, l’effet de la dérive génétique est d’autant plus marquée que la population est petite : la réduction de la taille des populations de diables depuis 1996 a donc pu accélérer cette dérive génétique. Quels sont alors les objectifs de la création d’une réserve australienne pour les diables de Tasmanie ?

69

SVT

Le corrigé

Les modélisations prévoient la disparition de l’espèce du diable de Tasmanie en 2017 (document 2b), alors qu’un vaccin en cours de mise au point ne serait disponible qu’à partir de 2020 (document 3b). Il est donc urgent de sauvegarder une population saine de diables de Tasmanie jusqu’en 2020. Cette réserve doit être installée dans un endroit ne présentant pas de risque de contamination par le virus du cancer de la face, comme en Australie. À partir de 2020, les diables de Tasmanie pourront être vaccinés contre le virus responsable du cancer de la face. Il faut alors espérer que cette population de diables vaccinés et réintroduits en Tasmanie permettra une augmentation des effectifs de l’espèce, actuellement très menacée.

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Sujet 9, Asie, juin 2013

Partie 2, exercice 2 : Influence de l’alimentation de la femme enceinte sur l’obésité adulte du futur enfant L’alimentation d’une femme avant et pendant sa grossesse a-t-elle des conséquences sur le risque pour sa descendance de développer une maladie à l’âge adulte ? Les indices s’accumulent ... Plusieurs études montrent en effet que, à côté de la mauvaise alimentation, de la sédentarité et de gènes de susceptibilité transmis par les parents, l’environnement de la vie fœtale, et notamment l’alimentation maternelle pendant la grossesse, voire avant celle-ci, jouent un rôle dans l’apparition du diabète de type 2 à l’âge adulte. Extrait de l’article de La Recherche n° 463, Avril 2012.

La souris peut être considérée comme un modèle pertinent pour étudier ces phénomènes chez l’être humain. À partir des résultats de l’étude sur l’expression du gène Agouti chez la souris, expliquez comment l’alimentation d’une femme enceinte pourrait modifier l’expression des gènes impliqués dans l’apparition de l’obésité chez l’adulte. › Document 1 : Le gène Agouti Le gène Agouti intervient dans la synthèse de diverses protéines impliquées dans : – la couleur du pelage ; – la stimulation du système nerveux central au niveau de la zone impliquée dans la prise alimentaire ; – le métabolisme des triglycérides (graisse). Concernant la couleur du pelage, le gène Agouti intervient dans le dépôt d’un pigment jaune dans les poils de la souris au cours de son développement embryonnaire. II existe plusieurs allèles de ce gène Agouti, qui conduisent à des couleurs de pelage différentes, en modifiant le niveau de synthèse et le type de pigment de la fourrure. Parmi eux, on distingue : – l’allèle a (nonagouti) qui est défectueux en raison d’une mutation qui a provoqué une perte de fonction ; les homozygotes (a/a) sont de couleur noire ; – l’allèle Avy (agouti viable yellow) qui a subi l’insertion d’un fragment d’ADN dans la région qui contrôle son niveau d’expression. S’il s’exprime fortement, la souris est jaune. S’il ne s’exprime pas, la souris est noire. Si son niveau d’expression varie entre ces deux états, le pelage est tacheté à différents degrés.

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SVT

Le sujet

Ainsi, les hétérozygotes (Avy /a) présentent des différences de pelage :

Pour ces raisons, le gène Agouti a été utilisé chez la souris pour étudier l’effet du régime alimentaire sur le taux d’expression de l’allèle Avy . › Document 2 : Relation entre l’alimentation et l’expression génique Document 2a : Effet de l’alimentation sur l’expression du gène Agouti En 1998, Craig Cooney et son équipe (Arkansas, Etats-Unis) réalisent une expérience sur deux lots de souris gestantes : – un lot dont la nourriture est supplémentée, c’est-à-dire qu’on y ajoute des molécules capables de donner un groupement méthyle (CH3) à d’autres molécules comme par exemple l’ADN. – un lot dont la nourriture n’est pas supplémentée. Les descendants de ces femelles sont tous de génotype (Avy /a).

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Sujet 9 – Le sujet

Document 2b : Pourcentage moyen de méthylation dans différents tissus pour différents phénotypes

D’après Robert A. Waterland and Randy L. Jirtle, Transposable Elements : Targets for Early Nutritional Effects on Epigenetic Gene Regulation. Les mesures sont réalisées sur des tissus extraits de souris de même génotype (Avy /a) âgées de 150 jours. › Document 3 : Évolution de la prise de poids moyenne, sur 60 semaines des descendants hétérozygotes (Avy /a) pour les phénotypes Yellow et Pseudo-agouti

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SVT

Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question Le sujet porte sur l’influence de l’alimentation de la femme enceinte sur l’expression des gènes impliqués dans l’apparition de l’obésité adulte de son futur enfant. Le sujet présente l’étude de l’expression d’un gène impliqué dans l’obésité chez la souris considérée comme un organisme modèle pertinent pour l’étude de ces mécanismes chez l’homme. Il s’agit donc tout d’abord de présenter le principe et les résultats de l’étude menée chez la souris puis de proposer une extrapolation à l’espèce humaine. Cet exercice ne nécessite pas de connaissances mais sa difficulté réside dans la compréhension du système d’étude utilisé chez la souris et dans la mise en relation des différents résultats de cette étude. ä Mobiliser ses connaissances Des variations de l’intensité de l’expression des gènes intervenant lors du développement embryonnaire peuvent entraîner des phénotypes variés. ä Procéder par étapes 1re étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique Après avoir identifié la problématique, il s’agit de comprendre le système d’étude utilisé chez la souris, l’expérience menée et d’identifier les résultats en travaillant directement sur les documents et au brouillon. Le document 1 apporte plusieurs informations sur le gène Agouti étudié chez la souris. Le gène Agouti intervient dans la synthèse de différentes protéines impliquées dans la couleur du pelage, le contrôle de la prise alimentaire et le métabolisme des lipides. Le gène Agouti présente deux allèles intéressants : a et Avy , Chez les hétérozygotes (Avy /a), la couleur du pelage reflète directement le niveau d’expression de l’allèle Avy : la forte expression de l’allèle Avy confère un pelage jaune tandis que son absence d’expression confère un pelage noir. Entre ces deux extrêmes, plus l’expression de l’allèle Avy est forte, moins le pelage présentera de taches noires et sera donc jaune. Le document 2a présente les résultats d’une étude des conséquences du régime alimentaire de souris gestantes sur la couleur du pelage de leurs descendants. Tous les descendants sont hétérozygotes pour le gène Agouti (Avy /a). Un premier lot de souris femelles gestantes reçoit une alimentation supplémentée en molécules méthylées (-CH3 ). Les descendants de ces femelles sont représentés de manière à peu près équivalente dans les quatre catégories suivantes : souris à pelage légèrement tacheté, tacheté, très tacheté et noir. Le second lot de femelles gestantes ne reçoit pas cette supplémentation et leurs descendants présentent majoritairement un pelage faiblement tacheté. Puis, le document 2b montre une forte corrélation entre le pourcentage moyen de méthylation de différents tissus chez les souris souris hétérozygotes (Avy /a) et la couleur foncée de leur pelage. Enfin, le document 3 présente l’évolution de prise de poids moyenne sur 60 semaines de souris hétérozygotes (Avy /a). Les souris à pelage jaune présentent une prise de poids nettement supérieure aux souris à pelage noir.

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Sujet 9 – Le sujet Pas

à pas

2e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents et les connaissances Il s’agit de construire une démarche structurée présentant l’expérience menée chez les souris gestantes, ses résultats puis sa conclusion. Vous pourrez ensuite répondre à la problématique du sujet en extrapolant les résultats obtenus chez la femme enceinte. Le tableau suivant présente un exemple de démarche élaborée au brouillon. Parties du problème Introduction : comment l’alimentation de la femme enceinte pourrait-elle modifier l’expression des gènes impliqués dans l’apparition de l’obésité adulte de son futur enfant ? Présentation du modèle étudié

Éléments issus des documents

Document 1 : le gène Agouti chez la souris, intervient dans la couleur du pelage, la prise alimentaire et le métabolisme des lipides. Chez les hétérozygotes (Avy /a), la couleur du pelage reflète directement le niveau d’expression de l’allèle Avy : moins l’allèle Avy s’exprime, plus le pelage est foncé. Document 3 : corrélation entre la prise de poids des hétérozygotes (Avy/a) et la couleur du pelage : plus le pelage est foncé, plus la prise de poids est faible. La couleur du pelage à la naissance est donc un indicateur de la prise de poids future. Document 2a et 2b : Les descendants des femelles supplémentées en groupements méthyles sont légèrement tachetés à noirs et présentent globalement un taux moyen à fort de méthylation dans leurs tissus. Les descendants des femelles non supplémentées sont majoritairement légèrement tachetés et présentent un taux faible de méthylation dans leurs tissus. La nourriture des souris gestantes influence l’expression des gènes impliqués dans l’obésité adulte de leurs descendants. On peut extrapoler ce résultat chez la femme enceinte, mais avec prudence.

Présentation de l’expérience et de ses résultats chez la souris

Conclusion de l’expérience et réponse à la problématique

Conclusion

3e étape : rédiger la réponse sur la copie La réponse doit contenir une introduction présentant la problématique, puis il s’agit de traiter le sujet sous forme d’un texte structuré en différents paragraphes. Lors de l’analyse des documents, vous devez présenter les informations issues de ces documents en indiquant leur origine, en mettant par exemple leurs numéros entre parenthèses. L’important est que les notions essentielles de l’étude soient bien mises en évidence et que le raisonnement soit clair. Votre devoir terminera par une conclusion résumant votre réponse à la problématique. 75

SVT

Le corrigé

On cherche à déterminer chez la femme enceinte l’influence de son alimentation sur le phénotype de son futur enfant, en particulier sur l’apparition d’une obésité à l’âge adulte. Comment l’alimentation de la femme enceinte pourrait-elle modifier l’expression des gènes impliqués dans l’apparition de l’obésité adulte de son futur enfant ? Pour répondre à cette problématique, nous allons présenter les résultats d’une étude menée chez la souris, que l’on peut considérer comme un modèle pertinent d’étude de ces mécanismes chez l’homme. Chez la souris, le gène Agouti intervient dans la synthèse de différentes protéines impliquées dans la couleur du pelage, le contrôle de la prise alimentaire et le métabolisme des lipides (document 1). On s’intéresse à la couleur du pelage contrôlée par le gène Agouti lors du développement embryonnaire. Le gène Agouti présente un allèle a, allèle défectueux correspondant à une perte de fonction et les individus homozygotes (a/a) ont un pelage noir. Le gène Agouti possède un second allèle Avy , ayant subi une insertion dans la région contrôlant le niveau d’expression de ce gène. Chez des individus hétérozygotes (Avy /a), la forte expression de l’allèle Avy entraîne un pelage jaune tandis que son absence d’expression entraîne un pelage noir. Entre ces deux extrêmes, plus l’expression de l’allèle Avy est forte, moins le pelage présentera de taches noires et plus il sera donc jaune (document 1). Ainsi, chez les hétérozygotes (Avy /a), la couleur du pelage reflète directement le niveau d’expression de l’allèle Avy . On dispose ainsi d’un système d’étude intéressant puisque la simple observation de la couleur du pelage des souris indique le niveau d’expression de l’allèle Avy . L’étude de l’évolution de la prise de poids moyenne sur 60 semaines de souris hétérozygotes (Avy /a) montre que les souris à pelage jaune, c’est-à-dire présentant un fort taux d’expression de l’allèle Avy ont une prise de poids importante (+ 20 g entre les semaines 10 et 50). Les souris à pelage noir, c’est-à-dire dont l’allèle Avy ne s’exprime pas, montrent en comparaison une prise de poids réduite (+ 10 g entre les semaines 10 et 50) (document 3). Or, le gène Agouti intervient dans la couleur du pelage mais aussi dans le contrôle de la prise alimentaire et le métabolisme des lipides (document 1). On peut donc supposer que l’absence d’expression de l’allèle Avy entraîne en plus d’un pelage noir, un métabolisme responsable d’une prise de poids réduite. À l’inverse, une forte expression de l’allèle Avy à l’origine d’un pelage jaune, est aussi responsable d’un métabolisme favorable au développement de l’obésité. On peut alors tester l’influence de l’alimentation des souris gestantes sur la tendance à l’obésité de leurs descendants hétérozygotes (Avy /a). Le premier lot de souris femelles gestantes reçoit une alimentation supplémentée en molécules portant des groupements méthyle (-CH3 ). Les descendants de ces femelles sont répartis ainsi : souris à pelage jaune (5 %), légèrement tachetées (30 %), tachetées (15 %), très tachetées (25 %) et noires (25 %). Le second lot de femelles gestantes ne reçoit pas cette supplémentation et ses descendants présentent majoritairement (50 %) un pelage faiblement tacheté (document 2a). On peut vérifier que plus la souris présente un pelage noir, plus son pourcentage moyen de méthylation de différents tissus est élevé (document 2b). Ainsi, on peut conclure que la supplémentation des femelles gestantes en molécules capables de fournir des groupements méthyle (-CH3 ) à d’autres molécules permet une méthylation de certaines molécules comme l’ADN des tissus des embryons. Cette méthylation pourrait modifier alors le niveau d’expression de certains gènes dont le gène Agouti et serait conservée chez les souris adultes. 76

Sujet 9 – Le corrigé

Cette méthylation, conférée par l’alimentation des femelles gestantes, a donc une influence sur le phénotype de leurs descendants, à savoir ici la couleur du pelage et de la tendance à l’obésité. Ainsi, l’étude menée chez la souris montre que l’alimentation des femelles gestantes influence le niveau d’expression de certains gènes lors du développement embryonnaire, entraînant des conséquences phénotypiques des souris adultes. Cette mise en évidence d’une influence de l’alimentation lors de la gestation chez la souris sur le phénotype des descendants peut être extrapolée à l’espèce humaine. On peut penser que l’alimentation de la femme enceinte a des conséquences sur l’expression de certains gènes impliqués dans l’apparition de l’obésité à l’âge adulte. Il s’agit ici d’un exemple de modification de l’expression génétique transmis de la mère à l’enfant mais sans modification de la séquence de l’ADN. Mais il reste à identifier les gènes et les aliments impliqués dans cette régulation avant de préconiser des recommandations pour l’alimentation de la femme enceinte.

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Sujet 10, Sujet zéro du ministère

Partie 2, exercice 2 : Introduction de la culture des yuccas en Europe Les yuccas sont des plantes originaires du continent américain. Dans leurs pays d’origine, les pieds portent de nombreux fruits charnus généralement comestibles. Un horticulteur installé en région parisienne a le projet de cultiver des yuccas destinés à la production de fruits qui seront commercialisés sous forme de préparations culinaires et cosmétiques. Dans un premier temps, il prévoit la mise en culture de nombreux individus, afin de sélectionner, par des croisements, les pieds produisant les fruits avec les qualités requises. Ensuite viendra la production en masse des fruits. On vous demande de poser un regard critique sur le projet de l’horticulteur. Montrez que le projet est techniquement réalisable à condition de respecter certaines contraintes (que vous préciserez) et de prendre en compte les conséquences éventuelles sur la biodiversité. Votre réponse s’appuiera sur l’exploitation du dossier. Aucune étude exhaustive des documents n’est attendue. › Document 1 : La reproduction sexuée chez les yuccas Dans leurs contrées d’origine, la fécondation des yuccas est réalisée par des espèces de papillons absentes en Europe. Certaines espèces de yuccas ont été importées avec succès en Europe dès le milieu du XIXe siècle. Elles poussent sans difficulté dans les jardins ou en pots dans la plupart des régions. Parmi elles, le yucca glauque est sans doute le plus robuste car il supporte des gels sévères de l’ordre de −20° C voire beaucoup moins. En Europe, les yuccas portent des fleurs mais ne donnent jamais de fruits. Ils se reproduisent uniquement par multiplication végétative. › Document 2 : Influence de l’insecte teigne du yucca (Tegeticula yuccasella) sur la production de fruits par les yuccas glauques en Alberta (États-Unis)

Source : rapport du COSEPAC, Canada, 2002. 78

Sujet 10 – Le sujet

› Document 3 : Yucca glauque (Yucca glauca) et teigne du Yucca (Tegeticula yuccasella) deux espèces en voie de disparition ?

Source : site du ministère de l’écologie canadien. › Document 4 : Pollinisation du Yucca aloiafolia par l’insecte Pronuba yucasella Dessins extraits de « The Popular Science Monthly » Edouard L. Youmans, 1882 Femelle de Pronuba yuccasella en train de pondre dans le pistil de la fleur de yucca

79

SVT

Le sujet

Pièces génitales de Pronuba yuccasella

Extrémité de l’abdomen prolongé par un « ovopositeur », organe spécialisé permettant de pondre les œufs directement dans les ovaires, au contact de l’ovule.

Coupe transversale dans le pistil de la fleur de yucca

En a : emplacement de l’ovopositeur En b : position des œufs

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Sujet 10 – Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question Il s’agit de comprendre le problème scientifique posé dans l’introduction : un horticulteur de la région parisienne souhaite cultiver des yuccas importés du continent américain pour récolter leurs fruits. La question posée comporte trois parties différentes. L’énoncé demande d’abord de déterminer les contraintes techniques de culture dues aux modes de vie et de reproduction des yuccas originaires d’Amérique et cultivés en Europe. Puis il s’agit de proposer des solutions à ces contraintes. Enfin, l’énoncé demande de prévoir les conséquences possibles de ces solutions sur la biodiversité de l’environnement où ont lieu ces introductions d’espèces et sur la biodiversité des espèces introduites. L’énoncé précise que la réponse doit s’appuyer sur la mise en relation des éléments scientifiques contenus dans les documents et vos connaissances personnelles quand cela est nécessaire. Il ne s’agit pas d’analyser les documents dans leur intégralité : aucune étude exhaustive des documents, c’est-à-dire complète, n’est demandée. Seules les informations nécessaires pour répondre à la problématique sont à extraire des documents. ä Mobiliser ses connaissances La pollinisation est le transport du pollen des étamines au pistil des fleurs par des agents pollinisateurs dont les insectes. Il peut exister une collaboration étroite entre certaines plantes et leurs insectes pollinisateurs, observable par les adaptations qu’ont développées ces espèces et qui sont le résultat d’une coévolution. La coévolution est l’évolution coordonnée de deux espèces en relation étroite l’une avec l’autre : chacune des espèces exerce une pression de sélection sur l’autre espèce. La biodiversité est la diversité des êtres vivants au sein de leur environnement. Cette biodiversité évolue au cours du temps sous l’effet de nombreux facteurs, dont les activités humaines. ä Procéder par étapes 1re étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique Après avoir identifié le problème scientifique présenté par l’énoncé, il s’agit de prendre connaissance des documents dans l’ordre fourni par l’énoncé et d’en extraire les éléments scientifiques permettant de résoudre ce problème. Le travail directement sur les documents en utilisant un surligneur pour sélectionner les informations importantes est efficace dans cette première étape. Le document 1 présente la première contrainte à laquelle doit faire face l’horticulteur : la reproduction du yucca nécessite des insectes pollinisateurs absents en Europe. De plus, on apprend que les yuccas s’acclimatent bien en Europe. Le document 2 apporte des précisions sur le lien entre le yucca glauque et son insecte pollinisateur, la teigne du yucca. Le graphique confirme qu’en absence d’œufs de teignes de yucca pondus dans 81

SVT

Le sujet Pas

à pas

le pistil, aucun fruit n’est formé. Mais le graphique apporte une information supplémentaire : un nombre optimal de fruits formés correspond à une valeur précise d’œufs de teignes de yucca pondus dans le pistil. Ainsi, une deuxième contrainte pour l’horticulteur est identifiée : l’horticulteur devra respecter un équilibre entre les populations de yucca et celle de son insecte pollinisateur pour obtenir un bon rendement en fruits. Le document 3 confirme à nouveau la spécificité de la relation entre le yucca glauque et la teigne du yucca et apporte une nouvelle information : ces deux espèces sont menacées de disparition au Canada. Le document 4 présente la pollinisation d’une seconde espèce de yucca par son insecte pollinisateur. Les dessins montrent que l’insecte présente des caractères morphologiques extrêmement adaptés à ceux du pistil de la fleur de ce yucca. La forte spécificité entre ces deux espèces s’interprète comme le résultat d’une coévolution. 2e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents et les connaissances Les éléments scientifiques doivent être ordonnés selon un raisonnement rigoureux. Les documents sont à exploités selon un ordre logique qui n’est pas celui de leur présentation dans l’énoncé. Il existe plusieurs démarches logiques possibles : le candidat choisit celle qui lui paraît la plus appropriée. La démarche suivante est un exemple de démarche possible. Introduction : quelles sont les contraintes de la culture en Europe des yuccas originaires d’Amérique ? Quelles sont les conséquences écologiques des solutions retenues pour répondre à ces contraintes ? Eléments issus des documents Une première contrainte : la pollinisation des yuccas n’est effectuée que par des insectes pollinisateurs très spécifiques, absents d’Europe. Documents 1, 2, 3 (pour le yucca glauque) et document 4 (pour Yucca aloiafolia) Chaque espèce de yucca est strictement inféodée à une espèce d’insectes pollinisateurs pour réaliser sa pollinisation et donc former ses fruits. Or l’absence de ces insectes en Europe oblige à trouver des solutions pour réaliser la pollinisation des yuccas. L’horticulteur peut envisager : – l’introduction de ces insectes pollinisateurs dans les cultures de yuccas, en respectant l’équilibre nécessaire entre les populations ; – d’autres solutions (la pollinisation manuelle des yuccas).

Connaissances La pollinisation est le transport du pollen des étamines au pistil des fleurs par des agents pollinisateurs. La coévolution est l’évolution coordonnée de deux espèces en relation étroite l’une avec l’autre.

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Sujet 10 – Le sujet Pas

Eléments issus des documents Une deuxième contrainte : l’acclimations des yuccas aux climats européens Document 1 : cette contrainte est facilement résolue car l’importation de yuccas a déjà réussi en Europe. Les contraintes écologiques liées à l’introduction de nouvelles espèces Document 3 : dans le cas d’une introduction de yuccas et de leurs insectes pollinisateurs, il peut y avoir des conséquences écologiques sur les espèces déjà existantes. Les espèces introduites pourraient être dangereuses pour l’environnement, mais l’introduction de ces espèces menacées pourrait contribuer à les sauvegarder.

à pas

Connaissances

La biodiversité est la diversité des êtres vivants au sein de leur environnement : elle évolue au cours du temps sous l’effet de nombreux facteurs, dont les activités humaines.

3e étape : rédiger la réponse sur la copie Sur la copie, doivent figurer d’abord le problème scientifique à résoudre puis sa réponse, sous forme d’un texte structuré en différents paragraphes. Chaque paragraphe aborde un aspect du sujet et les différents paragraphes s’enchaînent logiquement, avec une rédaction et une orthographe correctes. On attend des informations précises extraites des documents en particulier des valeurs chiffrées quand cela est nécessaire (comme par exemple dans le document 2). Il est recommandé de faire référence aux documents dont sont extraits les différents éléments scientifiques, en mettant leurs numéros entre parenthèses par exemple.

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SVT

Le corrigé

Question de synthèse

Nous examinons le projet technique d’un agriculteur de la région parisienne qui désire cultiver des yuccas pour produire des fruits charnus afin de les commercialiser sous forme de préparations culinaires et cosmétiques. Quelles sont les contraintes à respecter pour que le projet soit techniquement réalisable et quelles sont les conséquences éventuelles sur la biodiversité ? D’après le document 1, qui présente la reproduction sexuée chez les yuccas, les yuccas, originaires du continent américain, ne portent pas de fruits lorsqu’ils sont cultivés en Europe car les espèces d’insectes responsables de la pollinisation sont absentes. Ceci constitue pour l’horticulteur une contrainte technique très forte. Comment réaliser alors la pollinisation des yuccas en Europe pour obtenir une fécondation et donc des fruits ? Le document 2 présente l’influence de l’insecte teigne du yucca sur la production de fruits par les yuccas glauques aux Etats-Unis. En absence d’œufs de teigne du yucca trouvés dans le fruit et donc en absence de chenilles dans le fruit, les yuccas ne produisent aucun fruit. Ceci confirme la conclusion précédente et montre que le yucca glauque est inféodé à une pollinisation effectuée par la teigne du yucca. En présence de teignes de yucca, une quantité optimale d’œufs pondus dans le pistil est responsable d’un nombre maximal de fruits formés. Ainsi si l’horticulteur décide d’introduire des teignes de yuccas dans sa plantation de yuccas glauques, il devra veiller à un équilibre précis entre les populations de teignes de yucca et celle de yuccas pour optimiser son rendement en fruits. Le document 3 présente les caractéristiques de la teigne du yucca et du yucca glauque. Comme la teigne du yucca ne se nourrit exclusivement que de graines de yucca glauque, qui ne sont produites que lorsque la plante est pollinisée par ces insectes adultes, ces deux espèces sont très interdépendantes. De plus ces 2 espèces sont fragiles : au Canada, la teigne du yucca est en voie de disparition et le yucca glauque est menacé. L’horticulteur doit donc tenir compte dans son projet de la relation d’interdépendance très forte entre le yucca et son insecte pollinisateur. Le document 4 présente la pollinisation du Yucca aloiafolia par l’insecte Pronuba yucasella. Pronuba yucasella présente un organe spécialisé à l’extrémité de l’abdomen, l’ovopositeur, lui permettant de pondre ses œufs directement dans les ovaires de la fleur du Yucca aloiafolia. Ainsi la co-évolution a abouti à des spécialisations anatomiques poussées à la fois de l’insecte pollinisateur (présence de l’ovopositeur) et de la plante (ovaire dont la dimension correspond à celle de l’ovopositeur du pollinisateur). Là encore, cette espèce de yucca présente une relation très dépendante avec son insecte pollinisateur, dont l’horticulteur doit tenir compte, ainsi que de leur fragilité. Ainsi l’horticulteur doit choisir ses espèces de yucca en tenant compte des conditions climatiques (par exemple, le yucca glauque peut supporter des gels sévères), du mode de pollinisation pour permettre la production de fruits. L’horticulteur peut envisager d’introduire les insectes pollinisateurs dédiés aux espèces de yuccas qu’il aura choisies : il devra bien équilibrer les populations de pollinisateurs et les populations de yuccas pour optimiser son rendement de fruits. Cependant l’introduction de nouveaux insectes n’est pas sans conséquences écologiques : il y a des risques de déséquilibrer les écosystèmes existants lors de l’introduction des nouvelles espèces qui pour84

Sujet 10 – Le corrigé

raient se révéler invasives. D’autres solutions peuvent être envisagées par l’horticulteur comme par exemple le confinement des espèces nouvellement introduites pour ne pas perturber les écosystèmes voisins existants, ou encore la pollinisation manuelle comme dans la culture de la vanille. D’un autre côté, ces introductions pourraient contribuer à sauver des espèces menacées ou en voie de disparition comme la teigne du yucca et le yucca glauque, actuellement menacés au Canada. Dans tous les cas, les solutions techniques retenues et commercialement viables doivent s’accompagner d’une étude rigoureuse de leurs impacts écologiques.

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Sujet 11, Polynésie, juin 2013

Partie 1 : Lithosphères continentale et océanique

› Document de référence : organisation et composition de la lithosphère océanique

Dans sa théorie, Alfred Wegener estimait que la différence d’altitude moyenne des continents (+ 100 m) et des océans (– 4 500 m) pouvait s’expliquer par l’existence de deux croûtes de nature différente. Comparer les lithosphères océaniques et continentales : 1. QCM : indiquez la réponse exacte pour chacune des questions du QCM ci-dessous. 2. Synthèse : votre synthèse s’accompagnera d’un schéma établi sur le modèle du document de référence, complété par la partie lithosphère continentale.

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Sujet 11 – Le sujet

QCM

1 Les connaissances actuelles sur le domaine continental permettent de dire que :  La croûte est en équilibre isostatique sur l’asthénosphère  La lithosphère est en équilibre isostatique sur l’asthénosphère  Le manteau supérieur seul est en équilibre sur l’asthénosphère 2 La croûte océanique est globalement :  Plus âgée que la croûte continentale  Plus jeune que la croûte continentale  Du même âge que la croûte continentale 3 Une faille inverse est un indice tectonique :  D’un raccourcissement  D’un étirement  D’une marge passive

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Le sujet Pas

SVT

à pas

ä Comprendre la question QCM

La première partie du sujet se présente sous forme d’un QCM de trois questions portant sur la connaissance du cours sur les caractéristiques du domaine continental. Question de synthèse

La synthèse porte sur la comparaison des lithosphères océanique et continentale : il s’agit donc de montrer en quoi les lithosphères océanique et continentale présentent des similitudes ou des différences. L’énoncé n’apporte aucune indication concernant le plan de la synthèse mais exige que soit présent un schéma comparatif des lithosphères océanique et continentale en s’appuyant sur le schéma du document de référence. Cette synthèse ne présente pas de difficulté particulière car elle est proche du cours et que vous pouvez vous aider des informations apportées par le document de référence. ä Mobiliser ses connaissances Dans le QCM

La lithosphère est en équilibre sur l’asthénosphère selon le modèle isostatique. L’âge maximal de la lithosphère océanique (200 Ma) est inférieure à l’âge maximal de la lithosphère continentale (4 Ga environ). La croûte peut présenter des indices tectoniques d’un raccourcissement horizontal des terrains (plis inverses, failles, nappes de charriage). Dans la synthèse

La lithosphère est constituée de la croûte et du manteau lithosphérique. La croûte continentaleessentiellement formée de roches proches du granite, est plus épaisse et moins dense que la croûte océanique, constituée principalement de basaltes et de gabbros. ä Procéder par étapes Le QCM

Une seule réponse est correcte parmi les quatre proposées et aucune justification n’est attendue. La synthèse

1re étape : identifier le type de réponse attendue La réponse attendue ici est une synthèse structurée comparant les caractéristiques de la lithosphère océanique et celles de la lithosphère continentale. L’idée essentielle est de donner les caractéristiques des lithosphères océanique et continentale en les comparant soigneusement.

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Sujet 11 – Le sujet Pas

à pas

La synthèse doit intégrer un schéma comparatif des deux types de lithosphères en reprenant le schéma du document de référence. 2e étape : élaborer un plan détaillé de la synthèse au brouillon Aucune indication n’est donnée par l’énoncé concernant le plan de la synthèse mais vous pouvez vous aider du schéma du document de référence pour élaborer un plan. Il s’agit de lister les caractéristiques des lithosphères continentale et océanique à étudier. Ainsi les caractéristiques de la lithosphère océanique présentées dans le document de référence sont les suivantes : – structure de la lithosphère, – nature des roches de la lithosphère, – épaisseur de la lithosphère, – densité de la croûte, – altitude moyenne des océans. Il s’agit alors de compléter ces caractéristiques en ajoutant l’âge des croûtes et d’organiser la comparaison des lithosphères continentale et océanique selon un plan cohérent. Plusieurs plans sont possibles mais il faut impérativement éviter le plan qui présente d’abord les caractéristiques de la lithosphère continentale puis celle de la lithosphère océanique. Les indices du raccourcissement et de l’empilement de la croûte continentale sont hors sujet. Le tableau suivant présente un exemple de plan détaillé construit au brouillon. Structure de la synthèse Introduction 1. Structure de la lithosphère continentale et océanique

Eléments de connaissance Structure de la lithosphère : croûte océanique ou continentale, située au-dessus du manteau lithosphérique Épaisseur moyenne de la lithosphère : 100 km (davantage pour la lithosphère continentale) Épaisseur moyenne de la croûte océanique : 7 km Épaisseur moyenne de la croûte continentale : 30 km Altitude moyenne des océans : − 3 800 m Altitude moyenne des continents : + 800 m Bilan : Les deux lithosphères ont la même structure globale mais la croûte océanique est beaucoup moins épaisse que la croûte continentale, d’où les différences d’altitude moyenne observées des océans et des continents. 95

SVT

Le sujet Pas

à pas

Structure de la synthèse 2. Les roches et la densité des lithosphères continentale et océanique

Eléments de connaissance Le manteau lithosphérique constitué de péridotites a une densité de 3,3 Croûte océanique : sous une fine couche de sédiments, présence de basaltes recouvrant des gabbros Croûte continentale : présence d’une fine couche de sédiments recouvrant des granites et des gneiss Densité croûte océanique : 2,9 Densité croûte continentale : 2,8 Bilan : les lithosphères continentale et océanique présentent un manteau lithosphérique similaire, mais diffèrent par la nature des roches composant la croûte. La croûte océanique, composée de basaltes et gabbros, est plus dense que la croûte continentale, composée de granite et gneiss. Âge de la croûte océanique : de 0 à 200 Ma Âge de la croûte continentale : de 0 à plus de 4 Ga Bilan : la croûte océanique est globalement plus jeune que la croûte continentale. En effet à partir d’un certain âge, la lithosphère océanique devenue plus dense que l’asthénosphère, disparaît par subduction dans le reste du manteau.

3. L’âge des croûtes continentale et océanique

Schéma-bilan : comparaison de la lithosphère continentale et de la lithosphère océanique Conclusion

3e étape : structurer l’introduction et la conclusion au brouillon Vous pouvez structurer l’introduction et la conclusion au brouillon sans les rédiger entièrement. L’introduction s’organise en trois parties : – la présentation du sujet ou l’entrée en matière : ici, on peut partir des différences visibles à la surface de la Terre entre la croûte continentale, très souvent observable à l’affleurement et la croûte océanique, située au fond des océans et donc difficilement accessible ; – la problématique ou le problème à résoudre, qui reprend celui de l’énoncé : quelles sont les similitudes et les différences que présentent les lithosphères continentale et océanique ? – l’annonce de la résolution du problème posé, correspondant à l’annonce du plan de la synthèse. La conclusion se structure en deux parties : – le bilan ou la réponse à la problématique fait ressortir l’idée essentielle de la synthèse : ici, les lithosphères océanique et continentale composées de croûte et du manteau lithosphérique présentent des différences importantes dues à la différence de nature entre la croûte océanique et la croûte continentale. La croûte océanique est moins épaisse, plus dense et globalement plus jeune que la croûte continentale ; 96

Sujet 11 – Le sujet Pas

à pas

– l’ouverture vers un sujet voisin de celui étudié, qui peut se présenter sous forme d’une question. Ici l’ouverture peut porter par exemple sur le devenir de la croûte continentale après sa formation. 4e étape : rédiger la réponse sur la copie Sur votre copie, rédigez directement l’introduction, le développement de la synthèse intégrant le schéma-bilan exigé par l’énoncé puis la conclusion. Pour plus de clarté, vous pouvez structurer votre synthèse par des titres numérotés et mis en valeur. Le schéma-bilan permet la comparaison des caractéristiques de la lithosphère continentale et de la lithosphère océanique. Il doit être constitué du schéma du document de référence recopié sur la copie avec les légendes (avec la colonne de roches simplifiée par exemple) et sa partie droite est à compléter par la représentation de la lithosphère continentale, accompagnée de ses caractéristiques. À la fin de votre travail, consacrez quelques minutes à relire votre synthèse pour vérifier sa cohérence et rectifier les maladresses dans l’expression ainsi que les fautes d’orthographe.

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SVT

Le corrigé

QCM

1 Les connaissances actuelles sur le domaine continental permettent de dire que : la lithosphère est en équilibre isostatique sur l’asthénosphère La lithosphère a une densité plus faible que l’asthénosphère : la lithosphère est donc en équilibre isostatique sur l’asthénosphère. 2 La croûte océanique est globalement : plus jeune que la croûte continentale La croûte océanique est au maximum âgée de 200 Ma tandis les roches les plus anciennes de la croûte continentale sont âgées de 4,02 Ga : la croûte océanique est donc globalement plus jeune que la croûte continentale. 3 Une faille inverse est un indice tectonique : d’un raccourcissement Les failles inverses se forment lors d’une tectonique en compression, marquée par un raccourcissement horizontal des terrains. Question de synthèse Introduction

La lithosphère est l’enveloppe supérieure du globe terrestre, constituée de la croûte et du manteau lithosphérique sous-jacent. En domaine continental, une grande partie de la croûte continentale est visible à l’affleurement tandis que la croûte océanique, recouverte par les océans, est difficilement accessible. Quelles sont les principales similitudes et différences que présentent les lithosphères océanique et continentale ? Nous présenterons d’abord la structure de ces deux lithosphères, puis nous étudierons les roches qui les composent et enfin nous comparerons l’âge des roches de la croûte océanique et de celle de la croûte continentale. 1. Structure des lithosphères continentale et océanique

Les lithosphères océanique et continentale présentent la même structure globale : elles sont composées d’une couche supérieure, la croûte, et d’une couche inférieure, le manteau lithosphérique. L’épaisseur moyenne de la lithosphère est de 100 km, voire davantage pour la lithosphère continentale. Les deux lithosphères différent par la nature de la croûte, qui est soit océanique, soit continentale. La discontinuité du Moho sépare la croûte du manteau lithosphérique sous-jacent. La profondeur du Moho peut être estimée par l’étude de la propagation des ondes sismiques. Ainsi la lithosphère océanique comporte une croûte océanique, dont l’épaisseur est de 10 km en moyenne. La croûte continentale admet une épaisseur moyenne de 30 km, qui peut atteindre jusqu’à 70 km au niveau des chaînes de montagne. L’altitude moyenne des océans est de − 3 800 m tandis que l’altitude moyenne des continents est de + 800 m. Ainsi la croûte océanique est beaucoup moins épaisse que la croûte continentale, ce qui explique les différences d’altitude moyenne des océans et des continents.

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Sujet 11 – Le corrigé

2. Les roches et la densité des lithosphères continentale et océanique

Le manteau lithosphérique sous les croûtes continentale et océanique est constitué de péridotites dont la densité est de 3,3. Au niveau de la lithosphère océanique, la croûte comporte en surface une fine couche de sédiments, qui recouvrent des basaltes surmontant des gabbros. La densité de la croûte océanique est de 2,9. La croûte continentale comporte souvent une fine couche de sédiments recouvrant des granites et gneiss. La densité de la croûte continentale est de 2,8. Ainsi les lithosphères continentale et océanique présentent un manteau lithosphérique similaire, mais elles différent par la nature des roches composant la croûte. La croûte océanique est plus dense que la croûte continentale. 3. L’âge des croûtes continentale et océanique

Les méthodes de datation par radiochronologie permettent d’estimer l’âge des roches des croûtes océanique et continentale. L’âge des roches de la croûte océanique est compris entre de 0 à 200 Ma tandis que les roches de la croûte continentale ont un âge compris entre 0 et 4 Ga environ. Ainsi la croûte océanique est globalement beaucoup plus jeune que la croûte continentale. En effet à partir d’un certain âge et au maximum à 200 Ma, la lithosphère océanique, devenue plus dense que l’asthénosphère, rentre en subduction dans le reste du manteau. Schéma-bilan : comparaison de la lithosphère continentale et de la lithosphère océanique

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SVT

Le corrigé

Conclusion

Ainsi, les lithosphères océanique et continentale sont toutes les deux composées de croûte et de manteau lithosphérique mais elles différent grandement par la nature de la croûte qui les compose. La croûte océanique est moins épaisse et globalement plus jeune que la croûte continentale. La croûte océanique, composée essentiellement de basaltes et de gabbros, est plus dense que la croûte continentale, constituée principalement de roches proches du granite. Les différences entre les deux types de croûtes expliquent la différence d’altitude moyenne des océans et des continents. Si la lithosphère océanique, au maximum âgée de 200 Ma disparaît au niveau des zones de subduction, quel est le devenir de le croûte continentale ?

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Sujet 12, Sujet national, juin 2013

Partie 1 : Le magmatisme en zone de subduction Les zones de subduction, domaines de convergence de la lithosphère, sont le siège d’une importante activité magmatique. Celle-ci aboutit à une formation de croûte continentale. Décrire comment dans un contexte de subduction se met en place l’activité magmatique et préciser comment celle-ci intervient dans la production de nouveaux matériaux continentaux. L’exposé doit être structuré avec une introduction et une conclusion et sera accompagné d’un schéma de synthèse.

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SVT

Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question Le sujet de la synthèse est le magmatisme dans les zones de subduction. Il s’agit d’abord d’expliquer l’origine de cette activité magmatique, c’est-à-dire de préciser les conditions nécessaires à la formation du magma. Puis il faut montrer que ce magma est à l’origine de la production des nouveaux matériaux de la croûte continentale. L’idée essentielle à exposer est qu’au niveau des zones de subduction, l’enfouissement des roches de la croûte océanique entraîne une libération d’eau, qui provoque la fusion partielle des péridotites de la lithosphère chevauchante. Le magma ainsi produit s’élève dans la lithosphère et permet la formation de nouvelles roches de la croûte continentale. Il s’agit d’une synthèse proche du cours, qui ne pose pas de difficultés quant à l’élaboration de sa structure mais qui fait appel à des notions précises, parfois délicates à exposer correctement. ä Mobiliser ses connaissances La subduction est le plongement d’une plaque lithosphérique océanique sous une autre plaque lithosphérique, océanique ou continentale. On s’intéresse ici au devenir de la croûte océanique mais c’est l’ensemble de la lithosphère océanique (constituée de la croûte océanique et du manteau lithosphérique) qui entre en subduction. Les roches magmatiques sont des roches issues de la cristallisation d’un magma (liquide contenant de la roche en fusion et des gaz). À environ 100 km de profondeur dans les zones de subduction, les conditions de pression et de température permettent la fusion partielle des péridotites de la lithosphère chevauchante en présence de l’eau libérée par le métamorphisme de la croûte océanique de la lithosphère plongeante. Le taux de fusion partielle est faible (10 %). Les roches de la croûte océanique subissent un métamorphisme : en s’éloignant de la dorsale, les roches de la croûte océanique s’hydratent lors de réactions métamorphiques, puis en plongeant dans la zone de subduction, les roches de la croûte océanique se déshydratent lors du métamorphisme. Après sa formation, le magma remonte dans la lithosphère continentale. La majorité du magma refroidit lentement en profondeur dans la croûte continentale, formant des roches grenues, c’est-àdire entièrement cristallisées, de type granitoïde. Une faible partie du magma parvient en surface et est à l’origine d’un volcanisme explosif de type andésitique, caractérisé par des laves visqueuses et riches en silice. L’accrétion continentale est la production de matériaux de la croûte continentale (roches plutoniques comme les granitoïdes et roches volcaniques) au niveau des zones de subduction. ä Procéder par étapes 1re étape : identifier le type de réponse attendue Il s’agit ici d’une synthèse structurée accompagnée d’une introduction et d’une conclusion, et comprenant obligatoirement un schéma de synthèse du magmatisme en zone de subduction.

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Sujet 12 – Le sujet Pas

à pas

2e étape : élaborer un plan détaillé de la synthèse au brouillon L’énoncé précise clairement le plan attendu : il s’agit de développer dans une première partie la formation du magma dans les zones de subduction et dans une seconde partie, de montrer que le magma permet la production de nouveaux matériaux de la croûte continentale. Il s’agit d’intégrer vos connaissances à ces deux parties en construisant un plan détaillé de la synthèse au brouillon. Attention à bien délimiter le sujet : la formation de la croûte océanique au niveau de la dorsale et le moteur de la subduction liée à la densité accrue de la lithosphère océanique vieillissante sont hors sujet. Le tableau suivant présente un exemple de plan détaillé élaboré au brouillon. Structure de la synthèse Introduction 1. Mise en place de l’activité magmatique dans un contexte de subduction

2. La production de nouveaux matériaux continentaux

Eléments de connaissance Hydratation par métamorphisme de la croûte de la lithosphère océanique lorsqu’elle s’éloigne de la dorsale. Déshydratation par métamorphisme de la croûte de la lithosphère océanique en subduction. L’eau ainsi libérée provoque la fusion partielle des péridotites lithosphériques de la plaque chevauchante : formation d’un magma. Remontée du magma dans la lithosphère. La majeure partie du magma cristallise entièrement en profondeur formant des granitoïdes. Une faible partie du magma arrive en surface et est à l’origine d’un volcanisme explosif. Accrétion continentale : production de nouveaux matériaux de la croûte continentale.

Schéma-bilan : activité magmatique au niveau d’une zone de subduction Conclusion

3e étape : structurer l’introduction et la conclusion au brouillon L’introduction doit impérativement présenter la problématique et annoncer sa résolution. Elle s’organise en trois parties : – la présentation du sujet ou l’entrée en matière : ici, on définit les notions de zone de subduction et de magmatisme. – la problématique ou le problème à résoudre qui reprend celui présenté par l’énoncé : comment se met en place l’activité magmatique au niveau d’une zone de subduction et comment cette activité magmatique est-elle à l’origine des nouveaux matériaux continentaux ? – l’annonce de la résolution du problème posé, correspondant à l’annonce du plan de la synthèse.

103

SVT

Le sujet Pas

à pas

La conclusion doit impérativement présenter la réponse à la problématique posée en introduction. Elle se structure en deux parties : – le bilan ou la réponse à la problématique fait ressortir l’idée essentielle de la synthèse : au niveau d’une zone de subduction, l’enfouissement des roches de la croûte océanique entraîne des réactions métamorphiques libérant de l’eau. Cette eau provoque la fusion partielle des péridotites de la lithosphère chevauchante. Le magma ainsi produit s’élève dans la lithosphère et permet la formation de nouvelles roches de la croûte continentale. – l’ouverture vers un sujet voisin de celui étudié et pouvant se présenter sous forme d’une question. Par exemple, l’ouverture peut porter sur le devenir des roches de la croûte continentale après leur formation. 4e étape : rédiger la réponse sur la copie Sur votre copie, rédigez directement l’introduction, le corps de la synthèse, y compris le schémabilan et la conclusion. Pour plus de clarté, vous pouvez structurer votre synthèse avec des titres numérotés et mis en valeur. Le schéma doit être grand, clair, aéré, en couleurs, correctement légendé et accompagné d’un titre. Il permet de vérifier que le candidat réussit à représenter la subduction et à localiser la zone de formation du magma ainsi que la production des roches plutoniques et volcaniques au niveau de la croûte continentale. À la fin de votre travail, consacrez quelques minutes à relire votre synthèse pour vérifier sa cohérence et rectifier les maladresses dans l’expression ainsi que les fautes d’orthographe.

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Sujet 12 – Le corrigé

Question de synthèse Introduction

Le phénomène de subduction se caractérise par le plongement d’une plaque lithosphérique océanique sous une autre plaque lithosphérique, océanique ou continentale. Au niveau de la plaque lithosphérique chevauchante, une forte activité magmatique, c’est-à-dire la formation de roches issues du refroidissement d’un magma, est observée contribuant à la formation de la croûte continentale. Comment se met en place l’activité magmatique dans un contexte de subduction et comment cette activité magmatique intervient-elle dans la formation de nouveaux matériaux continentaux ? Nous présenterons dans une première partie l’origine de l’activité magmatique au niveau d’une zone de subduction, puis dans une seconde partie, nous étudierons comment cette activité permet la formation de nouveau matériaux de la croûte continentale. 1. Mise en place de l’activité magmatique dans un contexte de subduction

L’activité magmatique se caractérise par la présence d’un magma issu de la fusion partielle des péridotites du manteau de la lithosphère de la plaque chevauchante. La zone de la fusion partielle des péridotites mantelliques est située à environ 100 km de profondeur. Les conditions de pression et de température régnant à 100 km de profondeur ne permettent la fusion partielle de ces péridotites que si elles sont hydratées. Quelle est donc l’origine de l’eau permettant la fusion partielle dans le manteau ? Depuis leur formation au niveau de la dorsale océanique, les roches de la lithosphère océanique sont soumises à des conditions de pression et de température différentes de celles de leur formation. En effet les basaltes et les gabbros de la croûte océanique sont exposés à une température plus faible que celle de leur formation et au contact de l’eau de mer, ils subissent des réactions métamorphiques caractérisées par une hydratation. Ces basaltes et gabbros métamorphisés sont donc devenus respectivement des métabasaltes ou métagabbros du faciès schiste vert. Au niveau de la zone de subduction, la forte élévation de la pression et la légère augmentation de la température entraînent un métamorphisme haute pression – basse température lorsque la lithosphère océanique plonge sous la lithosphère chevauchante. Les roches de la croûte océanique sont alors soumises à un métamorphisme d’intensité croissante. Les métabasaltes et métagabbros du faciès schiste vert sont métamorphisés en métabasaltes et métagabbros du faciès schiste bleu, puis en métabasaltes ou métagabbros du faciès éclogite. Ces réactions métamorphiques dans les faciès schiste bleu et éclogite s’accompagnent de réactions de déshydratation des roches de la croûte océanique. L’eau ainsi libérée par le métamorphisme migre vers le haut et provoque la fusion partielle des péridotites de la lithosphère de la plaque chevauchante, vers 100 km de profondeur. Le taux de fusion des péridotites mantelliques de l’ordre de 10 % est faible.

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SVT

Le corrigé

2. La production de nouveaux matériaux continentaux

Le magma chaud est moins dense que le matériel encaissant. Ce magma s’élève dans le manteau lithosphérique puis dans la croûte continentale. Le magma, en s’élevant dans un milieu plus froid, cristallise, donnant ainsi naissance aux roches plutoniques en profondeur dans la croûte terrestre et aux roches volcaniques en surface. Le refroidissement rapide en surface du magma forme des roches volcaniques, comme l’andésite ou la rhyolite, caractérisées par une texture microlithique, c’est-à-dire par la présence de minéraux cristallisés et de matière non cristallisée appelée verre. Le volcanisme de zones de subduction se caractérise par des laves riches en silice (SiO2 ), visqueuses et riches en gaz d’où un volcanisme explosif. Le refroidissement lent du magma en profondeur dans la croûte terrestre donne naissance à des roches plutoniques qui sont entièrement cristallisées ou grenues de type granitoïde, comme le granite. Dans les zones de subduction, la majorité du magma (85 % environ) cristallise en profondeur formant des granitoïdes. Au niveau des zones de subduction, le magma d’origine mantellique aboutit donc à la création de nouveaux matériaux continentaux : il s’agit de l’accrétion continentale. Les zones de subduction sont ainsi le lieu privilégié de fabrication de la croûte continentale. Schéma-bilan : activité magmatique au niveau d’une zone de subduction

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Sujet 12 – Le corrigé

Conclusion

Ainsi le métamorphisme de la croûte océanique plongeante s’accompagne d’une libération d’eau qui permet la fusion partielle des péridotites du manteau lithosphérique de la plaque chevauchante. Le magma migre alors vers la surface en se refroidissant et sa cristallisation donne naissance majoritairement à des roches plutoniques comme les granitoïdes en profondeur dans la croûte terrestre mais aussi à un volcanisme explosif en surface. Quel est alors le devenir de ces nouveaux matériaux continentaux après leur formation dans un contexte de subduction ?

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Sujet 13, Liban, mai 2013

Partie 2, exercice 1 : La croûte continentale Nord-Américaine L’Amérique du Nord présente un ensemble de chaînes de montagnes dont la mise en place se poursuit encore de nos jours. L’étude d’une carte géologique confrontée aux données radiochronologiques permet de cerner les grandes étapes de son histoire géologique. À partir de l’étude du document, on se propose de reconstituer quelques étapes de l’histoire géologique de la croûte continentale Nord-Américaine. (Répondre aux 6 questions du QCM) › Document 1 : carte des principales chaînes de montagnes anciennes et récentes d’Amérique du Nord

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Sujet 13 – Le sujet

QCM : À partir des informations extraites du document, cocher la bonne réponse pour chaque série de propositions. 1 Les plus anciennes roches d’Amérique du Nord sont les gneiss d’Acasta. On les trouve :  dans la chaîne de montagnes anciennes grenvilliennes  dans la chaîne de montagnes anciennes appalachiennes  dans la chaîne de montagnes anciennes centrales  dans la chaîne de montagnes anciennes archéennes 2 L’étude du gneiss d’Acasta a permis de reconstituer le contexte de sa formation. On sait aujourd’hui qu’il s’est formé :  dans une croûte océanique  dans les reliefs positifs d’une croûte continentale  dans la racine d’une croûte continentale  dans le manteau 3 Les chaînes de montagnes d’Amérique du Nord sont disposées :  les plus anciennes au centre, les plus récentes à l’extérieur  les plus anciennes à l’extérieur, les plus récentes au centre  parallèlement les unes aux autres  au hasard 4 A partir de ces observations, les géologues peuvent proposer un âge à la chaîne de montagnes centrales :  Elle peut être âgée de plus de 1,9 milliard d’années  Elle a un âge compris entre 1,3 et 1,9 milliard d’années  EIIe a un âge compris entre 0,4 et 0,3 milliard d’années  Elle est âgée de moins de 0,3 milliard d’années 5 Une fois formés, les reliefs positifs des chaînes de montagnes disparaissent grâce à l’altération, l’érosion mais aussi des phénomènes tectoniques. Le Mont McKinley, le plus haut sommet d’Amérique du Nord se trouve logiquement :  dans la chaîne de montagnes grenvilliennes  dans la chaîne de montagnes récentes  dans la chaîne de montagnes centrales  dans la chaîne de montagnes archéennes 6 La croûte Nord-Américaine grandit toujours. Ainsi, la croûte sibérienne, émergée, s’est accolée à ce continent. La chaîne de montagnes associée à cet évènement est :  la chaîne de montagnes grenvilliennes  la chaîne de montagnes récentes  la chaîne de montagnes centrales  la chaîne de montagnes archéennes

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SVT

Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question L’objectif est de répondre aux six questions du QCM à partir de l’exploitation de la carte des chaînes de montagne nord-américaines. Cet exercice ne présente pas de difficulté : il s’agit d’extraire de la carte des chaînes de montagne d’Amérique du Nord et des légendes qui l’accompagnent les informations nécessaires pour choisir les bonnes réponses du QCM. Aucune connaissance n’est requise pour traiter ce sujet. Le seul point délicat est de ne pas confondre les noms des différentes chaînes de montagne étudiées. Dans le QCM, une seule réponse est correcte parmi les quatre proposées et aucune justification n’est attendue.

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Sujet 13 – Le corrigé

1 Les plus anciennes roches d’Amérique du Nord sont les gneiss d’Acasta. On les trouve : dans la chaîne de montagnes anciennes archéennes. La simple lecture de la carte permet de localiser les gneiss d’Acasta au niveau de la chaîne de montagnes anciennes archéennes. 2 L’étude du gneiss d’Acasta a permis de reconstituer le contexte de sa formation. On sait aujourd’hui qu’il s’est formé : dans la racine d’une croûte continentale. D’après la remarque 1 située en bas du document, les granites subissant un métamorphisme dans une racine crustale, c’est-à-dire au niveau de l’épaississement de la croûte sous une chaîne de montagne, se transforment en gneiss. On en déduit que le gneiss d’Acasta s’est formé dans la racine d’une croûte continentale. 3 Les chaînes de montagnes d’Amérique du Nord sont disposées : les plus anciennes à l’extérieur, les plus récentes au centre. L’étude de la carte et de sa légende montre que la chaîne de montagnes archéennes, qui sont les plus âgées et situées au centre, sont entourées de chaînes de montagne plus récentes, comme le montre la carte suivante. › Carte des chaînes de montagne d’Amérique du Nord

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SVT

Le corrigé

4 À partir de ces observations, les géologues peuvent proposer un âge à la chaîne de montagnes centrales : Elle a un âge compris entre 1,3 et 1,9 milliard d’années. La chaîne de montagnes centrales dont l’âge est inconnu est située entre la chaîne de montagnes archéennes (âge compris entre 4,28 Ga et 1,9 Ga) et la chaîne de montagnes grenvilliennes (âge compris entre 1,3 Ga et 1 Ga). Or d’après la réponse à la question précédente, les chaînes plus anciennes sont à l’extérieur et les plus récentes sont situées au centre. On en déduit que la chaîne de montagnes centrales a un âge compris entre l’âge de la chaîne de montagnes archéennes et celui de la chaîne de montagnes grenvilliennes, soit entre 1,3 Ga et 1,9 Ga. 5 À partir de ces observations, les géologues peuvent proposer un âge à la chaîne de montagnes centrales. Une fois formés, les reliefs positifs des chaînes de montagnes disparaissent grâce à l’altération, l’érosion mais aussi des phénomènes tectoniques. Le Mont McKinley, le plus haut sommet d’Amérique du Nord se trouve logiquement : dans la chaîne de montagnes récentes. L’altération et l’érosion sont responsables de la destruction des chaînes de montagne. Plus une chaîne de montagne est récente, plus son relief est élevé. Par conséquent le plus haut sommet d’Amérique du Nord, le Mont McKinley, se trouve dans la chaîne de montagnes récentes, qui est la plus jeune des chaînes de montagnes étudiées. 6 La croûte nord-américaine grandit toujours. Ainsi, la croûte sibérienne, émergée, s’est accolée à ce continent. La chaîne de montagnes associée à cet évènement est : la chaîne de montagnes récentes. La chaîne de montagnes associée à l’accolement de la croûte sibérienne est située du côté de la Sibérie, à l’extrémité nord-ouest de l’Amérique du Nord : il s’agit de la chaîne de montagnes récentes.

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Sujet 14, Inde, avril 2013 1

Partie 2, exerice 1 : Étude d’une roche de la région de la Marche au nord-ouest du Massif central Pour retracer l’évolution d’une chaîne de montagnes, le géologue dispose de nombreuses techniques parmi lesquelles figure la détermination des conditions de formation des roches qui la constituent. Cette détermination a été faite avec des roches apparentées au granite, échantillonnées dans la région de la Marche au nord-ouest du Massif Central. Ces roches montrent l’aspect observable sur le document 1. Elles présentent une association minéralogique composée de quartz, de biotite, de muscovite, de cordiérite et d’un peu de sillimanite. Utilisez les documents 1 et 2 pour énoncer sous la forme d’une réponse construite les conditions de formation de ces roches de la région de la Marche. Faire figurer sur le document 2 la zone correspondant à la formation des roches considérées. › Document 1 : Photographie d’une roche à l’affleurement (échelle dans le cartouche du haut), de structure comparable à celle échantillonnée dans la région de la Marche (localisation dans le cartouche du bas)

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SVT

Le sujet

› Document 2 : Diagramme Pression (P) et Température (T) des domaines de stabilité de minéraux repères (silicates d’alumine : disthène, andalousite et sillimanite) et différentes réactions métamorphiques en fonction des conditions P-T

– courbe 1 : réaction chlorite + muscovite 1 (à gauche) = biotite + muscovite + quartz + eau (à droite) – courbe 2 : réaction muscovite + chlorite + quartz (à gauche) = biotite + cordiérite + andalousite ou siilimanite ou disthène + eau (à droite) – courbe 3 : réaction muscovite + quartz (à gauche) = feldspath potassique + andalousite ou siilimanite + eau (à droite) – courbe 4 : courbe de fusion d’un granite hydraté (courbe du solidus séparant un domaine où seul le solide est présent (à gauche) et un domaine où liquide et solide peuvent coexister (à droite))

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Sujet 14 – Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question À partir de la photographie d’une roche à l’affleurement d’une chaîne de montagne ancienne, il s’agit de déterminer les conditions de formation de cette roche en s’aidant d’un diagramme pression – température des domaines de stabilité de minéraux repères. Sur la photographie, on peut reconnaître une roche résultant d’une fusion partielle de la croûte continentale et dont la composition minéralogique est proche du granite : il s’agit donc d’une migmatite. Puis à partir des minéraux de cette roche, on peut placer cette roche dans le diagramme pression – température, pour en déduire le domaine de pression et de température ayant permis la formation de cette roche, que l’on peut alors relier à un contexte tectonique. Cet exercice est assez difficile car il exige que la roche soit identifiée comme résultant d’une fusion partielle de la croûte continentale. De plus, dans le diagramme pression – température, les courbes des différentes réactions métamorphiques peuvent être difficiles à lire car tous les minéraux ne sont pas indiqués mais seulement ceux impliqués dans les réactions métamorphiques. L’essentiel est que l’identification de la roche et sa position dans le diagramme pression – température soient cohérentes. ä Mobiliser ses connaissances Dans les chaînes de montagne, des roches peuvent être soumises à une augmentation de la pression et de la température liées à leur enfouissement, entraînant ainsi leur fusion partielle. Une migmatite est une roche résultant d’une fusion partielle (ou anatexie incomplète) de la croûte continentale et est formée de gneiss et de granite, qui résulte de la fusion partielle du gneiss. ä Procéder par étapes 1re étape : identifier la roche photographiée et en déduire l’existence d’une fusion partielle de la croûte continentale La roche photographiée est le résultat d’une fusion partielle de roches de la croûte continentale, de composition minéralogique proche du granite : c’est donc une migmatite. Dans le diagramme pression – température, la zone correspondant à la formation de la roche est donc située dans le domaine de l’anatexie, à droite de la courbe 4. 2e étape : exploiter la composition minéralogique de la roche et en déduire sa position dans le diagramme pression – température. L’énoncé précise que la roche est composée de quartz, de biotite, de muscovite, de cordiérite et de sillimanite. La roche est donc à placer dans le domaine de stabilité de la sillimanite.

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SVT

Le sujet Pas

à pas

Puis on compare les minéraux de la roche avec les associations de minéraux présentes de part et d’autre de chacune des courbes 1, 2 et 3 afin de déterminer la position de la roche par rapport à ces courbes : – courbe 1 : la roche ne contient pas de chlorite mais de la biotite et de la muscovite donc la roche est située à droite de la courbe 1. – courbe 2 : la roche ne contient pas de chlorite mais de la biotite, de la cordiérite et de la sillimanite donc la roche est située à droite de la courbe 2. – courbe 3 : la roche contient de la muscovite et du quartz mais pas de feldspath potassique donc la roche est située à gauche de la courbe 3. L’intersection des zones ainsi définies, y compris avec le domaine de stabilité de la sillimanite et le domaine d’anatexie, permet de déterminer la zone correspondant à la formation de cette roche, soit une température moyenne de 680°C pour une profondeur moyenne de 16 km. 3e étape : rédiger votre réponse et compléter le diagramme pression – température Une fois que vous avez réussi à placer correctement la roche dans le diagramme pression – température, vous pouvez rédiger votre réponse directement sur votre copie. L’essentiel est de bien mettre en évidence le raisonnement qui conduit à ce positionnement et d’indiquer les conditions de pression et de température ayant permis la formation de la roche. N’oubliez pas de reporter sur le diagramme pression – température la position de la roche et de le rendre avec votre copie. Votre réponse débutera par une courte introduction qui permet de poser le problème scientifique.

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Sujet 14 – Le corrigé

Dans la région de la Marche au nord-ouest du Massif central, affleurent des roches apparentées au granite et composées de quartz, de biotite, de muscovite, de cordiérite et de sillimanite. Quelles sont les conditions de formation de ces roches ? On observe sur la photographie de la roche étudiée des alignements de minéraux sombres et clairs, qui font penser à une roche métamorphique, et la présence de lentilles claires (document 1). Sachant que la roche est apparentée à un granite, on peut supposer que les parties présentant des alignements de minéraux sont une roche métamorphique, du gneiss, tandis que les lentilles claires résultent d’une fusion partielle de roches de la croûte continentale, c’est-à-dire du granite. On en déduit que la roche photographiée est une migmatite. Cette roche résulte d’un processus de fusion partielle de la croûte continentale : elle se positionne donc dans le diagramme pression – température du document 2 dans le domaine d’anatexie, à droite de la courbe de fusion d’un granite hydraté (courbe 4). De plus cette roche contient de la sillimanite : elle se positionne donc le domaine de stabilité de ce silicate d’alumine. La roche contient du quartz, de la biotite, de la muscovite, de la cordiérite et de la sillimanite mais ni chlorite associée à la muscovite ni feldspath potassique associé à la sillimanite : la roche se situe donc à droite de la courbe 2 mais à gauche de la courbe 3. L’intersection des secteurs ainsi identifiés permet de positionner la roche étudiée dans le diagramme pression – température et de déterminer les conditions de pression et de température ayant permis sa formation. Cette migmatite s’est formée à une température moyenne de 680°C pour une profondeur moyenne de 16 km à partir un gneiss. L’augmentation de la température et de la pression due à l’enfouissement de ce gneiss a entrainé une fusion partielle de la roche continentale, formant ainsi une migmatite.

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Sujet 15, Centres étrangers, juin 2013

Partie 2, exercice 2 : Modélisation de la formation des croûtes continentales primitive et actuelle À l’Archéen, période comprise entre − 4 et − 2,5 milliards d’années, la Terre beaucoup plus chaude, était le siège d’une activité magmatique intense, qui a donné naissance à la majeure partie de la croûte continentale actuelle. Notre planète s’est ensuite progressivement refroidie, ce qui a entrainé des changements dans la source et dans les mécanismes de production de la croûte continentale. Comparez les deux modèles de formation de la croûte continentale primitive et actuelle, au niveau d’une zone de subduction, puis discutez de la validité de chacun d’entre eux. › Document 1 : Modèles de genèse de la croûte continentale archéenne (Document 1a) et actuelle (Document 1b)

D’après Hervé Martin et Jean-François Moyen, Geology, 2002

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Sujet 15 – Le sujet

› Document 2 : Conditions de fusion de la croûte océanique anhydre et hydratée et gradients géothermiques dans une zone de subduction actuelle et archéenne

D’après Hervé Martin et Jean-François Moyen, Geology, 2002 › Document 3 : Conditions de fusion d’une péridotite anhydre et hydratée et gradients géothermiques dans une zone de subduction actuelle

D’après Hervé Martin et Jean-François Moyen, Geology, 2002

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Le sujet Pas

SVT

à pas

ä Comprendre la question Le sujet présente deux modèles de formation de la croûte continentale au niveau des zones de subduction : l’un à Archéen (− 4 à − 2,5 Ga) pour la formation de la croûte continentale primitive, l’autre actuel à l’origine de la croûte continentale nouvellement formée. La question est clairement structurée en deux parties. Il s’agit d’abord de comparer les deux modèles de formation de la croûte continentale, c’est-à-dire de mettre en évidence leurs principales caractéristiques en montrant leurs ressemblances et leurs différences. Puis, il s’agit de discuter de la validité de ces modèles à partir des conditions de fusion des roches de la croûte océanique et des roches du manteau lithosphérique au niveau des zones de subduction archéennes et actuelles. La réponse attendue est l’exploitation structurée des documents, mise en relation avec les connaissances. La démarche à suivre est clairement explicitée par l’énoncé mais la principale difficulté réside dans la lecture correcte des diagrammes pression – température. ä Mobiliser ses connaissances La subduction est le plongement d’une lithosphère océanique dans l’asthénosphère, sous une autre lithosphère. La majorité de la croûte continentale se forme au niveau des zones de subduction. La croûte de la lithosphère océanique nouvellement formée au niveau de la dorsale s’hydrate au contact de l’eau de mer lors de réactions métamorphiques. Au niveau des zones de subduction actuelles, la croûte océanique de la lithosphère plongeante se déshydrate lors de réactions métamorphiques. Le gradient géothermique est la variation de la température en fonction de la profondeur. Le solidus d’une roche correspond à la courbe de fusion commençante de cette roche. ä Procéder par étapes 1re étape : comparer les modèles de formation de la croûte continentale Ce travail s’effectue d’abord à partir du document 1 et au brouillon. Il s’agit d’identifier les conditions de formation de la croûte continentale à l’Archéen et à l’époque actuelle, comme le résume le tableau suivant. Époque Roches entrant en fusion partielle

Archéenne Roches hydratées de la croûte océanique plongeante.

Profondeur de la zone de fusion partielle

40 – 70 km environ

Actuelle Péridotites hydratées du manteau lithosphérique de la plaque continentale chevauchante 60 – 100 km environ

Ainsi à l’Archéen, l’énergie géothermique plus élevée permet la fusion partielle de la croûte océanique hydratée à partir de 40 km de profondeur alors qu’actuellement, l’activité magmatique des zones de subduction a pour origine la fusion partielle des péridotites hydratées du manteau lithosphérique chevauchant.

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Sujet 15 – Le sujet Pas

à pas

2e étape : exploiter les conditions de fusion des roches pour discuter de la validité des modèles Ce travail s’effectue sur les documents et la réponse est à structurer au brouillon. Les documents 2 et 3 représentent des diagrammes pression – température des roches de la croûte océanique et des péridotites. Sur ces diagrammes, sont représentés les solidus de ces roches hydratées ou non (aussi appelées roches anhydres), ainsi que les gradients géothermiques archéen et actuel des zones de subduction. Le principe d’exploitation de ces documents est que lorsqu’un gradient géothermique franchit le solidus et passe dans le domaine où les roches sont liquides et solides, alors la fusion partielle de ces roches peut avoir lieu. Ainsi, le document 2 indique les conditions de fusion de la croûte océanique. Le gradient géothermique archéen croise le solidus de la croûte océanique hydratée dans des conditions de pression et de température où cette croûte océanique est effectivement hydratée. On en déduit qu’à l’Archéen, vers 40 à 55 km de profondeur, la croûte océanique hydratée entre en fusion partielle. De nos jours, cette fusion ne serait possible que vers 120 km de profondeur mais à cette profondeur la déshydratation de la croûte océanique ne permet pas sa fusion partielle. Le document 3 indique les conditions de fusion partielle des péridotites mantelliques. Le gradient géothermique actuel croise le solidus de la péridotite hydratée à partir de 90 km, permettant sa fusion partielle. À l’Archéen, la fusion partielle des péridotites mantelliques était possible à 800 °C, vers 60 km de profondeur, à condition que celles-ci soient hydratées. Or, dans ces conditions de pression et de température, la croûte océanique était déjà déshydratée (document 2) et ne pouvait céder son eau aux péridotites sus-jacentes. Il n’y a donc pas à l’Archéen de fusion partielle des péridotites de la lithosphère continentale chevauchante. On peut donc conclure à la validation des deux modèles de formation des croûtes continentales primitive et actuelle proposés. 3e étape : rédiger la réponse sur la copie La réponse doit contenir une introduction présentant le problème posé par l’énoncé. Puis, il s’agit de traiter le sujet sous forme d’un texte structuré en plusieurs paragraphes. Vous devez utiliser les informations issues des documents en indiquant leur origine, en notant par exemple les numéros des documents entre parenthèses et en intégrant vos connaissances quand cela est nécessaire. L’essentiel est que le raisonnement soit bien rigoureux. Enfin, votre réponse terminera par une conclusion résumant votre réponse au problème, à savoir les principales différences entre les deux modèles et leur validation.

121

SVT

Le corrigé

La majeure partie de la croûte continentale se forme au niveau des zones de subduction, caractérisées par le plongement d’une lithosphère océanique dans l’asthénosphère. À l’Archéen (− 4 à − 2,5 Ga), la production de la croûte continentale, dite primitive, fut intense. Quels sont les modèles expliquant la formation des croûtes continentales primitive et actuelle ? Quelle est la validité de chacun de ces deux modèles ? D’après le modèle de formation de la croûte continentale à l’Archéen, les roches de la croûte océanique hydratée de la lithosphère plongeante entrent en fusion partielle à des profondeurs comprises entre 40 km et 70 km, permettant ainsi l’activité magmatique des zones de subduction (document 1). D’après le modèle actuel de formation de la croûte continentale, les péridotites hydratées du manteau lithosphérique de la plaque continentale chevauchante entrent en fusion partielle lorsqu’elles sont situées entre 60 km et 100 km, entraînant la formation de la croûte continentale (document 1). À l’Archéen, l’intersection du gradient géothermique des zones de subduction avec le solidus de la croûte océanique hydratée montre l’existence une zone de fusion partielle entre 45 à 55 km de profondeur. À ces profondeurs, les roches de la croûte océanique sont encore hydratées, rendant possible leur fusion partielle. Au-delà de 55 km de profondeur, la déshydratation de ces roches empêche leur fusion partielle (document 2). À l’Archéen, le gradient géothermique croise le solidus de la péridotite hydratée vers 800 °C à 60 km (document 3). On sait que l’eau responsable de l’hydratation des péridotites peut provenir de la déshydratation de la croûte océanique sous-jacente. Or, avant d’atteindre 800 °C vers 60 km, les roches de la croûte océanique étaient déjà déshydratées à l’Archéen, ne pouvant plus céder d’eau aux péridotites sus-jacentes (document 2). Ainsi, la fusion partielle de ces péridotites anhydres n’était pas possible à l’Archéen. Dans les zones de subduction actuelles, le gradient géothermique croise le solidus des péridotites hydratées vers 90 km de profondeur à une température de 800 °C, permettant la fusion partielle de ces péridotites dans ces conditions (document 3). De plus, le gradient géothermique actuel ne croise pas le solidus de la croûte océanique hydratée dans la zone où ces roches sont hydratées (document 2). La croûte océanique actuelle ne rentre donc pas en fusion partielle car sa température est trop faible. La croûte océanique reste donc hydratée jusqu’à au moins 90 km, profondeur à laquelle elle se déshydrate. L’eau de faible densité par rapport aux roches environnantes migre vers les péridotites sus-jacentes de la lithosphère continentale chevauchante, provoquant la fusion partielle de ces péridotites. Ainsi, les modèles de formation des croûtes continentales primitive et actuelle au niveau des zones de subduction sont validés. La croûte continentale primitive a pour origine la fusion partielle de la croûte océanique hydratée plongeante tandis la croûte continentale actuelle est formée à partir de la fusion partielle des péridotites hydratées du manteau lithosphérique chevauchant. Dans les deux modèles, l’hydratation de la croûte océanique plongeante permet la fusion partielle des roches, à l’origine de l’accrétion continentale. La dissipation de l’énergie géothermique au cours des temps géologiques est à l’origine des différences constatées entre les modèles de formation des croûtes continentales primitive et actuelle.

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Sujet 16, Sujet zéro du ministère

Partie 2, exercice 2 : Compte-rendu d’une excursion géologique dans les Alpes On cherche à montrer comment des données de terrain peuvent permettre de comprendre des événements géologiques anciens. Vous avez effectué une excursion géologique dans les Alpes et rapporté des échantillons et des photographies. En vous appuyant sur ces données de terrain et d’autres informations présentes dans le dossier, rédigez un compte rendu de votre excursion, illustré par un ou plusieurs schémas, et montrant en quoi les indices recueillis permettent de comprendre certaines étapes de l’histoire de la formation de cette chaîne de montagnes. Votre réponse s’appuiera sur l’exploitation du dossier. Aucune étude exhaustive des documents n’est attendue. Document de référence

› Carte simplifiée des Alpes

Source : R. Cirio, Centre briançonnais de Géologie alpine (CBGA), http ://planet-terre.ens-lyon.fr 123

SVT

Le sujet

› Document 1 : Coupe géologique dans le massif ophiolitique du Chenaillet

Source : Comprendre et enseigner la planète terre, Caron et al, Ophrys Les basaltes supérieurs sont âgés de 100 millions d’années. Les plus vieux sédiments océaniques (non figurés sur la coupe) qui surmontent les basaltes ont 65 millions d’années. › Document 2 : Domaines de stabilité de quelques associations de minéraux de la croûte océanique

Source : documents du Centre Briançonnais de Géologie Alpine On précise que des minéraux formés dans un domaine de température et pression donné peuvent être encore présents même si la roche n’est plus dans ce domaine (minéraux reliques).

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Sujet 16 – Le sujet

› Document 3 Observation microscopique d’un métagabbro du Mont Viso (Alpes italiennes) et son schéma interprétatif

› Document 4 : Rochers de Leschaux dans les Alpes (Massifs des Bornes, Haute-Savoie, Nord de Grenoble) et croquis d’interprétation

Cinf 1 et Cinf2 : couches datées du Crétacé inférieur. Cinf 1 est une couche plus ancienne que Cinf2. Elle est constituée d’épaisses masses de calcaires blancs à Rudistes et Orbitolinidés (mollusques et foraminifères marins fossiles).

125

SVT

Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question Le sujet porte sur l’écriture d’un compte-rendu d’une excursion géologique dans les Alpes. Il s’agit de montrer comment les données recueillies sur le terrain et complétées par d’autres informations permettent de restituer certaines étapes de l’histoire géologique des Alpes. Il s’agit donc de sélectionner les informations contenues dans les documents pour retracer une partie de l’histoire géologique des Alpes. La réponse attendue est l’exploitation structurée des documents, mise en relation avec les connaissances, sans qu’une étude complète de tous les documents soit nécessaire. L’énoncé exige la présence de schémas. Ce sujet nécessite peu de connaissances et sa principale difficulté réside dans l’organisation de la réponse et dans sa présentation sous forme d’un compte-rendu d’excursion géologique. ä Mobiliser ses connaissances Les ophiolites sont des lambeaux de lithosphère océanique présents en domaine continental. La subduction s’accompagne d’un métamorphisme haute pression – basse température des roches appartenant à la croûte de la lithosphère océanique plongeante. Ces roches métamorphiques peuvent être retrouvées dans les chaînes de montagne. Les chevauchements témoignent d’un épaississement de la croûte continentale lors de la collision aboutissant à la formation d’une chaîne de montagne. ä Procéder par étapes 1re étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique Après avoir identifié le problème posé, il s’agit de prendre connaissance des documents fournis par l’énoncé et d’en extraire les éléments scientifiques permettant de rédiger le compte-rendu. Le travail directement sur les documents à l’aide un surligneur pour sélectionner les informations importantes est recommandé dans cette étape. Le document de référence présente une carte simplifiée des Alpes, qui permet de localiser les différents lieux visités lors de l’excursion géologique. Le document 1 présente une coupe géologique du massif ophiolitique du Chenaillet, qui présente une succession de péridotites, gabbros et basaltes. Ces roches sont des roches de la lithosphère océanique, mais qui sont présentes en milieu continental. De plus, de vieux sédiments océaniques surmontent les basaltes. Cette coupe géologique témoigne donc de l’existence d’un ancien océan au niveau des Alpes actuelles. Le document 3 présente l’observation microscopique d’un métagabbro du mont Viso, qui présente les minéraux suivants : grenat, glaucophane et jadéite. Le document 2 propose un diagramme pression – température présentant les domaines de stabilité de différents minéraux. À partir du report de la composition minéralogique du métagabbro du mont Viso dans ce diagramme, on peut déterminer que cette roche s’est formée à une température voisine de 450 °C et à une forte pression, proche de 1,2 GPa. Enfin, le document 4, présente un chevauchement au niveau des rochers de Leschaux.

126

Sujet 16 – Le sujet Pas

à pas

2e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents et les connaissances Il s’agit de construire une démarche structurée répondant à la problématique, à partir des informations issues des documents et de vos connaissances et de prévoir les schémas. Le tableau suivant présente un exemple de démarche possible, construite au brouillon. Eléments issus des documents Introduction : comment les indices recueillis lors de l’excursion géologique dans les Alpes permettent-ils de reconstituer certaines étapes de l’histoire de la formation de cette chaîne de montagne ? Le massif du Chenaillet : des lambeaux d’un océan disparu Document 1 : présence d’ophiolites, roches de la lithosphère océanique situées en altitude en domaine continental et de sédiments marins, témoignant de la présence d’un ancien océan à l’emplacement des Alpes actuelles. Les métagabbros du Mont Viso : témoins d’une subduction passée Documents 2 et 3 : Les métagabbros du Mont Viso contiennent du grenat, du glaucophane et de la jadéite, témoignant d’un métamorphisme haute pression – basse température observé dans les zones de subduction. Les métagabbros du Mont Viso constituent un indice d’une subduction passée dans les Alpes. Schéma Subduction Le chevauchement des rochers de Leschaux : témoin d’une collision continentale Document 4. Schéma chevauchement

Connaissances

Les ophiolites sont des lambeaux de lithosphère océanique en domaine continental.

La subduction s’accompagne d’un métamorphisme haute pression – basse température des roches de la lithosphère océanique plongeante.

Les chevauchements témoignent d’un épaississement de la croûte continentale lors de la collision aboutissant à la formation d’une chaîne de montagne.

Conclusion

3e étape : rédiger la réponse sur la copie La réponse doit contenir une introduction présentant le problème posé par l’énoncé. Puis, il s’agit de traiter le sujet sous forme d’un texte organisé en paragraphes successifs. Vous devez utiliser les informations extraites des documents en précisant leur origine, par exemple en mettant leur référence entre parenthèses et en intégrant vos connaissances quand cela est nécessaire. L’essentiel est que la mise en évidence des différentes étapes de la formation des Alpes à partir des indices récoltés soit rigoureuse et que votre réponse présente un véritable compte-rendu de terrain comme si vous y étiez allé. Vos schémas doivent être grands, clairs, en couleurs, et accompagnés de légendes et d’un titre. Enfin votre devoir terminera par une conclusion résumant votre réponse à la problématique. 127

SVT

Le corrigé

Compte-rendu

Le massif du Chenaillet : des lambeaux d’un océan disparu (document 1) Lors de notre excursion géologique dans les Alpes, nous nous sommes rendus à l’est de Briançon dans le massif du Chenaillet. Ce massif présente un intérêt géologique remarquable. En effet lors de l’ascension de ce massif, nous avons d’abord marché sur des péridotites métamorphisées. On trouve ces roches au Chenaillet à 2 200 mètres d’altitude alors que les péridotites constituent normalement les roches du manteau terrestre. Puis, un peu plus haut, nous avons observé des gabbros présentant des basaltes en filons. Plus en altitude, à partir de 2 400 m nous avons trouvé des basaltes en cousins, qui forment le sommet du Chenaillet. Ainsi le massif du Chenaillet est constitué de roches de la lithosphère océanique, qui se trouvent normalement au fond des océans. Ces roches observées au Chenaillet (péridotites – gabbros – basaltes) sont donc un morceau du plancher océanique situé actuellement en domaine continental : il s’agit d’ophiolites. Ces ophiolites témoignent de la présence à l’emplacement actuel des Alpes d’un océan aujourd’hui disparu : l’océan Alpin. La datation des basaltes supérieurs du Massif du Chenaillet est de − 100 Ma, tandis que les plus vieux sédiments océaniques surmontant ces basaltes sont datés de − 65 Ma. On peut donc estimer que la mise en place de ce morceau de lithosphère océanique de l’océan Alpin date d’environ − 100 Ma, et fut suivie d’une sédimentation océanique. Les métagabbros du Mont Viso : témoins d’une subduction passée (documents 2 et 3) Nous nous sommes alors rendus à l’est du Chenaillet en Italie dans le Massif du Mont Viso, où nous avons échantillonné des métagabbros. Les métagabbros sont des gabbros de la croûte océanique qui ont subi un métamorphisme. Le gabbro est une des roches de la croûte océanique. Ainsi les métagabbros du Mont Viso sont d’anciennes roches de la croûte océanique ayant subi un métamorphisme. L’observation macroscopique et microscopique de ces métagabbros montre la présence de minéraux métamorphiques : grenat, glaucophane et jadéite. Nous avons alors cherché à déterminer dans quelles conditions de température et de pression s’était mise en place cette association de minéraux métamorphiques. L’étude du graphique présentant les domaines de stabilité de certaines associations de minéraux de la croûte océanique montre que l’association minérale grenat, glaucophane et jadéite se met en place pour une température d’environ 500° C et une pression de 1 GPa. Il s’agit donc d’un métamorphisme haute pression – basse température, caractéristique d’une zone de subduction, comme le représente le schéma suivant. Ainsi les métagabbros du Mont Viso témoignent d’une subduction passée de la lithosphère océanique de l’océan Alpin.

128

Sujet 16 – Le corrigé

Subduction d’une lithosphère océanique sous une lithosphère continentale Nous nous sommes enfin rendus au nord de Grenoble dans le massif des Bornes pour observer les rochers de Leschaux. Nous avons observé un contact anormal entre deux unités : une unité supérieure, constituée de calcaires du Crétacé inférieur 2 et une unité inférieure, constituée de roches du Crétacé supérieur et du Crétacé inférieur 2. Il s’agit d’un chevauchement du Crétacé inférieur 2 sur l’unité formée du Crétacé supérieur et du Crétacé inférieur 2, comme le représente le schéma suivant. Cette déformation importante des roches résulte d’une tectonique en compression qui s’inscrit dans le cadre de la collision continentale, à l’origine de la surrection des Alpes. On peut dater le chevauchement par datation relative. En effet selon le principe de recoupement, tout structure qui en recoupe une autre lui est postérieure, or la couche la plus récente affectée par le chevauchement est le Crétacé supérieur : le chevauchement s’est donc mis en place après le Crétacé supérieur.

129

SVT

Le corrigé

De plus nous avons observé dans les calcaires du Crétacé inférieur 1 la présence de fossiles de Rudistes (Mollusques) et Orbitolinidés (Foraminifères), tous deux marins. La présence de ces fossiles marins prouvent que les calcaires se sont mis en place dans un domaine océanique, à l’époque du Crétacé inférieur 1. Ainsi les sites observés et les échantillons récoltés lors de notre excursion géologique dans les Alpes ont permis de mettre en évidence 3 grandes étapes : une expansion océanique au sein de l’océan Alpin, une subduction et une collision continentale.

130

Sujet 17, Amérique du Nord, mai 2013

Partie 1 : Dynamique du domaine continental et propriétés thermiques de la Terre Cette partie comporte 2 sous-parties indépendantes l’une de l’autre : un questionnaire à choix multiple (QCM) et une question de synthèse. L’ordre de traitement des 2 parties est laissé au choix du candidat. QCM : Le domaine continental et sa dynamique

A partir des connaissances, répondre au QCM en cochant la bonne réponse. Question de synthèse : Géothermie et propriétés thermiques de la Terre

La Terre est une machine thermique : elle libère une énergie qualifiée de géothermique, potentiellement utilisable par l’Homme, et variable d’un endroit à un autre. Après avoir indiqué l’origine du flux géothermique, décrire les mécanismes de transferts thermiques vers la surface et comparer les variations de ce flux selon le contexte géodynamique (dorsale et zone de subduction). Aucune valeur de flux géothermique n’est attendue. La réponse devra être structurée avec une introduction et une conclusion. Répondre au QCM en cochant la bonne réponse 1 Les ophiolites sont :  des fossiles marins.  la trace d’un domaine océanique disparu.  un domaine continental déformé à la suite d’une collision.  des minéraux caractéristiques du granite. 2 En s’éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique :  s’épaissit à cause de son refroidissement, ce qui augmente sa densité.  se refroidit à cause de son épaississement, ce qui augmente sa densité.  subit un plissement intense.  s’épaissit et se refroidit, sans modification de sa densité. 3 Une chaîne de montagne récente :  présente en général un relief moins élevé qu’une chaîne de montagne ancienne.  ne présente aucune érosion.  présente un relief en surface appelé racine crustale.  peut présenter des marqueurs de subduction océanique et de collision.

133

Le sujet Pas

SVT

à pas

ä Comprendre la question QCM

La première partie de la question se présente sous forme d’un QCM de trois questions portant sur la connaissance du cours de géothermie. Question de synthèse

La synthèse porte sur les propriétés thermiques de la Terre. L’énoncé, qui ne propose pas de problématique globale, est explicite. Il indique les thèmes à étudier en précisant leur ordre. La synthèse doit donc être structurée en trois parties : – l’origine du flux géothermique, – les mécanismes de transferts thermiques vers la surface de la Terre, – la comparaison des variations du flux géothermique en fonction du contexte géodynamique. Dans cette dernière partie, l’énoncé précise les deux cas de contexte géodynamique à étudier. Un contexte géodynamique se caractérise par un ensemble de phénomènes géologiques spécifiques : il s’agit ici d’étudier le flux géothermique au niveau des dorsales et des zones de subduction. ä Mobiliser ses connaissances Dans le QCM

Les ophiolites sont des lambeaux de lithosphère océanique situés en domaine continental. La lithosphère océanique évolue après sa formation au niveau de la dorsale : elle se refroidit au fur et à mesure qu’elle s’éloigne de la dorsale et s’épaissit par ajout de péridotites lithosphériques, ce qui entraîne une augmentation de sa densité. Les chaînes de montagne récentes présentent des marqueurs de subduction passée (métamorphisme haute pression et basse température) et de collision (plis, failles inverses, nappes de charriages). Dans la synthèse

Le flux géothermique est la quantité d’énergie géothermique dissipée à la surface de la Terre par unité de temps et de surface. Le flux géothermique a pour principale origine la désintégration des éléments radioactifs contenus dans les roches des différentes enveloppes terrestres. Les mécanismes de transferts thermiques vers la surface de la Terre sont la conduction (transfert d’énergie thermique sans transfert de matière) et la convection (transfert d’énergie thermique avec transfert de matière). Au sein du manteau, s’établissent des cellules de convection où les roches chaudes et peu denses s’élèvent tandis les roches froides plus denses descendent. 134

Sujet 17 – Le sujet Pas

à pas

La comparaison des valeurs du flux géothermique en fonction du contexte géodynamique montre qu’au niveau de la dorsale, la valeur élevée du flux géothermique s’explique par la production de la lithosphère océanique tandis qu’au niveau des zones de subduction, la faible valeur du flux géothermique s’explique par le plongement de la lithosphère océanique froide. ä Procéder par étapes Le QCM

Une seule réponse est correcte parmi les quatre proposées et aucune justification n’est attendue. La synthèse

1e étape : identifier le type de réponse attendue D’après l’énoncé, la réponse attendue ici est une synthèse structurée accompagnée d’une introduction et d’une conclusion. Il est recommandé que la synthèse intègre un ou plusieurs schémas illustrant les notions abordées, même si l’énoncé ne l’exige pas. 2e étape : élaborer un plan détaillé de la synthèse au brouillon Sur votre feuille de brouillon après voir repris la structure de la synthèse définie par l’énoncé, vous complétez chaque partie avec vos connaissances, en y intégrant les mots clés du cours, les définitions etc. Vous devez vérifier que les éléments issus des connaissances sont complets mais sans être hors sujet. Ainsi une partie sur l’utilisation de la géothermie par l’homme est ici hors sujet. Puis, vous complétez le plan détaillé de la synthèse par les prévisions des schémas qui seront présents dans votre copie. Le tableau suivant présente un exemple de plan détaillé construit au brouillon. Structure de la synthèse Introduction 1. L’origine du flux géothermique 2. Les mécanismes de transferts thermiques vers la surface de la Terre 3. La comparaison des variations du flux géothermique en fonction du contexte géodynamique Schéma-bilan : transferts d’énergie géothermique au niveau du globe Conclusion

Eléments de connaissance Désintégration des éléments radioactifs Conduction Convection Cellules de convection mantellique Dorsales : fort flux géothermique Zone de subduction : faible flux géothermique

135

SVT

Le sujet Pas

à pas

3e étape : structurer l’introduction et la conclusion au brouillon Vous pouvez structurer l’introduction et la conclusion au brouillon sans les rédiger entièrement. L’introduction s’organise en trois parties : – la présentation du sujet ou l’entrée en matière : ici, on peut partir des manifestations de l’énergie géothermique visibles à la surface terrestre (éruptions volcaniques, geysers etc.) pour aboutir à la notion de flux géothermique, que l’on définira avec précision. – la problématique ou le problème à résoudre, qui reprend celui proposé par l’énoncé : ici, il s’agit de l’origine et des caractéristiques du flux géothermique. – l’annonce de la résolution du problème posé, correspondant à l’annonce du plan de la synthèse. Dans ce sujet, l’absence de problématique globale fait que la problématique et l’annonce du plan sont redondantes. La conclusion se structure en deux parties : – le bilan ou la réponse à la problématique fait ressortir l’idée essentielle de votre synthèse : ici, la désintégration d’éléments radioactifs terrestres est à l’origine d’une énergie thermique transférée par conduction et convection jusqu’à la surface terrestre. Le flux géothermique varie selon le contexte géodynamique : il est élevé au niveau des dorsales et faible dans les zones de subduction. – l’ouverture vers un sujet voisin de celui étudié, qui peut se présenter sous forme d’une question. Ici l’ouverture peut porter sur l’exploitation par l’homme de l’énergie géothermique. 4e étape : rédiger la réponse sur la copie Sur votre copie, rédigez directement l’introduction, le développement de la synthèse en y intégrant les schémas puis la conclusion. Pour plus de clarté, vous pouvez structurer votre synthèse par des titres numérotés et mis en valeur. Vos schémas doivent être grands, clairs, en couleurs et accompagnés de légendes et d’un titre. À la fin de votre travail, consacrez quelques minutes à relire votre synthèse pour vérifier sa cohérence et rectifier les maladresses dans l’expression ainsi que les fautes d’orthographe.

136

Sujet 17 – Le corrigé

QCM

1 Les ophiolites sont : la trace d’un domaine océanique disparu. 2 En s’éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique s’épaissit à cause de son refroidissement, ce qui augmente sa densité. 3 Une chaîne de montagne récente : peut présenter des marqueurs de subduction océanique et de collision. Question de synthèse

Introduction

De nombreuses manifestations à la surface de la Terre témoignent de l’existence d’une énergie thermique issue de l’intérieur du globe terrestre : éruptions volcaniques, sources chaudes hydrothermales, geysers etc. La quantité d’énergie thermique dissipée à la surface terrestre par unité de surface et par unité de temps est appelée flux géothermique. Quelle est l’origine de cette énergie géothermique et comment cette énergie géothermique est-elle transférée dans la Terre ? Comment varie le flux géothermique en fonction des différents contextes géodynamiques ? Pour répondre à ces problématiques, nous préciserons d’abord l’origine de l’énergie géothermique, puis nous étudierons les modalités de transfert de l’énergie géothermique au sein du globe terrestre, et nous expliquerons les variations du flux géothermique dans deux contextes géodynamiques différents, les dorsales et les zones de subduction. 1. L’origine du flux géothermique

L’énergie géothermique interne provient essentiellement de la désintégration des éléments radioactifs (238 U, 235 U, 232 Th, 40 K) présents dans les roches des différentes enveloppes du globe. 2. Les mécanismes de transferts thermiques vers la surface de la Terre

L’énergie thermique produite dans la Terre est transférée dans le globe selon deux modalités : la conduction et la convection. La conduction est le transfert d’énergie thermique de proche en proche sans déplacement de matière. Au sein de la lithosphère et à l’interface noyau/manteau, l’énergie géothermique est transférée par conduction. Par exemple, dans la croûte terrestre, le gradient géothermique moyen est de 30 °C.km-1 . La convection est le transfert d’énergie thermique avec un déplacement de matière, qui constitue un mécanisme efficace de transfert d’énergie. Elle se met en place lorsqu’un matériel chaud et peu dense est situé sous un matérielplus froid et plus dense. Le matériel chaud et peu dense s’élève tandis que le matériel froid et plus dense descend et se réchauffe à son tour. Ces mouvements de matière constituent des cellules de convection, qui existent dans le manteau et le noyau. Le manteau est ainsi animé de mouvements lents de convection, qui entraînent le déplacement des plaques lithosphériques situées au-dessus.

137

SVT

Le corrigé

3. La comparaison des variations du flux géothermique en fonction du contexte géodynamique

Le flux géothermique est la quantité d’énergie thermique dissipée à la surface terrestre par unité de surface et par unité de temps et est mesuré en W.m-2 . Au niveau des dorsales médio-océaniques, le flux géothermique mesuré est supérieur au flux géothermique moyen des océans. Cette valeur élevée du flux géothermique au niveau des dorsales s’explique par la remontée de matériel chaud responsable de la production de lithosphère océanique nouvelle au niveau des dorsales. Les dorsales sont donc un lieu de forte dissipation de l’énergie géothermique. À l’inverse, au niveau des zones de subduction, le flux géothermique mesuré est inférieur au flux géothermique moyen. Cette valeur plus faible du flux géothermique au niveau des zones de subduction s’explique par le plongement de la lithosphère océanique âgée, froide et dense. Dans les zones de subduction, au niveau des cordillères ou des arcs volcaniques, on peut mesurer localement un flux géothermique plus élevé, conséquence du magmatisme liée à la subduction. Schéma-bilan : les transferts d’énergie géothermique au niveau du globe

138

Sujet 17 – Le corrigé

Conclusion

Ainsi, l’énergie géothermique principalement issue de la désintégration des éléments radioactifs contenus dans les enveloppes terrestres est transférée à travers la Terre par convection et conduction. La dissipation de cette énergie géothermique est à l’origine d’un flux géothermique variable en fonction du contexte géodynamique. La Terre est donc une machine thermique, que l’homme peut exploiter pour ses besoins énergétiques grâce à des exploitations géothermiques. Actuellement, la géothermique ne couvre environ qu’un pourcent des besoins énergétiques mondiaux pour la production d’électricité et de chaleur. Il s’agit pourtant d’une source d’énergie inépuisable à l’échelle humaine, écologique et économique, au service du développement durable et qui pourrait être davantage utilisée.

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Sujet 18, Sujet zéro du ministère

Partie 2, exercice 1 : Intérêt et limites d’un OGM : le riz doré La carence 1 en vitamine A affecte d’après l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) entre 100 et 200 millions d’enfants. Cette carence est responsable de graves troubles oculaires, de cécité infantile et du décès de plus d’un million d’enfants chaque année. Or, les tentatives de diversification nutritionnelle ou de suppléments en vitamines atteignent difficilement toutes les personnes concernées. Des chercheurs ont donc travaillé sur l’enrichissement en vitamine A (ou en précurseurs de vitamine A) de certains aliments de base dans certains régimes alimentaires. Ils ont ainsi mis au point un riz transgénique appelé « riz doré ». › Document 1 : Particularités du riz doré Le bêta-carotène qui, une fois assimilé dans le corps humain se transforme en vitamine A, existe naturellement dans l’enveloppe du riz mais pas dans sa partie comestible c’est-à-dire l’albumen. L’enveloppe du riz étant éliminée de manière à améliorer sa conservation, les grains consommés ne contiennent plus de bêta-carotène. Par l’introduction de trois gènes dans du riz, des chercheurs allemands ont réussi à restaurer dans l’albumen une voie de biosynthèse du bêta-carotène à partir de son précurseur : le GPP. Le bêta-carotène alors synthétisé colore les grains en jaune, d’où le surnom de « riz doré ». Cependant les teneurs obtenues jusqu’à présent ne fourniraient pas aux populations démunies en vitamine A, les quantités de bêta-carotène qui leur seraient nécessaires. Mais, les effets de carences plus ou moins prononcés pourraient être sensiblement allégés. Le génome du riz doré contient trois gènes codant pour la synthèse d’enzymes impliquées dans la chaîne de biosynthèse du bêta-carotène à partir du GPP à savoir : deux gènes de jonquille qui permettent la fabrication des enzymes 1 et 2 ; un gène de bactérie qui permet la fabrication de l’enzyme 3. Source : http ://www.maison-des-sciences.ac-versaillers.II.docs/OGM.pdf .

La chaîne de biosynthèse du bêta-carotène

1. Carence : apport insuffisant voire manque.

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Sujet 18 – Le sujet

› Document 2 : Incertitudes scientifiques autour du riz doré Le GPP, naturellement présent dans le riz, permet à la cellule de fabriquer un certain nombre de molécules dont la vitamine E, des chlorophylles, et de l’acide gibbérellique (substance favorisant la croissance végétale). La fraction du GPP, qui dans le riz doré sera utilisée pour fabriquer du bêta-carotène, ne sera plus disponible pour la synthèse des autres molécules dont il est également le précurseur. Autrement dit, il est probable que le riz doré, qui fabrique du bêta-carotène, fabrique moins de vitamine E, et que les rendements obtenus avec ce riz transgénique soient nettement diminués en raison d’une synthèse amoindrie de chlorophylles et d’acide gibbérellique. Répondre au QCM en cochant la bonne réponse 1 Le bêta-carotène contenu notamment dans le riz doré... – permet de pallier les carences en GPP ; – empêche la synthèse de la vitamine E de l’individu qui l’ingère ; – permet de pallier à 100 % les carences en vitamines A ; – se transforme en vitamine A chez la personne qui ingère le riz doré. 2 Le riz doré est issu d’une transgénèse de 3 gènes codant pour la synthèse... – de la vitamine A du riz dans le génome d’une bactérie ; – des enzymes permettant la production du bêta-carotène ; – de la vitamine A d’une jonquille dans le génome du riz ; – des enzymes activant la voie de la biosynthèse de la vitamine A. 3 La fabrication du riz doré transgénique a été faite pour... – pallier les problèmes liés à l’utilisation de pesticides ; – améliorer le rendement des rizicultures pour nourrir certaines populations humaines ; – diminuer les effets d’une carence alimentaire touchant certaines populations humaines ; – éviter l’apport massif d’engrais dans les cultures. 4 D’après certains scientifiques, la modification génétique du riz aboutissant à des plants de riz doré pourraît entraîner une production... – moindre du fait d’un rendement végétal diminué ; – accrue de vitamine E par la plante ; – de plantes plus riches en pigments chlorophylliens ; – de plantes plus résistantes aux parasites.

141

SVT

Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question Il s’agit de répondre aux quatre questions d’un QCM qui porte sur un organisme génétiquement modifié (ou OGM), qui est le riz doré. Le riz doré présente la caractéristique d’être particulièrement riche en bêta-carotène. Le bêta-carotène, après sa consommation par l’homme, peut être converti en vitamine A. Le riz doré permettrait donc de lutter contre les carences en vitamine A mais son utilisation présente certaines limites. Dans le QCM, parmi les quatre réponses proposées, une seule est correcte et aucune justification n’est attendue. Aucune connaissance n’est nécessaire pour traiter le sujet. L’exercice ne présente pas de difficulté particulière : il faut surtout bien lire les documents proposés et les réponses du QCM.

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Sujet 18 – Le corrigé

Questions

1 Le bêta-carotène contenu notamment dans le riz doré... – permet de pallier les carences en GPP (faux). Il s’agit de pallier les carences en vitamine A et non en GPP. Le GPP est le précurseur du bêta-carotène produit chez le riz, qui est alors transformé en vitamine A chez l’Homme (document 1). – empêche la synthèse de la vitamine E de l’individu qui l’ingère (faux). L’ingestion de riz doré vise à augmenter l’apport en bêta-carotène, qui permet la synthèse de vitamine A chez l’Homme (document 1). – permet de pallier à 100 % les carences en vitamines A (faux). Les quantités de bêta-carotène, à l’origine de la vitamine A, obtenues jusqu’à présent dans le riz doré ne permettent pas couvrir complétement les apports nécessaires en vitamine A (document 1). – se transforme en vitamine A chez la personne qui ingère le riz doré (vrai). Le bêta-carotène, qui se transforme en vitamine A dans le corps humain, est présent dans les grains de riz doré (document 1). 2 Le riz doré est issu d’une transgénèse de 3 gènes codant pour la synthèse... – de la vitamine A du riz dans le génome d’une bactérie (faux). Les 3 enzymes appartiennent à la chaîne de biosynthèse du bêta-carotène. Seule la 3e enzyme est d’origine bactérienne : les 2 autres proviennent de la jonquille (document 1). – des enzymes permettant la production du bêta-carotène (vrai). Les 3 gènes contenus dans le génome du riz doré proviennent soit de la jonquille soit d’une bactérie. Chacun de ces 3 gènes code une enzyme de la chaîne de biosynthèse du bêta-carotène. – de la vitamine A d’une jonquille dans le génome du riz (faux). Il s’agit de la synthèse du bêtacarotène et les 3 gènes impliqués proviennent soit de la jonquille soit d’une bactérie (document 1). – des enzymes activant la voie de la biosynthèse de la vitamine A (faux). Il s’agit de la synthèse du bêta-carotène (et non de la vitamine A) et les enzymes sont celles directement impliquées dans la biosynthèse et non celles responsables de l’activation de cette voie (document 1). 3 La fabrication du riz doré transgénique a été faite pour... – pallier les problèmes liés à l’utilisation de pesticides (faux). Il ne s’agit pas de résoudre des problèmes liés à l’utilisation de pesticides mais de lutter contre les carences en vitamine A de certaines populations humaines (introduction). – améliorer le rendement des rizicultures pour nourrir certaines populations humaines (faux). Au contraire le rendement du riz doré risque d’être moindre. L’objectif est d’obtenir un riz riche en bêta-carotène, précurseur la vitamine A (documents 1 et 2). – diminuer les effets d’une carence alimentaire touchant certaines populations humaines (vrai). L’objectif de l’obtention du riz doré transgénique est la lutte contre la carence en vitamine A (introduction et document 1). – éviter l’apport massif d’engrais dans les cultures (faux) La limitation de l’apport d’engrais n’est pas l’objectif de la culture transgénique de riz doré.

143

SVT

Le corrigé

4 D’après certains scientifiques, la modification génétique du riz aboutissant à des plants de riz doré pourrait entraîner une production... – moindre du fait d’un rendement végétal diminué (vrai). Chez le riz doré l’utilisation accrue du GPP pour la synthèse du bêta-carotène s’accompagne d’une moindre production de chlorophylles et d’acide gibbérellique, d’où un rendement plus faible de ce riz transgénique (document 2). – accrue de vitamine E par la plante (faux). Au contraire, il est préférable que le riz doré fabrique moins de vitamine E (document 2). – de plantes plus riches en pigments chlorophylliens (faux). Chez le riz doré l’utilisation accrue du GPP pour la synthèse du bêta-carotène s’accompagne d’une moindre production de pigments chlorophylliens (document 2). – de plantes plus résistantes aux parasites (faux) L’amélioration de la résistance aux parasites n’est pas l’objectif de la culture transgénique de riz doré (document 1).

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Sujet 19, Sujet zéro du ministère

Partie 1 : La réaction inflammatoire et l’action des anti-inflammatoires Un camarade s’est blessé lors d’une chute. Quelques jours plus tard, il a mal, sa plaie est gonflée, rouge, purulente, il consulte un médecin. Celui-ci après avoir bien nettoyé sa plaie, lui donne un médicament anti-inflammatoire. Votre camarade ne comprend pas la prescription du médecin : « Pourquoi dois-je prendre un médicament puisque je ne suis pas malade ! » vous dit-il. Expliquez les mécanismes immunitaires mis en jeu dans ce cas précis et l’intérêt, de prendre un anti-inflammatoire. Des schémas explicatifs sont attendus.

149

SVT

Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question L’énoncé présente un scénario de la vie quotidienne où se pose la question du déroulement de la réaction inflammatoire et de l’intérêt de la prise de médicaments anti-inflammatoires. Il s’agit d’une synthèse proche du cours, dont la structure est explicitée par l’énoncé. L’énonce exige la présence de schémas illustrant les notions développées. Cette synthèse, dont la construction ne présente pas de difficultés, nécessite une bonne connaissance des notions d’immunologie sur la réaction inflammatoire. ä Mobiliser ses connaissances Lors de lésions de l’organisme, se met rapidement en place la réaction inflammatoire, qui fait partie de l’immunité innée. La réaction inflammatoire se caractérise par des symptômes stéréotypés au niveau de la lésion : gonflement, douleur, chaleur et douleur. La réaction inflammatoire est initiée par des cellules immunitaires qui détectent la présence d’agents infectieux. Cette détection entraîne la sécrétion des médiateurs chimiques de l’inflammation, qui provoquent un afflux de plasma sanguin et l’arrivée de cellules immunitaires d’origine sanguine vers le tissu lésé. Ces cellules immunitaires, les macrophages et les granulocytes, réalisent la phagocytose c’est-àdire l’élimination des agents infectieux au niveau de la lésion. D’autres cellules immunitaires, les cellules denditriques, après avoir été en contact avec les agents infectieux, migrent jusqu’aux ganglions lymphatiques, où elles présentent l’antigène à des cellules de l’immunité adaptative. Les médicaments anti-inflammatoires réduisent l’inflammation en limitant la sécrétion ou l’action de certains médiateurs chimiques de l’inflammation mais sans empêcher le déroulement des mécanismes immunitaires permettant la défense de l’organisme. ä Procéder par étapes 1er étape : identifier le type de réponse attendue La réponse attendue ici est une synthèse structurée, accompagnée de schémas, expliquant les mécanismes immunitaires lors de la réaction inflammatoire et montrant l’intérêt des médicaments anti-inflammatoires. L’énoncé ne précise pas si une introduction et une conclusion sont exigées mais il est préférable qu’elles soient présentes. 2e étape : élaborer un plan détaillé de la synthèse au brouillon Le plan de la synthèse est donné par le sujet : il faut d’abord expliquer les mécanismes immunitaires lors de la réaction inflammatoire puis montrer l’intérêt des médicaments antiinflammatoires. Après avoir défini les deux parties de la synthèse, il faut les compléter avec vos connaissances et prévoir les schémas à intégrer. Dans la synthèse, vous montrerez que l’immunité innée prépare l’immunité adaptative mais sans développer les mécanismes de l’immunité adaptive, qui sont ici hors sujet.

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Sujet 19 – Le sujet Pas

à pas

Le tableau suivant présente un exemple de plan détaillé élaboré au brouillon. Structure de la synthèse Introduction : quels sont les mécanismes de la réaction inflammatoire et quel est intérêt de prescrire des médicaments anti-inflammatoires ? 1. Les mécanismes de la réaction inflammatoire aiguë

2. L’intérêt de la prescription d’anti-inflammatoires

Eléments de connaissances

Les symptômes de la réaction inflammatoire sont stéréotypés. Les défenses innées sont recrutées lors de la réaction inflammatoire : dans le tissu lésé, des cellules immunitaires détectent la présence d’agents infectieux et sécrètent des médiateurs chimiques de l’inflammation, à l’origine des symptômes de la réaction inflammatoire et de la migration de cellules phagocytaires sur le lieu de l’inflammation. Des cellules immunitaires agissent lors de la réaction inflammatoire : – phagocytose des agents infectieux au niveau de la lésion par les macrophages et les granulocytes ; – initiation de la réponse immunitaire adaptative : présentation à des cellules de l’immunité adaptative des antigènes rencontrés dans le tissu lésé par les cellules dendritiques. Exemples de molécules anti-inflammatoires. Mode d’action des molécules anti-inflammatoires : inhibition de la sécrétion des médiateurs chimiques de l’inflammation. Intérêt de prescrire un anti-inflammatoire : limitation des symptômes gênants de l’inflammation pour le patient sans empêcher les mécanismes immunitaires.

Schéma-bilan : la réaction inflammatoire Conclusion

3e étape : structurer l’introduction et la conclusion au brouillon Vous pouvez structurer l’introduction et la conclusion au brouillon mais sans les rédiger entièrement. L’introduction s’organise en trois parties : – la présentation du sujet ou l’entrée en matière : ici, on peut partir du scénario proposé par l’énoncé, c’est-à-dire de la chute d’un camarade, qui présente une plaie avec une forte inflammation et à qui est prescrit un anti-inflammatoire. – la problématique ou le problème à résoudre, qui est celui de l’énoncé : ici quels sont les mécanismes de la réaction inflammatoire et quel est intérêt de prescrire des médicaments antiinflammatoires ? – l’annonce de la résolution du problème posé, correspondant à l’annonce du plan de la synthèse. 151

SVT

Le sujet Pas

à pas

La conclusion se structure en deux parties : – le bilan ou la réponse à la problématique fait ressortir l’idée essentielle de votre synthèse : ici, la réaction inflammatoire vise à éliminer rapidement les agents pathogènes et fait intervenir des cellules immunitaires ainsi que des acteurs moléculaires. Les médicaments anti-inflammatoires réduisent les symptômes gênants de l’inflammation pour le patient sans empêcher le déroulement des mécanismes immunitaires. – l’ouverture vers un sujet voisin de celui étudié, qui peut se présenter sous forme d’une question. Ici, l’ouverture peut porter sur la poursuite possible de la réaction immunitaire, c’est-à-dire l’intervention de l’immunité adaptive. 4e étape : rédiger la réponse sur la copie Sur votre copie, rédigez directement l’introduction, le développement de la synthèse en y intégrant les schémas et la conclusion. Pour plus de clarté, vous pouvez structurer votre synthèse par des titres numérotés et mis en valeur. Vos schémas doivent être grands, clairs, en couleurs, légendés et accompagnés d’un titre. À la fin de votre travail, consacrez quelques minutes à relire votre synthèse pour vérifier sa cohérence et rectifier les maladresses dans l’expression ainsi que les fautes d’orthographe.

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Sujet 19 – Le corrigé

Question de synthèse

Introduction

Un camarade s’est blessé lors d’une chute. Après quelques jours sa plaie est rouge, gonflée et présente du pus. Son médecin, après avoir nettoyé la plaie, lui prescrit un anti-inflammatoire : un médicament qui réduit la réaction inflammatoire. La réaction inflammatoire est un mécanisme immunitaire qui se produit au lieu d’agression de l’organisme. Quels sont les mécanismes immunitaires et quel est l’intérêt de prescrire un anti-inflammatoire ? Dans une première partie, nous allons expliquer à notre camarade les mécanismes de la réaction inflammatoire, puis dans une seconde partie, nous lui expliquerons pourquoi le médecin lui a prescrit un anti-inflammatoire. 1. Les mécanismes de la réaction inflammatoire aiguë (ou RIA)

La chute s’accompagne de lésions cellulaires avec un risque élevé d’entrée de micro-organismes pathogènes dans l’organisme. Au niveau de la plaie, se met alors en place très rapidement une réaction immunitaire aiguë. a) Les symptômes stéréotypés de la réaction inflammatoire aiguë La réaction immunitaire aiguë se caractérise au niveau de la plaie par un gonflement, une rougeur, une douleur, une chaleur et une impotence fonctionnelle. b) Le recrutement des défenses innées lors de la RIA Des cellules immunitaires, comme par exemple les mastocytes et les cellules dentitriques, sont constamment présentes aux lieux d’entrée potentielle de micro-organismes dans l’organisme. De par leurs récepteurs présents à la surface de leur membrane plasmique, ces cellules immunitaires sont capables de reconnaître des molécules présentes sur la paroi de nombreuses espèces de bactéries par exemple. Cette reconnaissance entraîne la sécrétion par ces cellules immunitaires de molécules : les médiateurs chimiques de l’inflammation, comme l’histamine produite par les mastocytes. Il existe également d’autres médiateurs chimiques de l’inflammation d’origine plasmatique. Ces médiateurs chimiques de l’inflammation déclenchent une réaction inflammatoire aiguë. Ainsi l’histamine en augmentant la perméabilité de la paroi des vaisseaux sanguins entraîne une vasodilatation et un afflux local de plasma d’où la rougeur observée. De plus, les médiateurs chimiques de l’inflammation attirent sur le lieu de l’inflammation les cellules immunitaires sanguines, comme les granulocytes et les monocytes sanguins qui se différencient dans le tissu lésé en macrophages. c) L’action des cellules immunitaires lors de la RIA Les cellules immunitaires comme les granulocytes et les macrophages ainsi présents dans le tissu lésé réalisent la phagocytose, c’est-à-dire qu’ils ingèrent puis éliminent les agents infectieux. Dans le cas où cette première réponse immunitaire n’est pas suffisante pour éliminer les microorganismes pathogènes, interviennent d’autres cellules immunitaires, les cellules dendritiques présentes dans le tissu lésé. Ces cellules fixent sur leurs molécules membranaires du CMH (Complexe Majeur d’Histocompatibilité) des antigènes de l’élément infectieux. Ces cellules denditriques migrent alors jusqu’aux ganglions lymphatiques où elles vont présenter les antigènes liés aux 153

SVT

Le corrigé

molécules du CMH aux lymphocytes T. Les lymphocytes ainsi activés pourront prendre le relai et éliminer les agents pathogènes. Ainsi la réaction immunitaire aiguë est une réponse immunitaire locale, non spécifique de l’agent pathogène présent au niveau de la zone lésée. Elle se caractérise par des symptômes particuliers et vise à éliminer les micro-organismes présents et à amorcer si besoin la réponse immunitaire adaptative, qui est spécifique de l’agent pathogène. La réaction inflammatoire aigüe

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Sujet 19 – Le corrigé

2. L’intérêt de la prescription d’un anti-inflammatoire

Les médicaments anti-inflammatoires, comme l’aspirine, bloque la secrétion de certains médiateurs chimiques de l’inflammation. Ils permettent de limiter la vasodilation, la douleur ou la chaleur. Ainsi les anti-inflammatoires permettent de réduire certains symptômes de la réaction inflammatoire aiguë sans empêcher le déroulement des mécanismes immunitaires qui permettent de lutter contre les micro-organismes pathogènes et qui sont donc bénéfiques à l’organisme. Conclusion

Ainsi lors d’une chute, une réaction inflammatoire aiguë, non spécifique, se met en place rapidement. Elle se caractérise par des symptômes bien repérables et stéréotypés. En faisant intervenir des cellules immunitaires ainsi que des médiateurs chimiques, elle vise à éliminer les agents pathogènes présents sur les lésions cellulaires pour éviter leur pénétration dans l’organisme. Si nécessaire, la RIA déclenche l’activation de l’immunité adaptative spécifique des micro-organismes pathogènes, qui pourra intervenir par la suite. Les anti-inflammatoires permettent de réduire certains symptômes de l’inflammation sans diminuer l’efficacité de celle-ci. Quels sont alors les mécanismes immunitaires mis en jeu dans la réponse immunitaire adaptative ?

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Sujet 20, Asie, juin 2013

Partie 2, exercice 1 : Test ELISA de détection de l’hépatite B L’ESF (Établissement du Sang Français) cherche à savoir si le sang d’un donneur peut être utilisé pour une transfusion. Pour éviter une éventuelle contagion, on recherche entre autres si cet individu a été récemment en contact avec le virus de l’hépatite B. Pour cela, on cherche à identifier les anticorps spécifiques que l’organisme aurait pu produire en réponse à une infection, en réalisant un test ELISA. Réalisez le schéma d’interprétation des résultats des puits 1 et 2 en utilisant les symboles proposés dans le document 1a, puis dites si l’ESF peut utiliser le sang du donneur en justifiant votre préconisation. › Document 1a : Le test ELISA (Enzyme Linked ImmunoSorbent Assay) est un test immunologique destiné à détecter et/ou doser les anticorps dans un liquide biologique. Dans cette technique de dosage, les puits d’une microplaque sont tapissés avec une molécule spécifique du virus de l’hépatite B. La solution à tester est ensuite déposée dans les puits de la microplaque et si l’anticorps recherché est présent il va se lier à la molécule spécifique du virus. Un premier lavage est réalisé. Un deuxième anticorps, l’anticorps traceur, capable de se lier à l’anticorps recherché, est alors ajouté dans le puits. Un deuxième lavage permet d’éliminer les anticorps traceurs non fixés. L’anticorps traceur est couplé à une enzyme. On ajoute enfin une molécule incolore qui conduit à la formation d’un produit coloré si l’enzyme est présente. Molécules spécifiques du virus de l’hépatite B fixées au fond du puits d’une microplaque.

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Sujet 20 – Le sujet

Anticorps spécifique de la molécule spécifique du virus de l’hépatite B

Anticorps traceur, associé à l’enzyme E

Molécule incolore

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SVT

Le sujet

Produit coloré

› Document 1b :

1 : puits incolore correspondant au test du sang d’un individu non infecté 2 : puits coloré correspondant au test du sang d’un individu infecté par le virus de l’hépatite B 3 : puits coloré correspondant au test du sang de l’individu donneur à tester

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Sujet 20 – Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question Le sujet porte sur le test de détection dans le sang de différents individus d’anticorps dirigés contre le virus de l’hépatite B. Le test utilisé est un test immunologique de type ELISA. Dans un premier temps, il s’agit de schématiser les interactions moléculaires qui ont lieu dans le puits 1 de la plaque ELISA contenant le sang d’un individu non infecté et celles qui ont lieu dans le puits 2 de plaque ELISA contenant le sang d’un individu infecté par le virus de l’hépatite B. Dans un second temps, il faut décider si le donneur, dont le sang est testé dans le puits 3, peut donner ou non son sang en justifiant la réponse. La principale difficulté de l’exercice réside dans la compréhension du principe du test ELISA. ä Mobiliser ses connaissances Un anticorps se lie spécifiquement avec un antigène. Un anticorps peut fixer deux antigènes car il possède deux sites de fixation pour l’antigène. ä Procéder par étapes 1re étape : comprendre le principe du test ELISA Le document 1b présente les résultats du test ELISA : – présence de molécules incolores dans le puits 1, qui correspond au sang d’un individu non infecté par le virus de l’hépatite B ; – présence de produits colorés dans le puits 2, correspondant au sang d’un individu infecté par le virus de l’hépatite B. Les informations présentées par le document 1a montre que le sang de l’individu non infecté est placé en présence de molécules spécifiques du virus de l’hépatite B, fixées au fond du puits 1. Comme cet individu n’est pas infecté par le virus de l’hépatite B, son sang ne contient donc pas d’anticorps dirigés contre les molécules spécifiques du virus de l’hépatite B situées au fond du puits. Aucun anticorps de l’individu testé ne s’accroche donc au fond du puits et le premier lavage élimine les molécules du sang restantes. Puis on ajoute l’anticorps traceur couplé à une enzyme E. Cet anticorps traceur ne pouvant se fixer en absence d’anticorps présents dans le puits est éliminé par lavage. En absence de l’enzyme E, la molécule incolore ajoutée ne change pas de coloration. Dans le puits 2, on ajoute le sang de l’individu infecté par le virus de l’hépatite B, qui contient donc des anticorps dirigés contre les molécules spécifiques du virus de l’hépatite B fixées au fond du puits. Ces anticorps restent fixés aux antigènes lors du lavage. L’anticorps traceur couplé à l’enzyme E est ajouté et se fixe spécifiquement sur l’anticorps dirigé contre les antigènes de l’hépatite B. L’anticorps traceur ainsi fixé n’est donc pas éliminé par le lavage. La présence de l’enzyme E associée à l’anticorps traceur permet la formation du produit coloré à partir de la molécule incolore. 2e étape : schématiser les interactions moléculaires du test ELISA Sur la copie, vous représentez sous forme d’un schéma les interactions moléculaires du test ELISA qui ont lieu dans les puits 1 et 2. Pour cela, vous utilisez les symboles présentés dans le document 1a. Votre schéma doit être grand, clair, en couleurs et accompagné des légendes issues du document 1a et d’un titre. Aucune explication supplémentaire n’est demandée. 159

SVT

Le sujet Pas

à pas

3e étape : lire le résultat de l’individu donneur et préconiser de ne pas utiliser son sang Le puits 3 correspondant au test du sang de l’individu donneur montre la présence d’un produit coloré, traduisant la présence du virus de l’hépatite B : l’ESF ne peut donc pas utiliser le sang de cet individu pour le donner à des patients.

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Sujet 20 – Le corrigé

Schéma d’interprétation des résultats des puits 1 et 2 du test ELISA pour la détection de l’infection par le virus de l’hépatiteB

Le puits correspondant au test du sang de l’individu donneur montre la présence d’un produit coloré, comme dans le puits 2. L’individu donneur possède donc des anticorps dirigés contre le virus de l’hépatite B. On en déduit que l’individu donneur est infecté par le virus de l’hépatite B. La présence du virus de l’hépatite B chez cet individu empêche l’ESF d’utiliser ce sang pour le donner à des patients car l’individu donneur risque de transmettre le virus de l’hépatite B.

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Sujet 21, Amérique du Nord, mai 2013

Partie 2, exercice 1 : Expérience de Loewi sur la transmission synaptique Ce sujet permet d’utiliser les connaissances acquises sur la communication nerveuse et le fonctionnement des synapses. Aucune connaissance sur le fonctionnement cardiaque n’est nécessaire pour répondre au sujet. À partir de l’exploitation du document, répondre au QCM en cochant la bonne réponse. › Document : expérience de Loewl En 1921, Otto Loewi a réalisé une expérience célèbre sur le contrôle du cœur par le système nerveux. Il a prélevé les cœurs de deux grenouilles : – le cœur de la grenouille 1 est prélevé avec un des nerfs cardiaques ; – le cœur de la grenouille 2 est prélevé sans aucun nerf. Lorsque l’on prélève le cœur d’une grenouille, celui-ci peut continuer à battre plusieurs minutes lorsqu’il est placé dans un liquide convenable (automatisme cardiaque). Loewi a placé les deux cœurs dans 2 béchers, reliés entre eux. Le dispositif expérimental utilisé est conçu de manière à permettre au liquide baignant le cœur de la grenouille 1 d’être transféré au cœur de la grenouille 2. Au cours de l’expérience, il a stimulé électriquement le nerf associé au cœur de la grenouille 1 et a enregistré la fréquence cardiaque des deux cœurs : chaque contraction cardiaque est représentée sur l’enregistrement par une barre verticale. Les deux enregistrements sont réalisés en même temps.

D’après Cerveau et comportement par Bryan Kolb, lan Q. Whisham De Boeck Universite 162

Sujet 21 – Le sujet

QCM

À partir des informations extraites du document, cocher la bonne réponse pour chaque série de propositions 1 La stimulation du nerf cardiaque du cœur 1 entraîne :  un ralentissement de la fréquence cardiaque du cœur 1.  une augmentation de la fréquence cardiaque du cœur 1.  aucune modification de la fréquence cardiaque du cœur 1.  une augmentation de la fréquence cardiaque du cœur 2. 2 La stimulation du nerf cardiaque du cœur 1 entraîne :  aucune modification de la fréquence cardiaque du cœur 2, le cœur 2 étant isolé du stimulateur.  un ralentissement de la fréquence cardiaque du cœur 2 provoqué directement par le nerf cardiaque.  un ralentissement de la fréquence cardiaque du cœur 2 provoqué indirectement par le liquide.  une accélération de la fréquence cardiaque du cœur 2 provoquée indirectement par le liquide. 3 Le liquide baignant les cœurs propage l’information :  en transmettant des potentiels d’action issus des neurones du nerf cardiaque.  en transmettant des molécules d’eau du liquide.  en transmettant des molécules libérées par les fibres nerveuses du nerf cardiaque.  en transmettant des molécules libérées par le cœur de la grenouille 2. 4 Ces expériences ont montré la nature de la transmission du message nerveux au niveau des synapses :  la transmission s’effectue par un mécanisme de nature électrique.  la transmission s’effectue par libération de molécules appelées neurotransmetteurs.  la transmission s’effectue par libération de molécules d’eau.  la transmission s’effectue par libération de cellules nerveuses.

163

SVT

Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question Il s’agit de répondre aux quatre questions d’un QCM qui porte sur l’expérience de Loewi, dont le but est de comprendre le contrôle nerveux du rythme cardiaque et de mettre en évidence les neurotransmetteurs, molécules secrétées par les fibres nerveuses et ayant une action ici sur le muscle cardiaque. Dans le QCM parmi les quatre réponses proposées, une seule est correcte et aucune justification n’est attendue. Aucune connaissance sur le fonctionnement du cœur n’est nécessaire. La difficulté principale du sujet réside dans la compréhension de l’expérience de Loewi et de ses résultats. ä Mobiliser ses connaissances Une synapse neuromusculaire est la zone de jonction entre un neurone et une cellule musculaire, où la transmission du message nerveux s’effectue par l’intermédiaire de molécules, des neurotransmetteurs. Un neurotransmetteur est une molécule informative libérée par le neurone présynaptique dans la fente synaptique qui se fixe sur des récepteurs de l’élément postynapstique, ici la cellule musculaire, et qui déclenche sa contraction. ä Procéder par étapes 1re étape : bien lire le sujet Il s’agit de prendre connaissance du sujet, y compris de la phrase d’introduction qui permet d’orienter rapidement les réponses au QCM sur la notion de synapse. 2e étape : comprendre l’expérience et identifier les résultats Dans l’expérience de Loewi, le cœur 1, relié à un nerf, est placé dans un bécher rempli d’un liquide. Ce liquide passe dans un autre bécher où est placé le cœur 2 totalement dénervé. Les cœurs isolés conservent la capacité de se contracter et on enregistre la fréquence des battements de chaque cœur. Le nerf cardiaque relié au cœur 1 est stimulé électriquement : sur l’enregistrement du cœur 1, on observe alors un ralentissement de la fréquence cardiaque. Presque au même moment, le cœur 2 dénervé présente lui aussi une baisse de sa fréquence cardiaque. 3e étape : conclure quant à l’expérience de Loewi Les deux cœurs ne sont reliés que par le liquide qui les baigne. La stimulation du nerf cardiaque relié au cœur 1 est responsable de la libération de molécules solubles dans le liquide et appelées neurotransmetteurs, qui entraînent le ralentissement de l’activité de deux cœurs.

164

Sujet 21 – Le corrigé

1 La stimulation du nerf cardiaque du cœur 1 entraîne : un ralentissement de la fréquence cardiaque du cœur 1. Les enregistrements montrent que la stimulation du nerf cardiaque du cœur 1 entraîne : un ralentissement de la fréquence des cœurs 1 et 2. 2 La stimulation du nerf cardiaque du cœur 1 entraîne : un ralentissement de la fréquence cardiaque du cœur 2 provoqué indirectement par le liquide. Le cœur 2 n’est relié à aucun nerf cardiaque mais baigne dans un liquide qui est également au contact du cœur 1. La stimulation du nerf cardiaque du cœur 1 entraîne un ralentissement de la fréquence cardiaque du cœur 2 et l’information à l’origine de ce ralentissement passe par le liquide, seul élément reliant les deux cœurs. 3 Le liquide baignant les cœurs propage l’information : en transmettant des molécules libérées par les fibres nerveuses du nerf cardiaque. Seul le liquide relie les deux cœurs : il contient donc des molécules libérées par les fibres nerveuses du nerf cardiaque stimulé et qui ont pour action de ralentir l’activité cardiaque. 4 Ces expériences ont montré la nature de la transmission du message nerveux au niveau des synapses : la transmission s’effectue par libération de molécules appelées neurotransmetteurs. Au niveau de la synapse, il y a libération de molécules informatives, les neurotransmetteurs, capables de ralentir la contraction du muscle cardiaque.

165

Sujet 22, Sujet national, juin 2013

Partie 2, exercice 2 : Mode d’action du Botox® Les toxines botuliques sont à l’origine d’une maladie grave et mortelle appelée botulisme. Elles sont cependant très utilisées par toutes celles et ceux qui veulent gommer les traces du vieillissement en réalisant régulièrement des injections de Botox®. Expliquer comment les toxines botuliques agissent et comment ces molécules toxiques peuvent également être utilisées à des fins médicales. La réponse s’appuiera sur l’exploitation du dossier documentaire et sur l’utilisation des connaissances. Elle sera accompagnée d’un schéma du fonctionnement de la synapse neuromusculaire sur lequel sera localisé le lieu d’action du Botox®. › Document 1 : le botulisme Le botulisme est une maladie rare et grave, due à des neurotoxines bactériennes appelées toxines botuliques, provoquant des paralysies. Ces neurotoxines sont produites par des bactéries appartenant au genre Clostridium. Le botulisme est principalement d’origine alimentaire et survient lorsque Clostridium botulinum se multiplie et produit les toxines dans des aliments qui ont été insuffisamment cuits pour les inactiver. Cette bactérie se multiplie le plus souvent dans des aliments qui n’ont pas subi un processus poussé de conservation : poissons ou produits carnés fermentés, salés ou fumés, conserves réalisées à la maison et insuffisamment stérilisées. Il arrive que des produits du commerce soient également impliqués. La maladie concerne l’ensemble des muscles ; elle débute avec une faiblesse au niveau du cou et des bras (paralysie flasque), avant de toucher les muscles respiratoires et ceux du bas du corps. La paralysie peut rendre la respiration difficile et provoquer la mort. D’après site de l’OMS http ://www. who.int/mediacentre/factsheets/fs270/fr/ .

166

Sujet 22 – Le sujet

› Document 2 : la synapse neuromusculaire Électronographie d’une synapse neuromusculaire sans stimulation présynaptique

Électronographie d’une synapse neuromusculaire avec stimulation présynaptique

D’après Pour la Science et http ://www.ac-nancy-metz.fr/enseiqn/svt/program/fichacti/fich1s/synapse/Index.htm

167

SVT

Le sujet

› Document 3 : le déroulement de l’exocytose et le mode d’action des toxines botuliques L’exocytose est le processus de fusion des vésicules synaptiques avec la membrane plasmique de l’élément présynaptique, permettant la libération des molécules de neuromédiateurs dans la fente synaptique. Cette fusion fait intervenir 3 protéines : la synaptobrévine, la syntaxine et la protéine SNAP. Ces 3 protéines interagissent et s’accrochent les unes aux autres, ce qui permet la fusion de la vésicule avec la membrane plasmique présynaptique et la libération de neuromédiateurs dans la fente synaptique. Schéma de l’ancrage d’une vésicule d’exocytose

Parmi les 7 types de neurotoxines connues, seuls 4 types de neurotoxines sont la cause du botulisme chez l’homme : les neurotoxines A, B, E et F. Ces neurotoxines sont des enzymes (protéases) qui agissent sur le mécanisme de l’exocytose en coupant certaines protéines à différents niveaux. Schéma des lieux et mode d’action des toxines botuliques

D’après Physiologie médicale par William Ganong De Boeck Université et http ://www.cdc.gov/ncidod/EID/vol11no10/04-1279.htm

168

Sujet 22 – Le sujet

› Document 4 : les principales indications du Botox® Le Botox® contient la toxine botulique de type A sous forme de molécule protéique purifiée. Indications fréquentes du Botox® La contraction incessante des muscles du visage leur fait acquérir, avec le temps, une hypertonicité, qui combinée à la perte d’élasticité de la peau, entraine la formation de rides d’expression. Elles sont principalement présentes sur le haut du visage : rides du front et rides de la patte d’oie. En supprimant cette hypertonicité musculaire, le Botox® efface les rides. Le traitement consiste en une série d’injections réalisées à l’aide d’une aiguille fine dans les muscles responsables des rides d’expression. Chaque flacon de Botox® contient une faible quantité de toxine botulique. On injecte au niveau de chaque ride une dose de Botox® en ne dépassant pas 50 doses par séance pour l’ensemble du visage. Il n’y a aucun risque de provoquer le botulisme car il faudrait au moins 1000 fois cette dose, on est donc très loin du risque de la toxine poison qui peut être ingérée par exemple lors d’une intoxication alimentaire Les effets apparaissent dès le 2ème jour, se stabilisent en une quinzaine de jours et durent de 4 à 6 mois, selon les individus. Autres indications du Botox® Aujourd’hui, le Botox® trouve de nombreuses indications en médecine comme par exemple le traitement du blépharospasme (battements incontrôlés des paupières) ou de la dystonie cervicale (contractions musculaires involontaires dans le cou). D’après www.futura-sciences.com.

Une nouvelle indication pour la toxine botulique de type A, autorisée par l’Agence Française de Sécurité Sanitaire des Produits de Santé (AFSSAPS) en septembre 2011 Les patients souffrant d’incontinence 1 urinaire d’origine neurologique, provoquant des contractions involontaires des muscles de la vessie, peuvent être traités par des injections ciblées de Botox®. Ces injections ont permis une réduction de la fréquence des contractions involontaires de la vessie et donc une diminution de l’incontinence. D’après afsep.fr .

1. Incontinence : correspond à l’absence de contrôle volontaire de l’émission d’urine.

169

SVT

Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question La question comporte deux parties : il s’agit d’abord de préciser le mode d’action des toxines botuliques, toxines bactériennes responsables d’une maladie grave, le botulisme, puis d’expliquer comment ces toxines botuliques, contenues dans le Botox®, peuvent être utilisées en médecine. La réponse attendue est l’exploitation structurée des documents, mise en relation avec les connaissances. L’énoncé exige la présence d’un schéma permettant de répondre aux deux parties de la question, c’est-à-dire mettant en évidence le fonctionnement de la synapse neuromusculaire et localisant l’action du Botox®. Cet exercice ne présente pas de difficultés particulières mais il faut veiller à utiliser d’abord les informations issues des documents puis après seulement les informations provenant de vos connaissances. ä Mobiliser ses connaissances La synapse neuromusculaire est la zone de jonction entre le neurone présynaptique et la cellule musculaire postsynaptique. La propagation de messages nerveux dans le neurone présynaptique sous forme de potentiels d’action déclenche la fusion des vésicules présynaptiques avec la membrane plasmique du neurone ou exocytose. Les vésicules libèrent alors leur contenu en neuromédiateurs, l’acétylcholine, dans la fente synaptique. L’acétylcholine se fixe sur des récepteurs spécifiques situés sur la membrane de la cellule musculaire postsynaptique. Cette fixation déclenche la formation de potentiels d’action musculaire, entraînant la contraction de la cellule musculaire. ä Procéder par étapes 1re étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique Après avoir identifié les deux parties du problème posé, il s’agit de prendre connaissance des documents dans l’ordre fourni par l’énoncé et d’en extraire les éléments scientifiques permettant de résoudre ce problème. Le travail directement sur les documents en utilisant un surligneur pour sélectionner les informations importantes est recommandé dans cette étape. Le document 1 présente le botulisme en précisant l’origine de la maladie, à savoir l’existence de neurotoxines botuliques synthétisées par des bactéries du genre Clostridium présentes dans des aliments mal conservés. Le document 2 présente des photographies prises au microscope électronique d’une synapse neuromusculaire. Les deux photographies précisent la structure de la synapse neuromusculaire et son fonctionnement. On observe que la présence d’un message nerveux présynaptique déclenche l’exocytose des vésicules présynaptiques. Le document 3 apporte des informations nouvelles sur les mécanismes moléculaires de l’exocytose en présentant les protéines impliquées dans le ciblage des vésicules présynaptiques à la membrane plasmique du neurone. Puis, le document explique le mode d’action des toxines botuliques : ces toxines sont des enzymes coupant les protéines impliquées dans l’exocytose.

170

Sujet 22 – Le sujet Pas

à pas

En absence de l’exocytose des vésicules présynaptiques, le message nerveux ne franchit pas la synapse, donc le muscle ne reçoit pas l’ordre de se contracter : il y a paralysie musculaire. Enfin, le document 4 présente les principales indications du Botox® dans le domaine médical, en précisant que les très faibles doses utilisées ne présentent aucune toxicité. 2e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents et les connaissances Il s’agit de construire une démarche structurée répondant aux problèmes posés. La démarche est facilitée ici car l’ordre de présentation des documents correspond à celui de leur exploitation. Les connaissances nécessaires sont à intégrer à la démarche. Le tableau suivant présente une démarche possible, construite au brouillon. Parties du problème Introduction : quel est le mode d’action des toxines botuliques et comment ces toxines peuvent-elle être utilisées en médecine ? Quel est le mode d’action des toxines botuliques ?

Comment ces toxines botuliques sont-elles être utilisées en médecine ?

Eléments issus des documents

Document 1 : Origine du botulisme. Action des toxines botuliques sur l’organisme. Document 2 : Structure et fonctionnement de la synapse neuromusculaire : exocytose des vésicules présynaptiques. Document 3 : Mécanismes moléculaires de l’exocytose (synaptobrévine, protéine SNAP, syntaxine). Mode d’action des toxines botuliques : coupure de la synaptobrévine ou de la protéine SNAP, empêchant l’exocytose. Document 4 : Indications du Botox. Absence de toxicité des doses utilisées en médecine.

Schéma-bilan : fonctionnement d’une synapse neuromusculaire et action du Botox Conclusion

171

Eléments issus des connaissances

Les vésicules libèrent leurs neuromédiateurs, ici l’acétylcholine, dans la fente synaptique. L’acétylcholine se fixe sur des récepteurs spécifiques situés sur la membrane de la cellule musculaire postsynaptique, déclenchant la formation de potentiels d’action musculaire, d’où la contraction de la cellule musculaire.

SVT

Le sujet Pas

à pas

3e étape : rédiger la réponse sur la copie La réponse doit contenir une introduction présentant les problèmes posés par l’énoncé. Puis, il s’agit de traiter le sujet sous forme d’un texte structuré en différents paragraphes. Vous devez utiliser les informations issues des documents en précisant leur origine, par exemple en mettant les numéros des documents entre parenthèses et en intégrant des connaissances quand cela est nécessaire. L’essentiel est que la démarche suivie soit rigoureuse et mette en évidence votre compréhension du sujet. Votre réponse doit contenir un schéma montrant le fonctionnement de la synapse neuromusculaire. Pour réaliser ce schéma, vous pouvez vous aider de la première électronographie du document 2. Il faut également faire figurer le lieu d’action du Botox® sur cette synapse, au niveau de l’exocytose des vésicules présynaptiques. Ce schéma doit être grand, clair, aéré, en couleurs, correctement légendé et accompagné d’un titre approprié. Enfin, votre réponse terminera par une conclusion qui résumera votre réponse aux deux parties du problème : les toxines botuliques inhibent l’exocytose des vésicules présynaptiques empêchant ainsi la transmission du message nerveux au muscle, d’où sa paralysie et le Botox® contient des toxines botuliques en très faibles doses, à l’origine d’une paralysie localisée sans risque de toxicité.

172

Sujet 22 – Le corrigé

Les toxines botuliques peuvent être à l’origine d’une maladie grave et mortelle, le botulisme, mais elles sont également utilisées dans des buts médicaux et esthétiques. Quel est le mode d’action des toxines botuliques et comment ces toxines peuvent-elle être utilisées en médecine ? Des bactéries du genre Clostridium peuvent se développer sur certains aliments mal conservés. Ces bactéries synthétisent des toxines botuliques, capables de provoquer des paralysies des muscles. L’individu ingérant ces aliments infectés peut être atteint de botulisme. Il s’agit d’une maladie grave car les muscles respiratoires peuvent être paralysés sous l’action des toxines botuliques, causant alors le décès du patient (document 1). Comment l’action des toxines botuliques entraîneelle la paralysie des muscles ? Les muscles sont au contact des neurones moteurs qui les commandent par l’intermédiaire de synapses neuromusculaires. La synapse neuromusculaire est constituée de l’extrémité présynaptique du neurone, de la fente synaptique, et de l’extrémité postsynaptique de la cellule musculaire. L’observation au microscope électronique d’une synapse neuromusculaire montre l’existence de nombreuses vésicules au niveau de l’extrémité présynaptique du neurone. Ces vésicules contiennent un neuromédiateur, l’acétylcholine (document 2). En présence d’une stimulation présynaptique, un message nerveux sous forme de potentiels d’action se propage dans le neurone présynaptique. Au niveau de la membrane plasmique du neurone présynaptique située du côté de la fente synaptique, on observe l’exocytose des vésicules, c’està-dire la fusion de la membrane des vésicules et de la membrane plasmique du neurone (document 2). Le neuromédiateur, l’acétylcholine, est alors libéré dans la fente synaptique et se fixe sur des récepteurs spécifiques situés sur la membrane de la cellule musculaire postsynaptique. Cette fixation déclenche la formation de potentiels d’action musculaire, entraînant la contraction de la cellule musculaire. Quels sont les mécanismes de la fusion des vésicules présynaptiques avec la membrane plasmique du neurone présynaptique ? La fusion des vésicules présynaptiques avec la membrane du neurone nécessite l’interaction entre une protéine de la membrane de la vésicule, la synaptobrévine, et deux protéines de la membrane plasmique du neurone, la protéine SNAP et la syntaxine (document 3). Or, parmi les toxines responsables du botulisme chez l’homme, les neurotoxines B et F sont des protéases, c’est-à-dire des enzymes capables de couper la synaptobrévine en différents endroits. La synaptobrévine ainsi clivée n’interagit plus avec les autres protéines et l’exocytose n’a pas lieu (document 3). Les neurotoxines A et E coupent la protéine SNAP en différents endroits. La protéine SNAP clivée ne se lie plus avec la synaptobrévine empêchant ainsi l’exocytose (document 3). Les toxines botuliques empêchent donc l’exocytose des vésicules présynaptiques, rendant impossible la transmission du message nerveux au muscle, qui ne se contracte plus, d’où sa paralysie. Mais comment expliquer que les neurotoxines botuliques soient utilisées à des fins médicales ? 173

SVT

Le corrigé

Le Botox® contient la toxine botulique A qui empêche l’accrochage entre la synaptobrévine et la protéine SNAP. Le Botox® est utilisé dans plusieurs indications (document 4) : – effacement des rides du visage car le Botox® supprime l’hypertonicité musculaire en limitant la contraction des muscles, – traitement du blépharospasme (battements incontrôlés des paupières), – traitement de la dystonie cervicale (contractions musculaires involontaires dans le cou), – incontinence urinaire d’origine neurologique (due des contractions involontaires des muscles de la vessie) Pour chaque indication, l’action paralysante de la toxine botulique sur les muscles est responsable des effets recherchés. Mais les doses injectées contiennent une très faible quantité de toxines botuliques : ces doses sont inférieures de 1 000 fois à la dose toxique. Il n’y a donc aucun risque de toxicité. Schéma-bilan : fonctionnement d’une synapse neuromusculaire et action du Botox®

174

Sujet 22 – Le corrigé

Ainsi, les toxines botuliques inhibent au niveau de la synapse neuromusculaire l’exocytose des vésicules présynaptiques, empêchant ainsi la transmission du message nerveux au muscle. Le muscle ne se contracte plus, d’où sa paralysie. Dans les indications médicales et esthétiques du Botox®, cette paralysie musculaire entraînée par les toxines botuliques est recherchée, sans présenter de risque de toxicité.

175

Sujet 23, Liban, mai 2013

Partie 2, exercice 2 : Métabolisme musculaire et entraînement des sportifs Un entraînement de longue durée (course pendant 21 semaines à raison de 5 séances par semaine) peut être à l’origine, chez les sportifs, d’une modification du métabolisme des cellules musculaires. À partir de l’exploitation des documents et de l’utilisation des connaissances, montrer que le métabolisme musculaire est modifié par l’entraînement puis, expliquer en quoi ces modifications permettent des contractions musculaires plus intenses et de plus longue durée. › Document 1 : quantité de mitochondries dans les cellules musculaires Les mitochondries sont des organites présents dans les cellules musculaires. Elles permettent la synthèse d’ATP par oxydation des métabolites. Un entraînement de 21 semaines à raison de 5 séances par semaine permet d’observer dans les cellules musculaires : – une augmentation du nombre de mitochondries de 120 % ; – une augmentation de 14 à 40 % de la taille des mitochondries. D’après www.jap.physiology.org .

› Document 2 : entraînement et activité enzymatique Des mesures de l’activité des enzymes du cycle de Krebs sont réalisées à partir d’extraits de muscles prélevés chez différents sportifs avant et après entraînement.

D’après physiperf.fr 180

Sujet 23 – Le sujet

› Document 3 : entraînement et réserves de métabolites Le glycogène est une forme de stockage du glucose. Le tableau ci-dessous présente les réserves en glycogène musculaire chez une personne non entraînée et chez une personne entraînée. Personne non entraînée Personne entraînée

Réserves en glycogène musculaire 13 à 15 g/kg de muscle 15.5 à 17,5 g/kg de muscle D’après www.jap.physiology.org .

› Document 4 : entraînement et conditions de production d’acide lactique D’autres processus permettent la synthèse d’ATP dans les fibres musculaires comme par exemple la fermentation lactique. Cette fermentation génère la synthèse de lactates qui s’accumulent dans les fibres musculaires et le sang. Ces lactates pourraient être à l’origine d’une fatigue musculaire. Variation de la quantité de lactate en fonction de la vitesse de course chez un individu entraîné et chez un individu non entraîné

D’après www.staps.uhp-nancy.fr

181

Le sujet Pas

SVT

à pas

ä Comprendre la question Le sujet porte sur les modifications du métabolisme des cellules musculaires suite à un entraînement poussé. Il s’agit d’abord de montrer que l’entraînement modifie le métabolisme puis d’établir que ces modifications permettent des contractions plus intenses et plus longues. La réponse attendue est l’exploitation structurée des documents, mise en relation avec les connaissances. Le sujet ne fait appel qu’à quelques connaissances sur le métabolisme des cellules musculaires et ne présente pas de difficulté particulière. ä Mobiliser ses connaissances Le glucose est stocké dans les cellules musculaires sous forme de glycogène. Les mitochondries sont les organites réalisant la respiration cellulaire. Le cycle de Krebs a lieu dans la matrice de la mitochondrie et permet la décarboxylation du pyruvate issu du glucose lors de la respiration. Le lactate est produit lors de la fermentation anaérobie du pyruvate dans le cytoplasme des cellules musculaires. ä Procéder par étapes 1re étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique Après avoir identifié les deux parties du problème posé, il s’agit de prendre connaissance des documents dans l’ordre fourni par l’énoncé et d’en extraire les éléments scientifiques permettant de résoudre le problème. Le travail directement sur les documents à l’aide un surligneur pour sélectionner les informations importantes est recommandé dans cette étape. Le document 1 montre que l’entraînement augmente la quantité et la taille des mitochondries présentes dans les cellules musculaires. Le document 2 montre que l’entraînement augmente l’activité des enzymes du cycle de Krebs. Le document 3 met en évidence que la quantité de glycogène stockée dans les cellules musculaires augmente avec l’entraînement. Enfin, le document 4 montre que le lactate, produit lors de la fermentation lactique dans les cellules musculaires, s’accumule plus faiblement sous l’effet de l’entraînement, générant sans doute une moindre fatigue musculaire. 2e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents et les connaissances Il s’agit de construire une démarche structurée répondant à la problématique, à partir des informations issues des documents et de vos connaissances. Ici, plusieurs ordres d’utilisation des documents sont possibles. Le tableau suivant présente un exemple de démarche possible, structurée au brouillon. 182

Sujet 23 – Le sujet Pas

Parties du problème Introduction : comment l’entraînement modifie-t-il le métabolisme musculaire et comment augmente-il l’intensité et la durée des contractions musculaires ? Comment l’entraînement modifie-t-il le métabolisme musculaire ?

Comment l’entraînement augmente-il l’intensité et la durée des contractions musculaires ?

à pas

Documents

Connaissances

Document 3 : L’entraînement augmente les réserves de glucose, sous forme de glycogène, dans les cellules musculaires. Document 1 : L’entraînement augmente le nombre et la taille des mitochondries. Document 2 : L’entraînement augmente l’activité des enzymes du cycle de Krebs. Document 4 : L’entraînement limite l’accumulation de lactate dans les cellules musculaires et le sang. Après entraînement, les contractions musculaires sont plus longues et plus intenses car : Document 3 : La réserve en glucose, sous forme de glycogène, est plus élevée. Documents 1 et 2 : La respiration est plus intense car les mitochondries sont plus nombreuses et de plus grande taille et l’activité des enzymes du cycle de Krebs est augmentée. Document 4 : L’accumulation de lactate dans les cellules musculaires est limitée, réduisant la fatigue musculaire.

Le glucose est stocké dans les cellules musculaires sous forme de glycogène. Les mitochondries sont les organites réalisant la respiration cellulaire. Le cycle de Krebs a lieu dans la matrice de la mitochondrie et permet lors de la respiration la décarboxylation du pyruvate issu du glucose. Le lactate est produit lors de la fermentation anaérobie du pyruvate dans les cellules musculaires.

Conclusion

183

SVT

Le sujet Pas

à pas

3e étape : rédiger la réponse sur la copie La réponse doit contenir une introduction présentant le problème posé en s’aidant de l’énoncé. Puis, il s’agit de traiter le sujet sous forme d’un texte organisé en paragraphes successifs. Vous devez utiliser les informations extraites des documents en précisant leur origine (par exemple en mettant le numéros des documents entre parenthèses) et en intégrant vos connaissances quand cela est nécessaire. Pensez à justifier vos propos avec des données chiffrées issues des documents. L’essentiel est que le raisonnement soit rigoureux. Enfin votre devoir terminera par une conclusion présentant votre réponse à la problématique.

184

Sujet 23 – Le corrigé

Chez un sportif, l’entraînement permet l’amélioration de ses performances sportives. Comment l’entraînement modifie-t-il le métabolisme musculaire et comment augmente-il l’intensité et la durée des contractions musculaires ? L’individu entraîné possède une quantité de glycogène (forme de réserve du glucose), de 15,5 g à 17,5 g par kg de muscle, ce qui est supérieur à la réserve de glycogène d’un individu non entraîné (13 g à 15 g par kg de muscle) (document 3). L’entraînement favorise donc la formation de glycogène dans le muscle, réserve de glucose utilisable lors de l’exercice physique. Un entraînement long et intense permet d’augmenter à la fois le nombre de mitochondries (+ 120 %) des cellules musculaires mais aussi leur taille (+ 14 à 40 %) (document 1). Les mitochondries sont les organites réalisant la respiration cellulaire. Après 21 semaines d’entraînement, l’activité des enzymes du cycle de Krebs est multipliée par 2,2 et elle décroit quelques semaines après l’arrêt de l’entraînement pour revenir à son niveau initial d’avant l’entraînement (document 2). L’entraînement active donc le cycle de Krebs, qui permet la décarboxylation du pyruvate issu du glucose et a lieu dans la matrice de la mitochondrie lors de la respiration. Enfin, un individu entraîné accumule moins de lactate dans ses fibres musculaires et son sang qu’un individu entraîné pour un même effort physique. Ainsi, à 20 km/h, un individu entraîné accumule 7 mmol/L de lactate comparé à 17 mmol/L pour un individu non entraîné (document 4). Le lactate, produit de la fermentation anaérobie du pyruvate dans les cellules musculaires, serait à l’origine d’une fatigue musculaire. Ainsi, l’individu entraîné se fatiguerait moins vite qu’un individu non entraîné et réalise une meilleure performance : l’individu entraîné est capable de courir jusqu’à 24 km/h tandis que l’individu non entraîné ne dépasse pas la vitesse de 20 km/h (document 4). L’entraînement intense et prolongé augmente donc le stockage de glucose sous forme de glycogène dans les muscles, stimule l’activité respiratoire et limite l’accumulation du lactate issu de la fermentation. L’entraînement modifie ainsi de manière importante le métabolisme des cellules musculaires. Comment l’entraînement permet-il la réalisation de contractions musculaires plus intenses et plus longues ? L’entraînement favorise le stockage du glucose sous forme de glycogène dans les cellules musculaires (document 3). Or le glucose est le substrat énergétique des cellules musculaires donc l’augmentation des réserves glucidiques de ces cellules permet la réalisation de contractions musculaires plus intenses et plus longues. Le glucose est le substrat énergétique de la cellule musculaire : il est transformé en pyruvate dans le cytoplasme de la cellule, puis peut subir une oxydation incomplète dans le cytoplasme. Il s’agit de la fermentation lactique, qui génère des déchets métaboliques : le lactate, qui serait à l’origine d’une fatigue musculaire. Or, l’entraînement réduit la quantité de lactate accumulée dans les muscles et présente dans le sang (document 4). Les cellules musculaires d’un individu entraîné peuvent donc se contracter plus intensément et plus longtemps car elles produisent moins de lactate, ce qui réduirait la fatigue musculaire. L’entraînement est responsable d’une augmentation de la taille et du nombre de mitochondries (document 1). De plus, l’entraînement est à l’origine d’une augmentation de l’activité des enzymes 185

SVT

Le corrigé

du cycle de Krebs, qui a lieu dans la matrice de la mitochondrie (document 2). La mitochondrie est l’organite réalisant la respiration, c’est-à-dire la dégradation complète du pyruvate permettant la synthèse d’énergie directement utilisable par la cellule sous forme d’ATP. L’augmentation de la capacité respiratoire des cellules musculaires, due à l’entraînement, permet une plus forte production d’ATP, d’où des contractions musculaires plus longues et plus intenses. Ainsi, l’entraînement modifie le métabolisme des cellules musculaires en augmentant le stockage du glucose, l’intensité de la respiration et de la fermentation lactique, permettant ainsi d’allonger et d’intensifier les contractions musculaires autorisant un effort physique accru.

186

Sujet 24, Sujet national, juin 2013

Partie 2, exercice 2 : La limace « solaire » Elysia chlorotica est un mollusque vivant le long de la côte atlantique nord-américaine. Dénué de coquille, son corps arbore une couleur verte identique à celle des algues parmi lesquelles il se camoufle. À partir de l’exploitation des documents et de la mise en relation avec les connaissances, expliquer le fait que cet animal ne prenne qu’un seul repas en quelques mois. › Document 1 : électronographie d’une portion de cellule intestinale d’Elysia chlorotica

D’après ”mollusk/algal symbiosis : Zoology 2001” › Document 2 : les échanges de dioxygène d’Elysia adulte en fonction de l’intensité lumineuse Les chercheurs ont quantifié les échanges de dioxygène des individus adultes (âge : 6 à 7 mois) avec leur environnement, en fonction de l’intensité lumineuse à laquelle ont été soumis les animaux. Le tableau indique les résultats obtenus : « + » = dégagement de dioxygène « - » - absorption de dioxygène Intensité des échanges d’O2 microlitres d’O2 par mg de chlorophylle et par heure

Intensité lumineuse (en % de l’intensité maximale) 100 % + 17

50 % + 12

25 % +6

10 % + 0,5

0% -7

D’après Acces.ens-lyon.fr/evolution. 187

SVT

Le sujet

› Document 3 : le cycle de vie d’Elysia A leur naissance, les jeunes limaces sont brunes. Puis elles consomment l’algue Vaucheria litorea, et leur corps change de couleur, virant progressivement au vert, couleur qu’elles garderont toute leur vie. Parallèlement, un phénomène accompagne cette transformation : une fois ce repas terminé, elles peuvent rester plusieurs semaines, voire plusieurs mois, sans manger de nouveau.

D’après Rumpho ME et al. J Exp Biol 2011 ;214 :303-311

188

Sujet 24 – Le sujet

› Document 4 : les échanges de dioxygène d’Elysia au cours de leur vie Les chercheurs ont étudié les échanges d’O2 des mollusques durant leur vie. Il s’agit d’animaux élevés dans une eau de mer artificielle et soumis à un jeûne (pas d’apport de filaments d’algues) à partir d’une quinzaine de jours après leur premier repas. Ces échanges ont été mesurés en plein éclairement d’une part (bilan photosynthèse/respiration) et à l’obscurité d’autre part (respiration seule). Le document présente les résultats obtenus.

D’après Acces.ens-lyon.fr/evolution

189

SVT

Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question La question porte sur un mollusque de bord de mer, Elysia, qui a la capacité étonnante de se satisfaire d’un seul repas d’algues pendant plusieurs semaines voire plusieurs mois. Le but de l’exercice est d’expliquer cette capacité en comprenant comment Elysia réussit à obtenir de la matière organique. La réponse attendue est l’exploitation structurée des documents, mise en relation avec vos connaissances. Ce sujet ne nécessite que quelques connaissances sur la respiration et la photosynthèse. Sa principale difficulté réside dans la mise en relation des documents et la construction du raisonnement. ä Mobiliser ses connaissances La photosynthèse, qui a lieu à la lumière dans les chloroplastes, produit de l’O2 et permet la synthèse de matières organiques comme le glucose. Dans les mitochondries, la respiration cellulaire utilise du glucose et du O2 et permet la production d’énergie utilisable pour les activités cellulaires. ä Procéder par étapes 1re étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique Après avoir identifié le problème posé à partir de la lecture de l’énoncé, il s’agit de prendre connaissance des documents dans l’ordre de l’énoncé et d’en extraire les éléments scientifiques permettant de résoudre le problème. Le travail directement sur les documents en utilisant un surligneur pour sélectionner les informations importantes est particulièrement efficace dans cette première étape. Le document 1 présente l’électronographie d’une partie de cellule intestinale d’Elysia, qui présente des chloroplastes et des mitochondries dans son cytoplasme. Le document 2 présente les échanges d’O2 d’Elysia en fonction de l’intensité lumineuse. À l’obscurité, Elysia consomme du O2 . À la lumière, Elysia libère du O2 , et ce d’autant plus que l’intensité lumineuse est forte. Le document 3 présente le cycle de vie d’Elysia : à partir d’un œuf incolore naît une jeune limace brune qui vit sur une algue verte Vaucheria. Après son premier repas de Vaucheria, Elysia devient verte et peut rester sans manger pendant plusieurs semaines ou plusieurs mois. Puis, Elysia devient adulte vers six à sept mois. Enfin, le document 4 présente les échanges d’O2 d’Elysia au cours de sa vie. Ces échanges d’O2 traduisent l’intensité de la photosynthèse et de la respiration. Du 2e au 5e mois, la photosynthèse d’Elysia est plus intense que sa respiration tandis qu’au 6e et au 7e mois, les intensités de la photosynthèse et de respiration sont similaires. 2e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents et les connaissances Il s’agit d’élaborer une démarche structurée basée sur un raisonnement rigoureux. Les documents sont à utiliser selon le raisonnement choisi et non selon l’ordre de l’énoncé. Vos connaissances sont alors à intégrer au raisonnement quand cela est nécessaire. Le tableau suivant présente un exemple de raisonnement construit au brouillon. 190

Sujet 24 – Le sujet Pas

Parties du problème Introduction : comment expliquer la capacité d’Elysia à ne prendre qu’un seul repas sur une longue période ? Comment expliquer la couleur verte d’Elysia ?

Quel est le métabolisme d’Elysia ?

Documents

à pas

Connaissances

Document 3 : Cycle de vie d’Elysia : ingestion de l’algue verte Vaucheria. Document 1 : Présence de chloroplastes et de mitochondries dans les cellules intestinales d’Elysia. Document 2 : À la lumière, Elysia est capable de réaliser la photosynthèse. À l’obscurité, Elysia réalise la respiration cellulaire. Document 4 : Du 2e au 5e mois, la photosynthèse d’Elysia est plus intense que sa respiration, permettant sa croissance. Du 5e au 7e mois, chez Elysia qui n’est plus en croissance, photosynthèse et respiration sont équilibrées.

La photosynthèse, à la lumière, dans les chloroplastes, produit de l’O2 et permet la synthèse de matières organiques comme le glucose. Dans les mitochondries, la respiration cellulaire utilise du glucose et du O2 et produit de l’énergie utilisable pour les activités cellulaires.

Conclusion

3e étape : rédiger la réponse sur la copie La réponse doit contenir une introduction présentant le problème posé par l’énoncé. Puis, vous présentez votre raisonnement sous forme d’un texte structuré en plusieurs paragraphes. Vous devez faire référence aux documents utilisés, en indiquant par exemple leur numéro entre parenthèses. L’essentiel est que votre raisonnement soit rigoureux et le correcteur puisse facilement distinguer si une information provient d’un document ou de vos connaissances. Enfin, votre réponse terminera par une conclusion qui résumera votre réponse au problème traité.

191

SVT

Le corrigé

Elysia chlorotica, un mollusque de bord de mer, possède à la naissance une couleur brune puis devient verte dans les premiers mois de sa vie. De plus, Elysia est capable de ne prendre qu’un seul repas, à base d’algues Vaucheria en quelques mois. Comment expliquer la capacité d’Elysia à ne prendre qu’un seul repas sur une longue période ? D’après le cycle de vie d’Elysia (document 3), les œufs incolores donnent naissance à de jeunes limaces brunes, qui se développent sur l’algue Vaucheria, qu’elles consomment. Après leur premier repas de cette algue, Elysia devient progressivement verte. Comment expliquer le changement de couleur de l’Elysia ? L’électronographie d’une partie de cellule intestinale d’Elysia (document 1) montre la présence dans son cytoplasme de mitochondries et de chloroplastes. Or les chloroplastes, organites riches en chlorophylle, présentent une couleur verte, qui explique la couleur d’Elysia. Si la présence de mitochondries est normale dans une cellule animale, en revanche la présence de chloroplastes, organites spécifiques de cellules végétales chlorophylliennes, est étonnante. On peut émettre l’hypothèse que suite à l’ingestion de l’algue verte Vaucheria par Elysia, les cellules intestinales d’Elysia aient pu capter les chloroplastes des cellules de Vaucheria, conférant ainsi une couleur verte à la jeune limace. La présence de chloroplastes chez Elysia expliquerait-elle sa capacité à ne consommer qu’un seul repas pendant plusieurs mois ? L’étude des échanges d’O2 d’Elysia adulte en fonction de l’intensité lumineuse (document 2) montre qu’à la lumière, Elysia libère de l’O2 dans le milieu, et ce d’autant plus que l’intensité lumineuse est forte. Par contre, à l’obscurité, Elysia consomme l’O2 du milieu. Or, on sait la photosynthèse a lieu dans les chloroplastes en présence de lumière et qu’elle s’accompagne d’une production d’O2 . On peut donc supposer qu’à la lumière Elysia verte réalise la photosynthèse au niveau des chloroplastes présents dans ses cellules intestinales. En absence de lumière, Elysia réalise la respiration au niveau des mitochondries de ses cellules. L’étude des échanges d’O2 d’Elysia après son premier repas d’algues puis soumise à un jeûne permet de préciser le métabolisme d’Elysia (document 4). À l’obscurité, la consommation d’O2 d’Elysia traduit sa respiration cellulaire. À la lumière, les échanges d’O2 résultent à la fois de la respiration et de la photosynthèse d’Elysia. Du 2e au 5e mois, la production d’O2 par photosynthèse est supérieure à la consommation d’O2 par la respiration. En considérant que les échanges d’O2 reflètent l’intensité des différents métabolismes, on en déduit que la photosynthèse est plus intense que la respiration. Or la photosynthèse permet la production de molécules organiques. Une partie de ces molécules organiques est donc utilisée par la jeune Elysia pour se fournir en énergie lors de la respiration et l’autre partie est utilisée pour sa croissance. Puis, au 6e et 7e mois, l’intensité de la photosynthèse et celle de la respiration diminuent et le bilan respiration/photosynthèse s’équilibre. En effet, à cette date, Elysia adulte a fini sa croissance (document 3). Ainsi, au 6e et 7e mois, la majeure partie de la matière organique produite lors photosynthèse est utilisée pour la respiration.

192

Sujet 24 – Le corrigé

Ainsi, Elysia est capable de ne consommer qu’un seul repas d’algue Vaucheria sur plusieurs mois car elle capture les chloroplastes de l’algue dans ses cellules intestinales et acquière ainsi la capacité à réaliser la photosynthèse à la lumière. Elysia produit alors lors de la photosynthèse sa propre matière organique qu’elle utilise pour sa croissance et pour se fournir en énergie grâce la respiration. Cet exemple met en évidence le couplage énergétique à l’échelle d’un organisme entre photosynthèse et respiration. Cette symbiose très particulière entre les chloroplastes d’une algue et les cellules d’un mollusque constitue un exemple de diversification du vivant.

193

Sujet 25, Centres étrangers, juin 2013

Partie 2, exercice 2 : Variations climatiques et peuplements d’Homo sapiens et d’Homo neanderthalensis Quand Homo sapiens arrive en Europe il y a 40 000 ans, cela fait longtemps qu’Homo neanderthalensis y est présent. Les deux populations vont vivre au même moment sur les mêmes territoires. Puis Néandertal disparaît sauf dans le sud de la Péninsule ibérique où il subsiste encore 1 500 ans. L’hypothèse avancée pour expliquer la persistance d’Homo neanderthalensis dans le Sud de la Péninsule ibérique est qu’il a été favorisé par l’aridité entre 39 000 et 38 000 ans avant le présent (Événement de Heinrich, Moustérien), une aridité qui aurait momentanément arrêté l’arrivée d’Homo sapiens dans cette région. À partir de l’exploitation des documents fournis, montrez le bien-fondé de cette hypothèse pour expliquer la persistance de Néandertal dans le sud de la Péninsule ibérique.

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Sujet 25 – Le sujet

› Document 1 : Conditions climatiques présentes entre - 41 000 ans et - 34 000 ans au niveau de la péninsule ibérique

GI 7 et GI 8 (GI pour interstadiaire du Groenland) et HS 4 (HS pour stadiaire de Heinrich) traduisent des périodes de variation climatique mises en évidence dans les carottes glaciaires du Groenland.

› Document 2 : Distribution calculée d’Homo neanderthalensis (à gauche) et d’Homo sapiens (à droite) à trois époques distinctes :

en haut : période Gl 8 de - 36 500 ans à - 38 600 ans, au milieu : période H 4 de - 38 600 ans à 40 200, en bas : période préH 4 >- 40 200 ans. La cartographie des régions les plus susceptibles de voir subsister l’une et l’autre espèce résulte d’une projection informatique reposant sur l’utilisation de dix modèles ; les deux nuances de gris correspondent au nombre de modèles utilisés qui confirment l’habitabilité des deux espèces considérées (gris clair : 1 à 9 modèles utilisés sur 10, noir : tous les modèles). La méthode utilisée prend en compte la localisation des sites archéologiques datés par carbone 14, les informations géographiques et les simulations à haute résolution des différents climats en Europe par le passé. Elle utilise ensuite une combinaison d’algorithmes prédictifs, analyse la relation existante entre les sites archéologiques attribuables par leur culture à chacune de ces humanités (néanderthaliens et hommes anatomiquement modernes) et les données paléoenvironnementales contemporaines pour prédire la région dans laquelle ces cultures pouvaient subsister D’après Banks et d’Errico, Laboratoire PACEA/PLoS ONE. 195

SVT

Le sujet

› Document 3 : Distribution réelle (à gauche) et calculée (à droite) d’Homo neanderthalensis au cours de la phase Gl 8

D’après Banks et d’Errico, Laboratoire PACEA/PLoS ONE

196

Sujet 25 – Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question Le sujet porte sur l’occupation de la péninsule ibérique par l’Homo sapiens et l’homme de Neandertal, en relation avec les variations du climat entre environ − 40 000 ans BP à − 36 000 ans BP (Before Present). L’énoncé émet l’hypothèse que de − 39 000 ans BP à − 38 000 ans BP, Neandertal a occupé seul le sud de la péninsule ibérique car l’aridité du climat aurait empêché l’arrivée d’Homo sapiens dans cette région. Il s’agit d’extraire les informations des documents proposés pour étayer cette hypothèse. La réponse attendue est l’exploitation structurée des documents, mise en relation avec les connaissances. Cet exercice demande peu de connaissances mais sa principale difficulté réside dans la lecture des documents, en particulier les cartes de distribution de populations et dans leur mise en relation. ä Mobiliser ses connaissances La végétation dépend étroitement du climat : les données issues de l’étude des pollens peuvent être utilisées pour reconstituer les variations climatiques du passé. ä Procéder par étapes 1re étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique Après avoir identifié le problème posé, il s’agit de prendre connaissance des documents dans l’ordre fourni par l’énoncé et d’en extraire les informations permettant de résoudre le problème. Le travail directement sur les documents en utilisant un surligneur complété par un travail au brouillon est essentiel dans cette étape. Le document 1 présente les conditions climatiques au niveau de la péninsule ibérique entre − 41 000 ans BP et − 34 000 ans BP. L’absence des exigences écologiques des espèces limite l’utilisation du spectre pollinique à quelques espèces. Entre − 39 000 ans BP et − 38 200 ans BP, la température mesurée au Groenland augmente. La marge sud-ouest ibérique présente une très faible abondance des arbres eurosibériens, ainsi que de la végétation méditerranéenne, et un développement important des plantes semi-désertiques. La marge nord-ouest ibérique ne montre pas une forte abondance des plantes semi-désertiques. De − 38 200 ans BP à − 36 500 ans BP, la température au Groenland baisse progressivement et au niveau de la marge sud-ouest ibérique, l’abondance des plantes semi-désertiques diminue tandis qu’augmente celle de la végétation méditerranéenne et des arbres eurosibériens. Le document 2 présente la distribution calculée d’Homo sapiens et d’Homo neanderthalensis avant − 40 200 ans BP jusqu’à − 36 500 ans BP. On choisit d’utiliser la distribution la plus probable obtenue avec tous les modèles utilisés et on s’intéresse uniquement à l’occupation de la péninsule ibérique. Selon ces résultats, avant − 40 200 ans BP, Homo neanderthalensis occupe le nord de la péninsule ibérique tandis qu’Homo sapiens occupe une grande partie de la péninsule ibérique sauf le sud. De − 40 200 ans BP à − 38 600 ans BP, Neandertal occupe quasiment toute la péninsule ibérique alors qu’Homo sapiens est absent du sud de la péninsule. Puis de − 38 600 ans BP à − 36 500 ans BP, les deux espèces occupent presque toute la péninsule ibérique.

197

Le sujet Pas

SVT

à pas

Le document 3 présente deux distributions, l’une potentielle et l’autre réelle, de Neandertal entre − 38 200 ans BP à − 36 500 ans BP. La distribution réelle montre que Neandertal n’occupe que les parties centrale et sud de la péninsule ibérique alors que celle potentielle indique qu’il pourrait occuper toute la péninsule ibérique. 2e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents et les connaissances Il s’agit de construire une démarche structurée en mettant en relation les conditions climatiques de la péninsule ibérique avec les variations de l’occupation de ce territoire par Neandertal et Homo sapiens. La démarche la plus simple consiste à effectuer cette mise en relation selon les différentes périodes de temps étudiées, en commençant par la période la plus ancienne. Le tableau suivant présente un exemple de démarche construite au brouillon. Introduction : quels éléments scientifiques étayent l’hypothèse selon laquelle la persistance de Néandertal dans le sud de la péninsule ibérique fut favorisée par l’aridité du climat entre − 39 000 ans BP et − 38 000 ans BP ? Période étudiée Avant − 40 200 ans BP

De − 40 200 ans BP à − 38 600 ans BP

− 38 200 ans BP à − 36 500 ans BP

Variations climatiques Document 1 Non étudiées

Augmentation de la température. Climat aride dans le sud-ouest de la péninsule ibérique. Climat non aride dans le nord-ouest de la péninsule ibérique. Diminution de la température. Disparition du climat aride dans le sud-ouest de la péninsule ibérique.

Répartition des espèces Document 2 et 3 Néandertal occupe le nord-est de la péninsule ibérique. Homo sapiens occupe une grande partie de la péninsule ibérique sauf le sud. Néandertal occupe toute la péninsule ibérique. Homo sapiens n’est présent que dans le nord et le centre de la péninsule ibérique. Néandertal n’occupe que le sud de la péninsule ibérique. Homo sapiens occupe toute la péninsule ibérique.

Conclusion

3e étape : rédiger la réponse sur la copie La réponse doit contenir une introduction qui présente le problème posé en s’aidant de la question de l’énoncé. Puis il s’agit de traiter le sujet sous forme d’un texte structuré en différents paragraphes. Vous devez utiliser les informations extraites des documents en précisant leur origine, par exemple en mettant les références des documents entre parenthèses. Enfin votre réponse se terminera par une conclusion qui résumera votre réponse au problème posé.

198

Sujet 25 – Le corrigé

Homos sapiens et Homo neanderthalensis ont cohabité à partir de − 40 000 ans BP en Europe. Puis Neandertal a disparu, sauf au sud de la péninsule ibérique où il a continué de vivre pendant plus de 1 500 ans avant de disparaitre définitivement. Une hypothèse propose que l’aridité marquée du sud de la péninsule ibérique entre − 39 000 ans BP et − 38 000 ans BP a permis la persistance de Neandertal en empêchant l’arrivée d’Homo sapiens dans cette région. Quels éléments scientifiques justifient cette hypothèse ? Avant − 40 200 ans BP, la distribution calculée d’Homo neanderthalensis obtenue à partir de tous les modèles, établit que cette espèce aurait été présente seulement dans le nord de la péninsule ibérique. À la même époque, Homo sapiens aurait occupé une grande partie de la péninsule ibérique sauf le sud (document 2). De − 40 200 ans BP à − 38 600 ans BP, d’après la distribution calculée d’Homo neanderthalensis obtenue à partir de tous les modèles, Neandertal aurait occupé quasiment toute la péninsule ibérique tandis qu’Homo sapiens aurait été présent dans la péninsule ibérique sauf au niveau du sud (document 2). Or, l’étude des conditions climatiques entre − 39 000 ans BP et − 38 200 ans BP montre une augmentation de la température au niveau du Groenland, indiquant une augmentation de la température globale de la Terre (document 1). De plus, au niveau de la marge sud-ouest ibérique, on observe une diminution de l’abondance des arbres eurosibériens, des arbres et de la végétation méditerranéenne, et un développement important des plantes semi-désertiques, qui représentent jusqu’à 40 % de l’ensemble des espèces. Ainsi, entre − 39 000 ans BP et − 38 200 ans BP, la partie sud-ouest de la péninsule ibérique est marquée par un climat aride. Au même moment, la marge nord-ouest ibérique ne montre pas de développement important de plantes semi-désertiques (moins de 20 %) et présente donc un climat moins aride qu’au sud (document 1). De − 38 600 ans BP à − 36 500 ans BP, d’après la distribution calculée d’Homo neanderthalensis et d’Homo sapiens, ces deux espèces auraient cohabité quasiment dans toute la péninsule ibérique (document 2). Mais la distribution réelle des Neandertaliens présente une répartition plus limitée : seuls la partie centrale et le sud de la péninsule ibérique sont peuplés par Neandertal (document 3). Ainsi, suite au climat aride (entre − 39 000 ans BP et − 38 200 ans BP), le peuplement de Neandertal est restreint à la partie centrale et au sud de la péninsule ibérique, où Homo sapiens était absent. Après − 38 200 ans BP, l’étude des conditions climatiques montre une diminution progressive de la température au niveau du Groenland, indiquant une diminution de la température mondiale. Au niveau de la marge sud-ouest ibérique, cette baisse de température est corrélée à une diminution de l’abondance des plantes semi-désertiques et une augmentation de l’abondance des plantes méditerranéennes et des arbres eurosibériens (document 1). On peut donc conclure que le climat dans le sud de la péninsule ibérique devient moins aride à partir de − 38 200 ans BP. Ainsi, la disparition du climat aride dans le sud de la péninsule ibérique coïncide avec l’arrivée probable d’Homo sapiens dans cette région, qui n’était alors qu’occupée que par Neandertal.

199

SVT

Le corrigé

Nous avons donc montré qu’avant − 40 200 ans BP, Neandertal et Homo sapiens cohabitent dans le nord et le centre de la péninsule ibérique. Puis à partir d’environ − 39 000 ans BP, Neandertal occupe seul le sud de la péninsule ibérique, qui présente un climat aride. À partir de − 38 200 ans BP, le climat du sud de la péninsule ibérique devient moins aride. La répartition réelle de Neandertal montre qu’il n’occupe plus que le sud de la péninsule ibérique alors qu’Homo sapiens occupe alors presque toute la péninsule ibérique. L’hypothèse selon laquelle la persistance de Neandertal dans le sud de la péninsule ibérique, en absence d’Homo sapiens, fut favorisée par l’aridité en − 39 000 ans BP et − 38 000 ans BP, semble donc étayée.

200

Sujet 26, Inde, avril 2013

Partie 2, exercice 2 : Facteurs explicatis du diabète de type 2 Originaires du Mexique, les Indiens Pimas des États-Unis se sont installés dans le désert de Sonoran (Arizona), il y a environ trente mille ans. Restés génétiquement isolés des populations voisines pendant des millénaires et pratiquant une agriculture de subsistance, ils ont été happés par la société d’abondance (sédentarité, surconsommation, ...). Ils détiennent un record mondial, celui de la prévalence (pourcentage d’individus atteints, tous cas confondus) au diabète non insulino-dépendant (DNID) ou diabète de type 2. Depuis trente ans, le DNID augmente régulièrement dans le monde entier, mais nulle part ailleurs, l’épidémie n’est aussi dévastatrice que chez les Pimas. On se propose d’exploiter les résultats de différentes études épidémiologiques pour identifier les facteurs intervenant dans le développement du DNID. À partir d’une exploitation minutieuse des données épidémiologiques fournies, proposez une explication rendant compte de la prévalence du diabète non insulino-dépendant chez les Indiens Pimas des États-Unis. Rendez compte de votre explication sous la forme d’un schéma de causalité. › Document 1 : Prévalence du diabète de type 2 et indice de masse corporelle (IMC) dans la population adulte d’Indiens pimas

Les individus adultes sont considérés comme obèses quand leur IMC est supérieur à 25. L’indice de masse corporelle (IMC) est calculé en divisant la masse de l’individu (en kg) par sa taille (en m) élevée au carré.

208

Sujet 26 – Le sujet

› Document 2 : Prévalence du diabète de type 2 et activité physique dans une population présentant la même fourchette d’IMC d’Indiens pimas adultes

› Document 3 : Prévalence du diabète de type 2 dans trois populations (non-Pimas du Mexique, Indiens pimas du Mexique, Indiens pimas des États-Unis)

209

SVT

Le sujet

› Document 4 : Prévalence du diabète de type 2 dans trois populations adultes (Indiens pimas non métissés, Indiens pimas métis de première génération et population nord-américaine voisine) présentant la même fourchette d’IMC

› Document 5 : Prévalence du diabète de type 2 et âge chez des individus possédant ou non des antécédents génétiques à la génération précédente

D’après des travaux de Schulz, Bennett, Ravussin, ..., Diabete care, 2006

210

Sujet 26 – Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question Le sujet porte sur le diabète de type 2 ou diabète non insulino-dépendant d’une population d’Indiens pimas, originaire du Mexique et installée depuis 30 000 ans dans un désert d’Arizona. On veut expliquer pourquoi cette population présente le taux (ou prévalence) le plus élevé au monde d’individus atteints d’un diabète de type 2. L’énoncé exige que la réponse à la problématique se présente seulement sous forme d’un schéma de causalité. Il s’agit donc d’extraire les informations des documents, puis de les mettre en relation entre elles et si besoin avec vos connaissances pour construire le schéma de causalité. Ce dernier doit alors mettre en évidence les différents facteurs explicatifs de la prévalence élevée du diabète de type 2 chez les Indiens pimas de États-Unis. Mais aucune explication ou analyse de documents n’est attendue en plus du schéma de causalité. ä Mobiliser ses connaissances Le diabète de type 2 est une maladie multifactorielle : il existe des allèles de vulnérabilité ainsi que des facteurs de risques environnementaux liés au mode de vie, en particulier l’obésité associée à la sédentarité. ä Procéder par étapes 1re étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique Après avoir identifié le problème scientifique à résoudre, il s’agit d’extraire des documents les éléments scientifiques y répondant. Les documents présentent différents résultats issus d’enquêtes épidémiologiques concernant le diabète de type 2. Pour chaque document, il s’agit d’identifier quels sont les facteurs qui expliquent la prévalence élevée du diabète de type 2 chez les Indiens pimas des États-Unis. On peut étudier les documents l’un après l’autre en suivant l’ordre de l’énoncé. Le travail peut s’effectuer directement sur les documents en utilisant un surligneur et/ou au brouillon. L’introduction du sujet explique que les Indiens pimas des États-Unis, originaires du Mexique, sont longtemps restés génétiquement isolés en pratiquant une agriculture de subsistance. Or, depuis quelques décennies, leur mode de vie a changé pour ressembler à celui de la population nordaméricaine (sédentarité, nourriture abondante) et les Indiens pimas ont développé un fort taux de diabète de type 2. Le document 1 présente la prévalence du diabète de type 2 en fonction de l’indice de masse corporelle (IMC) dans la population adulte d’Indiens pimas. On observe que plus l’IMC est élevé, plus la prévalence du diabète est forte. Ce document montre qu’un des facteurs favorisant la présence d’un diabète de 2 est un IMC élevé. Le document 2 présente la prévalence du diabète de type 2 en fonction de l’intensité de l’activité physique dans une population dont l’IMC est globalement comparable à celui de la population adulte d’Indiens pimas. Plus l’activité physique est faible, plus la prévalence du diabète est forte. Ce document permet de conclure que la faible activité physique est un des facteurs favorisant le diabète de type 2. Le document 3 présente la prévalence du diabète de type 2 dans trois populations différentes, en fonction du sexe. Dans les trois populations, les femmes sont légèrement plus touchées par le dia211

SVT

Le sujet Pas

à pas

bète de type 2 que les hommes. La prévalence du diabète de type 2 des non-Pimas du Mexique (2,5 %) est inférieure à celle des Pimas du Mexique (6 %). Mais les Pimas des États-Unis présentent ont une très forte prévalence, autour de 38 %. Ainsi, en supposant que les Indiens pimas du Mexique et ceux des États-Unis sont encore très proches génétiquement, ce document met en évidence l’importance des facteurs environnementaux dans le diabète de type 2. Aux États-Unis, le mode de vie actuel des Indiens pimas est à l’origine de la forte prévalence du diabète de type 2 dans cette population. Le document 4 présente la prévalence du diabète de type 2 dans trois populations vivant aux États-Unis : non-Pimas, Pimas métis de première génération et Pimas. Les non-Pimas (c’est-à-dire la population nord-américaine voisine) présente une prévalence (14 %) inférieure à celle des Pimas métis de première génération (28 %), alors que la prévalence chez les Indiens pimas du diabète de type 2 est de 41 %. Cette étude permet de montrer que dans un même environnement, celui de la société nord-américaine, les Indiens pimas et dans une moindre mesure les Pimas métis présentent une vulnérabilité accrue au diabète de type 2 par rapport aux non-Pimas. Ces résultats suggèrent l’existence d’allèles de vulnérabilité au diabète de type 2, qui existent chez les Pimas et qui sont moins présents chez les non-Pimas. Les métis Pimas issus de parents pimas et non-pimas présentent une prévalence du diabète de type 2 intermédiaire entre celle des Pimas et celle des non-Pimas. Le document 5 présente la prévalence du diabète de type 2 dans une population quelconque, en fonction de l’âge et des antécédents génétiques de la génération précédente. On observe que l’âge est un facteur de risque de développement du diabète de type 2. De plus, plus un individu possède des parents atteints à la génération précédente, plus la prévalence du diabète de type 2 est élevée. Ce document confirme que des allèles de vulnérabilité au diabète de type 2 existent et peuvent être transmis à la descendance des individus, augmentant ainsi leur risque de survenue de la maladie. 2e étape : identifier les facteurs explicatifs de la prévalence du diabète de type 2 chez les Pimas des États-Unis Les informations apportées par l’introduction et les documents associés à vos connaissances permettent d’établir l’existence deux types de facteurs expliquant la forte prévalence du diabète de type 2 chez les Pimas des États-Unis : – des facteurs génétiques c’est-à-dire les allèles de vulnérabilité au diabète de type 2, particulièrement présents chez les Pimas (documents 3 et 4) ; – des facteurs environnementaux, liés au mode de vie des Indiens pimas aux États-Unis (documents 1, 2 et 3). En effet l’IMC et l’activité physique sont déterminés en grande partie par le mode de vie. Ces deux types de facteurs interagissent et expliquent la forte prévalence du diabète de type 2 chez les Pimas des États-Unis. 3e étape : construire un schéma de causalité répondant au problème scientifique Il est conseillé de réaliser le schéma de causalité au brouillon, en plaçant d’un côté les facteurs génétiques et d’un autre côté les facteurs environnementaux, dont l’interaction est à l’origine de la prévalence élevée du diabète de type 2. Il peut être intéressant de mettre entre parenthèses les 212

Sujet 26 – Le sujet Pas

à pas

numéros des documents qui ont permis d’établir les facteurs explicatifs. Il n’est pas nécessaire de donner des valeurs chiffrées dans le schéma de causalité, sauf la valeur de la prévalence du diabète de type 2 chez les Pimas des États-Unis (40 % environ) comparée à celle de la population nord-américaine (14 %) 4e étape : rédiger la réponse sur la copie Votre réponse contient une courte introduction qui présente le problème posé par l’énoncé, puis le schéma de causalité, accompagné de son titre. Enfin une courte conclusion peut proposer une réponse à la problématique.

213

SVT

Le corrigé

Les Indiens pimas des États-Unis, originaires du Mexique, vivent depuis trente mille ans en Arizona (États-Unis). Or, environ 40 % de la population des Indiens pimas des États-Unis présentent un diabète de type 2 alors que le diabète de type 2 n’affecte qu’environ 14 % de la population nord-américaine voisine. Comment expliquer la très forte prévalence du diabète de type 2 chez les Indiens pimas des États-Unis ? Nous allons exploiter les résultats d’enquêtes épidémiologiques pour mettre en évidence les facteurs explicatifs de la forte prévalence du diabète de type 2 chez les Indiens pimas des États-Unis et les présenter dans un schéma de causalité.

Ainsi la très forte prévalence du diabète de type 2 chez les Indiens pimas des États-Unis s’explique par l’interaction entre des facteurs génétiques et des facteurs environnementaux. La présence d’allèles de vulnérabilité au diabète de type 2 dans la population pima dans un environnement où la nourriture est abondante et l’activité physique faible est responsable de la forte prévalence du diabète de type 2 aux États-Unis.

214

Sujet 27, Polynésie, juin 2013

Partie 2, exercice 2 : Orgine et accompagnement d’un diabète de type 1 Victor, élève en classe de Terminale S, est atteint d’un diabète de type 1. Un PAI (Projet d’Accueil Individualisé) a été mis en place pour lui dans son lycée, afin d’améliorer son intégration et de pallier d’éventuelles difficultés. À l’aide des documents proposés et de vos connaissances, vous expliquerez l’origine du diabète de type I et vous justifierez les conseils donnés sur l’extrait du PAI de Victor (document de référence). › Document 1 : Extrait du PAI de Victor

Analyse et injections

Malaise hypoglycémique

Activité sportive

Conseils et recommandations du médecin Trouver un lieu adapté et qui lui convienne pour faire les analyses de glycémie et/ou une éventuelle injection d’insuline. Symptômes : faim, pâleur, tremblements, sueurs, vertiges, vision trouble, fatigue, troubles de la parole ou du comportement. Dans ce cas : donner une collation un sucre ou un gâteau sec. Si perte de connaissances : Injecter du Glucagen 1 en sous-cutané ou intramusculaire (1 mg = 1 ampoule). Le professeur de sport doit être averti et dispose d’une réserve de sucre et de collations en cas d’oubli. L’adolescent doit pouvoir réaliser des mesures de glycémies, avant, pendant et après son cours d’EPS.

1. Glucagen : médicament dont le principe actif est le glucagon, utilisé dans le traitement des hypoglycémies sévères qui peuvent survenir chez les diabétiques insulino-traités.

215

SVT

Le sujet

› Document 2 : Evolution de la glycémie au cours d’une journée chez une personne non diabétique

D’après http ://svt.ac-dijon.fr/schemassvt/ La glycémie est exprimée en mg/dl soit 100 mg/dl = 1g/l)

› Document 3 : Glycémie et insulinémie chez Victor et chez un patient non diabétique après ingestion de glucose

216

Sujet 27 – Le sujet

Source : banque de schémas SVT › Document 4 : Données histologiques sur le pancréas 4a - Comparaison de la masse du pancréas et des cellules endocrines lors de l’autopsie d’individus non diabétiques ou atteints d’un diabète Pancréas phénotype Non diabétique Diabète de type 1

Masse totale du pancréas 82 g

Masse du pancréas endocrine 1395 mg

Cellules β 850 mg

Cellules α 225 mg

40 g

413 mg

traces

150 mg

D’après http ://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/svt/program/fichacti/fich1s/diabete/diabete.htm.

4b - Coupe histologique d’îlots de Langerhans d’un individu non diabétique (gauche) et d’un individu diabétique (droite) dont les cellules β sont marquées par immunofluorescence.

Source : http ://www.bristol.ac.uk/clinical-sciences/research/diabetes/ 217

SVT

Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question Le sujet porte sur l’étude du diabète de type 1 d’un adolescent, Victor. Il s’agit dans un premier temps, d’expliquer l’origine de son diabète de type 1, puis dans un second temps, de justifier les conseils et les recommandations du projet d’accueil individualisé aménageant la scolarité de Victor. La réponse attendue est l’exploitation structurée des documents, mise en relation avec les connaissances. Les documents proposés sont classiques, proches de ceux vus en cours. Si la première partie de la problématique est facile, il faut être vigilant à utiliser d’abord les documents puis, seulement quand cela est nécessaire, vos connaissances. La seconde partie de la problématique nécessite de bien identifier les problèmes que rencontre Victor à cause de son diabète. ä Mobiliser ses connaissances L’insuline est une hormone pancréatique hypoglycémiante, secrétée par les cellules β des d’îlots de Langerhans du pancréas. Le glucagon, hormone pancréatique, a une action hyperglycémiante. ä Procéder par étapes 1e étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique Le document 1 présente le PAI de Victor : Victor doit avoir la possibilité d’analyser régulièrement sa glycémie et si besoin de réaliser des injections d’insuline. Victor doit être particulièrement vigilant lors d’activités sportives et doit pouvoir consommer rapidement des glucides si besoin. Enfin, en cas de malaise hypoglycémique, il doit pouvoir manger rapidement un aliment sucré. En cas de perte de connaissance liée à une hypoglycémie, Victor doit recevoir une injection d’un médicament à base de glucagon. Le document 2 présente l’évolution de la glycémie au cours d’une journée chez un individu non diabétique. La glycémie reste voisine de 1 g/L mais présente des fluctuations : la prise de repas ou de collation entraîne une augmentation transitoire de la glycémie tandis que l’exercice physique entraîne une baisse provisoire de la glycémie. Le document 3 compare la variation de la glycémie et de l’insulinémie après ingestion de glucose chez un individu non diabétique et chez Victor. Chez l’individu non diabétique, l’ingestion de glucose est suivie d’une augmentation de l’insulinémie et d’une régulation de sa glycémie. Chez Victor, la sécrétion d’insuline reste très faible et la régulation de la glycémie suite à l’ingestion de glucose est beaucoup moins efficace : Victor est en hyperglycémie pendant toute l’expérience. Le document 4a compare la masse du pancréas et de ses différents tissus chez des individus diabétiques et non diabétiques. Chez l’individu diabétique, le pancréas présente une masse réduite et une quasi absence de cellules β dans les îlots de Langerhans. Enfin, le document 4b présente la localisation en immunofluorescence des cellules β chez un témoin et un individu diabétique. Comparé au témoin, les îlots de Langerhans du diabétique sont en partie détruits et ses cellules β sont peu nombreuses.

218

Sujet 27 – Le sujet Pas

à pas

2e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents et les connaissances Il s’agit de construire une démarche structurée permettant de répondre aux deux parties de la problématique, en mettant en relation les informations extraites des documents et en utilisant quand cela est nécessaire vos connaissances. Il faut par contre éviter d’analyser les documents dans l’ordre fourni par l’énoncé sans structurer la réponse. Le tableau suivant présente un exemple de démarche élaborée au brouillon. Parties du problème Introduction : quelle est l’origine du diabète de type 1 de Victor et quelles sont les justifications des conseils et des recommandations du PAI de Victor ? Quelle est l’origine du diabète de type 1 de Victor ?

Comment se justifient les conseils et les recommandations du PAI de Victor ?

Documents

Connaissances

Document 3 : Comparaison entre Victor et un témoin non diabétique : diabète de type 1 : très faible sécrétion d’insuline d’où une hyperglycémie suite à une ingestion de glucose. Document 4 : La destruction des cellules β des îlots de Langerhans du pancréas est responsable de la faible sécrétion d’insuline chez Victor. Mise en relation des documents 1 et 2 : Nécessité d’un suivi de la glycémie et d’injections d’insuline après les repas. Lors d’activités sportives, nécessité de bien suivre la glycémie car risque d’hypoglycémie. Lors d’une trop forte injection d’insuline ou d’une activité sportive intense : risque d’hypoglycémie avec perte de connaissance, nécessitant alors l’injection d’un médicament à base de glucagon, à action hyperglycémiante.

L’insuline est une hormone pancréatique hypoglycémiante. Les cellules β des îlots de Langerhans sont responsables de la sécrétion d’insuline.

Conclusion

219

Le glucagon, hormone pancréatique, a une action hyperglycémiante

SVT

Le sujet Pas

à pas

3e étape : rédiger la réponse sur la copie La réponse doit contenir une introduction présentant la problématique posée en s’aidant de la question de l’énoncé. Puis, il s’agit de traiter le sujet sous forme d’un texte structuré en paragraphes. Vous devez faire référence aux documents que vous utilisez, par exemple en mettant le numéro du document entre parenthèses. L’essentiel est que votre démarche soit rigoureuse et s’appuie sur des données chiffrées issues des documents quand cela est nécessaire. Enfin votre devoir se terminera par une conclusion qui résumera votre réponse à la problématique posée en introduction.

220

Sujet 27 – Le corrigé

Victor, élève en terminale, est atteint d’un diabète de type 1, nécessitant la mise en place d’un projet d’accueil individualisé (PAI) pour améliorer sa scolarité que sa maladie pourrait affecter. Quelle est l’origine du diabète de type 1 de Victor et quelles sont les justifications des conseils et des recommandations du PAI de Victor ? Après ingestion de glucose chez un patient non diabétique, la glycémie augmente légèrement pour atteindre une valeur maximale de 1,2 g/L, 50 min après l’ingestion de glucose. Puis, en une demiheure environ, la glycémie redevient proche de sa valeur d’origine, environ 1 g/L. De plus, après ingestion de glucose, le patient non diabétique présente une augmentation forte et rapide de son taux sanguin d’insuline, qui reste à une valeur de 40 µU/mL pendant une centaine de minutes et qui diminue rapidement après (document 3). Or on sait que l’insuline est une hormone pancréatique qui a une action hypoglycémiante : suite à l’ingestion de glucose, la sécrétion d’insuline entraîne une baisse de la glycémie chez le témoin. Immédiatement après ingestion de glucose, Victor, atteint par un diabète de type 1, présente déjà une glycémie légèrement plus élevée que le témoin (1,2 g/L pour Victor contre 0,9 g/L pour le témoin). La glycémie de Victor augmente de manière importante : elle atteint une valeur maximale de 3 g/L à 100 min. Puis sa glycémie diminue faiblement : à 200 min, elle est encore à 2,1g /L et n’a pas retrouvé sa valeur d’avant l’ingestion de glucose. On observe que le taux d’insuline de Victor reste faible même après l’ingestion de glucose. Pendant toute l’expérience, l’insulinémie de Victor reste proche de 2,5 µU/mL, soit 20 fois moins que l’insulinémie maximale observée chez le témoin 50 min après l’ingestion de glucose (document 3). On en déduit que suite à l’ingestion de glucose, la sécrétion d’insuline de Victor reste faible, entraînant une glycémie élevée. Comment expliquer la faible sécrétion d’insuline observée chez Victor ? La comparaison d’un pancréas d’un individu atteint d’un diabète de type 1 et d’un individu témoin, montre que la masse d’un pancréas diabétique est deux fois plus faible que celle du pancréas du témoin. Plus précisément, la masse d’un pancréas endocrine diabétique, c’est-à-dire sécrétant des hormones, est trois fois plus faible que celle du témoin. Les îlots de Langerhans d’un pancréas de diabétique présente une quasi absence de cellules β et une masse de cellules α réduite de moitié par rapport à celle du témoin (document 4a). La coupe histologique d’îlots de Langerhans où les cellules β sont marquées par immunofluorescence montre de nombreuses cellules β dans l’îlot de Langerhans d’un individu sain alors que l’individu diabétique présente un nombre réduit de cellules β au sein de l’îlot de Langerhans. De plus, l’îlot de Langerhans de l’individu diabétique semble en partie détruit (document 4b). On peut donc en déduire que Victor présente une faible sécrétion d’insuline car les cellules β responsables de la sécrétion d’insuline sont trop peu nombreuses du fait de leur destruction. Comment se justifient alors les conseils et les recommandations du PAI de Victor ? Le PAI recommande la possibilité pour Victor de réaliser des analyses régulières de glycémie et de pratiquer si besoin des injections d’insuline (document 1). En effet, après un repas ou une collation, la glycémie augmente. Chez une personne non diabétique, la sécrétion d’insuline permet la régulation de la glycémie (document 2).

221

SVT

Le corrigé

Ce contrôle de la glycémie est défectueux chez Victor. Ce dernier doit donc surveiller régulièrement sa glycémie par un test sanguin facile à réaliser et si sa glycémie est trop élevée, il doit effectuer une injection d’insuline. De plus, l’exercice physique en augmentant la consommation de l’organisme en glucose entraîne une baisse transitoire de la glycémie chez un individu non diabétique (document 2). Si Victor réalise un effort physique en cours d’EPS, il doit surveiller sa glycémie et si celle-ci diminue, il doit consommer du sucre ou un gâteau comme le recommande le PAI lors des activités sportives (document 1). Enfin, une prise trop élevée d’insuline, d’autant plus qu’elle est associée à un effort physique important, peut entraîner un malaise hypoglycémique, voire une perte de connaissance. En cas de malaise hypoglycémique, Victor doit absorber rapidement du sucre ou un gâteau riche enlucides. Dans le cas plus grave d’une perte de connaissance liée à une hypoglycémie, Victor doit recevoir rapidement une injection d’un médicament à base de glucagon (document 1). Le glucagon est une hormone pancréatique dont l’action est hyperglycémiante (document 1). L’injection de glucagon permet de faire remonter la glycémie pour que l’individu diabétique reprenne connaissance. Ainsi, le diabète de type 1 a pour origine la destruction des cellules β des îlots de Langerhans du pancréas, normalement responsable de la sécrétion de l’insuline, une hormone hypoglycémiante. La trop faible sécrétion d’insuline entraîne alors une hyperglycémie. Le diabète de type 1 de Victor et l’importance que revêt sa prise en charge adaptée justifient les recommandations du PAI, en particulier face à un risque de malaise hypoglycémique lié à une injection trop importante d’insuline ou à un effort physique intense.

222

Sujet 28, Amérique du Nord, mai 2013

Partie 2, exercice 2 : La régulation du diabète de type 2 Le diabète sucré de type 2 constitue un problème majeur de santé publique. Dans la majorité des pays industrialisés, il est en constante augmentation. Les complications liées au diabète constituent une cause importante de mortalité. De nombreuses études ont montré qu’un bon contrôle de la glycémie est essentiel pour réduire les risques de complications du diabète. En s’appuyant sur les données issues des documents et les connaissances, expliquer en quoi la prise régulière de la molécule « liraglutide » proposée par un médecin peut améliorer l’état de santé des diabétiques de type 2. › Document 1 : rôle des hormones incrétines dans la régulation de la glycémie On sait depuis le début du XXe siècle que certaines cellules de l’intestin sont capables, en présence de glucose, de produire des hormones protéiques appelées incrétines. Ces hormones ont une double action : – elles stimulent l’activité des cellules β du pancréas ; – elles ralentissent le passage des aliments de l’estomac vers l’intestin, l’absorption intestinale du glucose est alors ralentie. Ce qui favorise la diminution de l’appétit. › Document 2 : tableau des caractéristiques du diabète de type 2 Profil clinique Mode de vie Diagnostic du diabète de type 2

Production d’incrétines par les cellules intestinales Production d’insuline Conséquences à long terme Complications possibles

Personnes âgées de plus de quarante ans Sédentarité Glycémie à jeun à deux reprises supérieure à 1,26g/L IMC > 27 (IMC = indice de masse corporelle ; IMC = M/T2 , T est la taille en m, M la masse corporelle en kg) Réduite Réduite Cécité, insuffisance rénale sévère, maladies cardio-vasculaires

› Document 3 : rôle de la molécule « liraglutide » dans la régulation de la glycémie chez les diabétiques de type 2

Les incrétines sont rapidement dégradées par des enzymes intestinales. La molécule « liraglutide » a le même rôle que les incrétines. On teste l’effet de la molécule « liraglutide » sur un groupe de patients diabétiques de type 2. 223

SVT

Le sujet

Des analyses de sang et un contrôle de poids sont effectués régulièrement sur ce groupe et un groupe de diabétiques non traités. Les résultats figurent dans les graphiques ci-dessous. HbAlc : hémoglobine glyquée. Son taux constitue un indicateur indirect de la glycémie moyenne des 2 à 3 mois précédant le prélévement. Le taux moyen en HbAlc chez les personnes saines est compris entre 4 et 6 %. Variation du taux de HbAlc en fonction du temps chez des personnes diabétiques de type 2

Variation du poids en fonction du temps

D’après sedunilim.fr/these-public 224

Sujet 28 – Le sujet Pas

à pas

ä Comprendre la question Le sujet porte sur un traitement du diabète de type 2, également appelé diabète non-insulino dépendant. L’objectif est de montrer que le traitement utilisant des molécules appelées liraglutides permet une amélioration de l’état de santé des diabétiques de type 2. La réponse attendue est l’exploitation structurée des documents, mise en relation avec vos connaissances. Les principales difficultés du sujet résident dans la mise en relation des informations apportées par les documents et dans la construction du plan de la réponse. Un nombre réduit de connaissances est nécessaire pour traiter le sujet. ä Mobiliser ses connaissances Les glucides alimentaires sont hydrolysés lors de la digestion en glucides simples comme le glucose, puis passent dans le sang lors de l’absorption au niveau de la muqueuse intestinale. La glycémie est la concentration en glucose du plasma sanguin. Chez un individu sain, la glycémie est l’objet d’une régulation précise : les valeurs de la glycémie varient légèrement autour de la valeur de référence, égale à 1 g/L. L’insuline, hormone produite par les cellules β des îlots de Langerhans du pancréas, a une action hypoglycémiante : sa sécrétion entraîne une baisse de la glycémie. Le diabète de type 2 présente de graves complications liées à l’hyperglycémie. ä Procéder par étapes 1re étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique L’objectif de l’exercice de montrer que les liraglutides constituent un traitement intéressant du diabète de type 2 et d’expliquer leur mode d’action. Il s’agit dans un premier temps de prendre connaissance des informations apportées par les documents, selon l’ordre de l’énoncé. Le document 1 présente le rôle des incrétines dans la régulation de la glycémie. Les incrétines sont des hormones intestinales qui stimulent l’activité des cellules β du pancréas, ralentissent l’absorption intestinale du glucose et diminuent l’appétit. Le document 2 présente les caractéristiques des diabétiques de type 2 : on observe en particulier une glycémie anormalement élevée et un surpoids, une production réduite d’insuline et d’incrétines et de graves complications médicales. Le document 3 présente les résultats d’une étude de l’action des liraglutides chez des diabétiques de type 2. L’étude des graphiques met en évidence que la prise de liraglutides entraîne une réduction de la glycémie moyenne et du poids des diabétiques traités. De plus, le document apporte une information importante sur le mode d’action des liraglutides : les liraglutides ont une action identique à celles des incrétines, présentées dans le document 1. 2e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents et les connaissances Il s’agit de construire une démarche structurée, mettant bien en évidence le raisonnement suivi. Les documents sont à exploiter en fonction du raisonnement et non selon leur ordre dans l’énoncé. Le tableau suivant présente un exemple de démarche construite au brouillon. 225

Le sujet Pas

SVT

Parties du problème Introduction : en quoi la prise régulière de liraglutides permet d’améliorer l’état de santé des diabétiques de type 2 ? Quels sont les effets de la prise régulière de liraglutides ?

Comment expliquer les effets des liraglutides ?

Comment les liraglutides améliorent-ils l’état de santé des diabétiques de type 2 ?

à pas

Documents

Connaissances

Document 2 : diagnostic du diabète de type 2 : glycémie et IMC élevés. Document 3 : la prise de liraglutides entraîne une diminution de la glycémie et du poids des patients. Document 2 : chez les diabétiques de type 2 : production réduite d’insuline et d’incrétines. Document 3 : les liraglutides ont le même rôle que les incrétines. Document 1 : les liraglutides réduisent la glycémie en stimulant la production d’insuline et favorisent la perte de poids en réduisant l’absorption intestinale. Document 2 : complications du diabète de type 2. Document 3 : l’action des liraglutides réduit les risques de complications.

L’insuline, hormone produite par les cellules β du pancréas, a une action hypoglycémiante. Les glucides alimentaires, hydrolysés lors de la digestion en glucose, sont absorbés au niveau de l’intestin.

Graves complications du diabète de type 2 liées à l’hyperglycémie.

Conclusion

3e étape : rédiger la réponse sur la copie La réponse doit contenir une introduction qui présente le problème posé en s’aidant de la question de l’énoncé. Puis, il s’agit de traiter le sujet sous forme d’un texte structuré en différents paragraphes. Vous devez utiliser les informations extraites des documents en précisant leur origine (en mettant la référence du document entre parenthèses, par exemple) et en intégrant vos connaissances quand cela est nécessaire. L’essentiel est que le raisonnement soit rigoureux. Vous devez appuyer votre démonstration en donnant des données chiffrées issues des documents. Enfin votre devoir terminera par une conclusion qui résumera votre réponse à la problématique.

226

Sujet 28 – Le corrigé

Le diabète de type 2 est une perturbation de la régulation de la glycémie, caractérisée par une glycémie anormalement élevée et touchant les personnes de plus de 40 ans. Le diabète de type 2 peut être à l’origine de graves de complications de santé et affecte un nombre croissant de patients dans le monde. Le contrôle de la glycémie des patients atteints de diabète de type 2 est donc un enjeu thérapeutique majeur dans la prise en charge de cette maladie. Un traitement avec des molécules appelées liraglutides peut être prescrit. En quoi la prise régulière de liraglutides permet d’améliorer l’état de santé des diabétiques de type 2 ? Le diagnostic du diabète de type 2 s’effectue chez des individus ayant une glycémie à jeun supérieure à deux reprises à 1,26 g/L et dont l’IMC (indice de masse corporelle) est supérieur à 27 (document 2). La glycémie à jeun des diabétiques de type 2 est supérieure à la valeur normale, qui est de 1 g/L : le diabète de type 2 est donc une perturbation de la régulation de la glycémie. Les diabétiques de type 2 présentent de par leur IMC élevé une tendance marquée à l’obésité. Quels sont les effets de la prise régulière de liraglutides sur plusieurs semaines chez des diabétiques de type ? On étudie l’évolution de la glycémie moyenne (estimée par la mesure du taux d’hémoglobine glyquée ou HbA1c) et l’évolution du poids chez des diabétiques de type 2 traités avec liraglutides ou non (document 3). Chez des diabétiques non traités par liraglutides, le taux de HbA1c est d’environ 8 % : cette valeur est supérieure à celle d’individus non diabétiques, dont le taux de HbA1c est compris entre 4 à 6 %. Cette différence reflète la glycémie élevée des individus diabétiques. Le traitement par liraglutides entraîne une baisse du taux de HbA1c, qui passe de 8 % au début du traitement à 7 % environ après 10 semaines de traitement. Cette valeur reste à peu près stable lorsque le traitement est poursuivi sur plusieurs dizaines de semaines. Le poids moyen des diabétiques de type 2 est d’environ 93,5 kg. Ce poids reste stable chez les diabétiques de type 2 non traités alors qu’il diminue avec la prise de liraglutides : le poids des patients traités passe d’environ 93,5 kg au début du traitement à 90 kg après 18 semaines de traitement. La perte de poids est d’abord régulière pendant les 18 premières semaines de traitement puis le poids se stabilise à 90 kg. Ainsi, chez les diabétiques de type 2, on met en évidence de manière spécifique que la prise régulière de liraglutides sur plusieurs semaines entraîne une diminution de la glycémie et du poids des patients. Comment expliquer alors l’effet des liraglutides chez les diabétiques de type 2 ? Les diabétiques de type 2 se caractérisent par une production réduite d’insuline, hormone pancréatique hypoglycémiante, et d’incrétines, hormones produites par certaines cellules intestinales en présence de glucose (document 1). Or les liraglutides ont le même rôle que les incrétines (document 3). En effet, les liraglutides, comme les incrétines, stimulent l’activité des cellules β du pancréas responsables de la sécrétion d’insuline dont l’action est hypoglycémiante (document 1). Ainsi, la prise régulière de liraglutides entraîne une baisse de la glycémie moyenne comme observé dans l’étude clinique (document 3). De plus, les liraglutides ralentissent le passage des aliments de l’estomac vers l’intestin et l’absorption intestinale du glucose (document 1), ce qui diminue l’appétit et par conséquent la prise de poids (document 3). Quel est alors l’effet de la prise régulière de liraglutides sur l’état de santé des diabétiques de type 2 ?

227

SVT

Le corrigé

Les complications possibles du diabète de type 2 sont en partie liées à l’accumulation de glucose au niveau des organes comme les yeux (risque de cécité), les reins (risque d’insuffisance rénale), ou le système cardio-vasculaire (document 1). La prise régulière de liraglutides, en entraînant une baisse de la glycémie, réduit les risques de survenue de ces complications. De plus, le surpoids des diabétiques de type 2 favorise un mauvais état de santé générale. La perte de poids des diabétiques de type 2 sous liraglutides contribue à l’amélioration de leur état général de santé. Ainsi chez les diabétiques de type 2, la prise régulière de liraglutides entraîne une baisse de la glycémie en stimulant la production d’insuline et une perte de poids en réduisant l’absorption intestinale, ce qui contribue à améliorer l’état de santé des patients. Les liraglutides constituent donc une thérapie antidiabétique particulièrement intéressante.

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