1ère l’organisme. la myasthénieles paléosols, ou sols fossiles, se sont formés par altération...

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Sujet Emirats Arabes Unis 2017

1ère PARTIE (8 points). Neurone et fibre musculaire : la communication nerveuse / Maintien de l’intégrité de l’organisme.

La myasthénie

La myasthénie est une maladie dont un des symptômes est une faiblesse musculaire des membres, caractérisée par une difficulté à la contraction musculaire et une fatigabilité excessive. Cette maladie résulte d’une réaction immunitaire adaptative à médiation humorale, dépendant d’une coopération avec des lymphocytes T et aboutissant à la production d’anticorps spécifiques dirigés contre les récepteurs post-synaptiques de la synapse neuromusculaire.

Après avoir décrit la réponse immunitaire aboutissant à la libération d’anticorps, expliquer comment la production d’anticorps spécifiques des récepteurs postsynaptiques rend difficile la contraction musculaire chez un patient atteint de myasthénie.

Votre exposé comportera une introduction, un développement structuré, une conclusion et sera illustré d’un schéma comparant le fonctionnement d’une synapse neuromusculaire d’un individu sain au fonctionnement d’une synapse neuromusculaire d’un patient myasthénique. La sélection des lymphocytes impliqués n’est pas attendue. 2ème PARTIE – Exercice 1 (3 points). Génétique et évolution.

La recherche de lumière chez les végétaux fixés

La morphologie des végétaux fixés est variable selon les conditions environnementales. La tige d’une plante poussant à proximité d’une fenêtre présente une croissance orientée de telle

manière que ses feuilles, lieux des réactions de la photosynthèse, se trouvent face à la lumière. Ce phénomène est appelé phototropisme.

On peut également l’observer sur le coléoptile des Poacées (blé, avoine, maïs…), qui est un étui creux enveloppant les premières feuilles à la germination. Sur la photographie suivante, on voit de jeunes germinations de blé qui ont été placée à proximité d’une fenêtre (à droite).

D’après le site http://planet-vie.ens.fr et F. Lalevée

On cherche à déterminer ce qui provoque la croissance orientée d’un coléoptile.

À l’aide de l’exploitation des documents proposés, cocher la bonne réponse dans chaque série de propositions du QCM.

Document 1 : croissance de coléoptiles dans différentes conditions d’éclairement

Sur les schémas, on a séparé artificiellement par des traits pointillés les deux côtés de chaque coléoptile, notés A et B. Pour suivre leur croissance, on a tracé au début de l’expérience de petites marques équidistantes à l’encre permanente.


Document 2 : dosage de l’auxine produite dans des coléoptiles soumis à différentes conditions d’éclairement

Les points gris représentent les molécules d’auxine.

D’après W.R. Briggs, Plant Physiology, 1963

Document 3 : effet d’un traitement à l’auxine

D’après le site http://www.snv.jussieu.fr

QCM Cocher la réponse exacte pour chaque proposition.

1. Sous l’effet d’un éclairement unilatéral, la croissance d’un coléoptile est :

□ plus importante du côté éclairé que du côté non éclairé. □ plus importante du côté non éclairé que du côté éclairé. □ la même du côté éclairé que du côté non éclairé. □ nulle du côté éclairé.

2. Sous l’effet d’un éclairement unilatéral, la concentration d’auxine dans un coléoptile est : □ plus forte du côté éclairé que du côté non éclairé. □ plus forte du côté non éclairé que du côté éclairé. □ la même du côté éclairé que du côté non éclairé. □ nulle du côté éclairé.

3. L’auxine est une hormone végétale qui : □ provoque une multiplication du nombre de cellules d’un coléoptile. □ provoque un raccourcissement des cellules d’un coléoptile. □ provoque un allongement des cellules d’un coléoptile. □ n’a aucun effet sur la longueur des cellules d’un coléoptile.

4. La croissance orientée d’un coléoptile s’explique par un allongement plus important : □ des cellules du côté éclairé et donc une courbure en direction de la lumière. □ des cellules du côté éclairé et donc une courbure dans la direction opposée à la lumière. □ des cellules du côté non éclairé et donc une courbure en direction de la lumière. □ des cellules du côté non éclairé et donc une courbure dans la direction opposée à la lumière.


2ème PARTIE – Exercice 2 (obligatoire). 5 points. Le domaine continental et sa dynamique.

Le contexte géologique de la Sierra Nevada

La Sierra Nevada s’étire sur environ 700 km et longe la « vallée de la mort » en Californie.

Cette chaine de montagne renferme des volcans aujourd’hui inactifs, comme ceux d’Aurora-Bodie, mais aussi un vaste

batholithe (en gris foncé sur la carte ci-dessous) constitué de roches grenues formées en profondeur.

À partir de l’exploitation des documents proposés et de vos connaissances, exposer les arguments permettant de montrer que la région de la Sierra Nevada est une ancienne zone de subduction.

Document 1 : les roches magmatiques trouvées à l’affleurement dans la Sierra Nevada Document 1.a : les roches volcaniques d’Aurora Bodie

Photographie d’une lame de roche volcanique observée au microscope polarisant (lumière polarisée analysée)

Schéma interprétatif de la photographie

1 : cristal de biotite 2 : verre + microcristaux d’amphiboles et de pyroxènes 3 : cristal de feldspath plagioclase

D’après Christian Nicollet

Document 1.b : composition minéralogique des principales roches magmatiques


Document 2 : le batholithe de la Sierra Nevada Document 2.a : cartographie de l’affleurement du batholithe de la Sierra Nevada

Le batholithe de la Sierra Nevada est notamment constitué de granodiorite, une roche de la famille des granitoïdes.

Document 2.b : coupe géologique C-D

D’après G. Zandt et al., Nature, 2004 ; J.W. Shervais, Geosphere, 2005 ; J. Saleeby et al., Geosphere, 2012

Document 2.c : diagramme pression température et champs de stabilité des minéraux susceptibles de se former dans une croûte océanique

Document 3 : tomographie sismique à l’aplomb de la Sierra Nevada

La tomographie sismique est utilisée en géophysique. Cette technique utilise l’enregistrement de l’arrivée des ondes sismiques émises lors de tremblements de terre.

L’interprétation des temps d’arrivée les uns relativement aux autres et en différents lieux, permet de remonter aux variations des vitesses de propagation de ces ondes à l’intérieur du globe terrestre. Les ondes qui accusent un retard par rapport aux autres ont traversé une zone plus chaude et moins dense. Celles qui ont accéléré, ont traversé une zone moins chaude et plus dense.

D’après J. Unruh et al., Geosphere, 2014


2ème PARTIE – Exercice 2 (spécialité). 5 points. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l’avenir.

La transformation de l’atmosphère terrestre

L’atmosphère primitive de la Terre, issue du dégazage volcanique au cours du refroidissement du globe, était très différente de l’atmosphère actuelle.

La transformation de l’atmosphère au cours du temps est marquée en particulier par un fort enrichissement en dioxygène, ce qui lui a conféré un caractère oxydant.

À partir de l’exploitation des documents proposés mise en relation avec vos connaissances, reconstituer la chronologie des évènements qui a abouti à une atmosphère riche en dioxygène.

Document 1 : les formations sédimentaires d’oxyde de fer Document 1.a : les paléosols rouges continentaux ou red beds

Les paléosols, ou sols fossiles, se sont formés

par altération de roches continentales au contact de l’atmosphère.

La couleur rouge de certains de ces sols provient de la forte teneur en hématite, minéral d’oxyde de fer de formule chimique Fe2O3. Le fer y est oxydé sous la forme ionique Fe3+.

Dépôts sédimentaires continentaux de couleur rouge, Blyde River Canyon, Afrique du Sud

D’après le site http://www.lalechere.co.za

Document 1.b : les fers rubanés ou B.I.F. (Banded Iron Formations), des formations océaniques

Les fers rubanés sont formés par une alternance

de couches d’oxydes de fer (rouges) et de couches siliceuses (grises). Ce sont des roches sédimentaires qui se sont formées en milieu marin par précipitation de fer et de silice en solution dans l’eau de mer.

Les couches rouges contiennent de l’hématite Fe2O3. Le fer y est oxydé sous la forme ionique Fe3+.

Fers rubanés de Barberton, Afrique du Sud

D’après le site http://planet-terre.ens-lyon.fr

Document 1c : extension temporelle

D’après C. Klein, Nature, 1997

Les plus anciens fers rubanés sont datés de 3,8 milliards d’années (fers rubanés d’Isua au Groenland). Les plus anciens sols rouges sont datés de 2,2 milliards d’années (Blyde River). Tous les sols fossiles

plus anciens sont dépourvus d’hématite et montrent un appauvrissement en fer que l’on attribue au lessivage des formes solubles du fer par les eaux de pluie.


Document 2 : les différentes formes ioniques du fer Le fer constitue 5% de la masse de la croûte terrestre. En solution aqueuse, le fer existe à l’état naturel sous deux formes ioniques :

• Fe2+ également noté Fe(II), • Fe3+ également noté Fe(III).

La forme Fe3+ est plus oxydée que la forme Fe2+. Ces deux formes ioniques ne présentent pas la même mobilité dans l’eau.

Comportement des ions fer en solution selon le degré d’oxydation

Document 3 : les stromatolithes Les stromatolithes sont des formations sédimentaires carbonatées (calcaires) marines constituées d’une

superposition de feuillets formant un dôme. L’origine biologique de ces formations a été démontrée pour des stromatolithes de 2,7 milliards

d’années. Les plus anciens stromatolithes ont été datés à environ 3,5 milliards d’années.

Stromatolithe de Pilbara, Australie. Photographie d’une structure retrouvée dans une lame mince de stromatolithe fossile (Pilbara, Australie)

Document 4 : les cyanobactéries Document 4a : caractéristiques des cyanobactéries actuelles

Les cyanobactéries sont des organismes microscopiques procaryotes. Leur cytoplasme contient notamment des pigments chlorophylliens.

Photographie au microscope optique de cyanobactéries actuelles (genre Nostoc)

D’après le site http://www.pasteur.fr

Document 4b : métabolisme des cyanobactéries actuelles Une culture de cyanobactéries est placée dans une enceinte hermétique. Les teneurs en dioxygène et

dioxyde de carbone sont relevées en différentes conditions d’éclairement.

Évolution des teneurs en dioxygène et dioxyde de carbone de la culture de cyanobactéries


Correction 1ère PARTIE (8 points). Neurone et fibre musculaire : la communication nerveuse / Maintien de l’intégrité de l’organisme.

La myasthénie

Après avoir décrit la réponse immunitaire aboutissant à la libération d’anticorps, expliquer comment la production d’anticorps spécifiques des récepteurs postsynaptiques rend difficile la contraction musculaire chez un patient atteint de myasthénie.

Introduction (non traitée) : entrée dans le sujet, termes clés, problématique…

I. La production des AC spécifiques dirigés contre les récepteurs post-synaptiques de la synapse NM.

- Les LB sélectionnés (la sélection clonale n’est pas à traiter) se multiplient (phase d’amplification) puis se différencient en plasmocytes sécréteurs d’AC. - Il y a nécessité d’une coopération avec les LTaux (voir chapeau du sujet où c’est clairement indiqué) qui synthétisent de l’IL2 permettant la multiplication puis la différenciation des LB en plasmocytes. - Les plasmocytes sécrètent alors de vastes quantités d’immunoglobulines (AC), molécules constituées de 4 chaînes polypeptidiques (2 courtes, 2 longues) reliées entre elles, identiques deux à deux. - Ces AC possèdent deux sites de liaison à un même AG (ici les récepteurs post-synaptiques de la synapse NM : c’est donc une maladie auto-immune). Les AC fixés aux récepteurs forment alors des complexes immuns. - Un schéma, par exemple de la multiplication à la différenciation des LB en plasmocytes, peut e^tre réalisé en parallèle.

II. La perturbation du fonctionnent de la synapse NM dans le cas de la myasthénie.

- La synapse NM se trouve au niveau de la plaque motrice, CAD au niveau de la zone de jonction entre le motoneurone et les fibres musculaires innervées. - Lorsqu’un train de PA arrive au niveau de la synapse NM, les vésicules chargées de NT (ici l’acétylcholine) migrent en direction de la membrane présysnaptique et fusionnent avec libérant leur contenu dans la fente synaptique (c’est l’exocytose). - L’acétylcholine se fixe alors sur les récepteurs postsynaptiques complémentaires, engendrant la genèse de PA musculaire provoquant la contraction des muscles. - Chez une personne myasthénique, les récepteurs postsynaptiques sont liés aux AC : ils sont donc inaccessibles à l’acétylcholine qui ne peut s’y fixer (ou mal). Il y a donc une altération de la contraction musculaire d’où les symptômes constatés : faiblesse musculaire des membres, et fatigabilité excessive.

Schéma imposé : schéma fonctionnel de la synapse NM chez un sujet sain et chez un patient myasthénique.

Sujet sain Sujet myasthénique


2ème PARTIE – Exercice 1 (3 points). Génétique et évolution.

1. Sous l’effet d’un éclairement unilatéral, la croissance d’un coléoptile est : □ plus importante du côté non éclairé que du côté éclairé.

2. Sous l’effet d’un éclairement unilatéral, la concentration d’auxine dans un coléoptile est : □ plus forte du côté non éclairé que du côté éclairé.

3. L’auxine est une hormone végétale qui : □ provoque un allongement des cellules d’un coléoptile.

4. La croissance orientée d’un coléoptile s’explique par un allongement plus important : □ des cellules du côté non éclairé et donc une courbure en direction de la lumière.

2ème PARTIE – Exercice 2 (obligatoire). 5 points. Le domaine continental et sa dynamique.

Le contexte géologique de la Sierra Nevada

On cherche les arguments montrant que la région de la Sierra Nevada (700 km de long, en Californie) est une ancienne zone de subduction. Document d’appel : longueur, situation et présence de volcans actuellement inactifs (Aurora-Bodie) et un vaste batholithe de roches grenues. Documents 1a et b. - On trouve de roches magmatiques volcaniques à Aurora Bodie. - Ces roches sont constituées de phénocristaux de biotite et de plagioclase, et d’une partie non cristallisée (verre) avec des microlithes d’amphibole et de pyroxène. Toute la roche n’est pas cristallisée = vitesse de refroidissement rapide (texture microlithique), ce qui confirme que c’est une roche volcanique. - Compte tenu de la minéralogie (Bt, Pl, Am, Py), cette roche est une andésite (voir diagramme). C’est une roche typique du volcanisme de subduction. Documents 2a, b et c. - Le batholithe de Sierra Nevada est constitué de granodiorite (granitoïde), roche grenue à lente vitesse de refroidissement. Il mesure plusieurs centaines de km de longueur, pour 100 km de large au maximum. - La coupe ouest sud-ouest / est nord-est à travers ce batholithe montre à l’ouest de ce batholithe la présence d’une croûte océanique passant visiblement sous la croûte continentale où se trouve le batholithe, avec des roches à glaucophane associée. Or, le glaucophane est un minéral du métamorphisme de gradient HP/BT (document 3c : minéral trouvé entre 1 et 2,5 GPa soit 15 à 60 km de profondeur, et 100 à 100°C quand on prend l’éventail le plus large), symptomatique de la subduction. Il semble donc y avoir actuellement la trace d’une ancienne subduction à l’ouest du batholithe, avec une plaque de nature océanique plongeant vers l’ouest. Le batholithe est donc situé à l’avant de la plaque subduite, sur la plaque chevauchante. Ceci confirmerait la subduction ancienne (la plaque océanique subduite, en s’enfonçant aurait subi un métamorphisme HP-BT qui aurait libéré l’eau contenue dans les minéraux la constituant, ce qui aurait permis la FP de la péridotite de la lithosphère chevauchante, engendrant des magmas de type granitoïde dont certain auraient cristallisé en profondeur au sein de la CC (batholithe) et dont d’autres auraient gagné la surface (andésite). Document 3. - On exploite ici la tomographie sismique, ce qui permet de distinguer les milieux plus chauds et moins denses (ondes retardées) des plus froids et plus denses (ondes accélérées). - Suivant le plan de coupe AB (sud-ouest – nord-est) qui traverse la massif (et notamment le batholithe), on reconnaît une zone où les ondes sont accélérées (+2 à +8%) = milieu froid à l’ouest, qui correspondrait à la plaque océanique plongeante (repérée dans le document 2). On retrouve une zone où les ondes sont retardées, sous le batholite (-4 à -2%) = milieu plus chaud (correspondant à la zone magmatique à l’origine du batholithe et du volcanisme de surface). Conclusion. Au niveau de la Sierra Nevada, on retrouve divers arguments montrant qu’il s’agit d’une ancienne zone de subduction :

- Des roches magmatiques plutonique (granitoïdes) et volcanique (andésites) caractéristiques - La trace de l’ancienne LO subduite à l’ouest de la chaîne, et notamment de minéraux du faciès HPBT

(glaucophane) - Une signature thermique particulière : traces de la LO plongeante froide et de la zone magmatique à

l’avant.


2ème PARTIE – Exercice 2 (spécialité). 5 points. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l’avenir.

La transformation de l’atmosphère terrestre

Problématique : on veut reconstituer la chronologie des événements ayant abouti à un enrichissement de l’atmosphère en O2 (à partir d’une atmosphère primitive qui n’en contenait pas).

Documents 1 et 2 couplés ensemble.

- Le fer est très présent dans la croûte terrestre.

- Les fers rubanés sont formés par une alternance de couches d’oxydes de fer (rouges) et de couches siliceuses (grises) comme sur la photographie. Ce sont des roches sédimentaires qui se sont formées en milieu marin par précipitation de fer et de silice en solution dans l’eau de mer. - Les couches rouges contiennent de l’hématite Fe2O3. Le fer y est oxydé sous la forme ionique Fe3+. - Or dans l’eau, le fer existe sous deux formes : Fe2+ et Fe3+. Fe3+ est plus oxydé que Fe2+. - En l’absence d’O2, Fe2+ reste en solution de couleur verdâtre et translucide. En présence d’O2, les ions Fe2+ sont oxydés en Fe3+qui précipite avec une couleur rouge (comme dans les fers rubanés et les sols continentaux).

- Cela montre, puisque ces formations contiennent du fer oxydé Fe3+, que l’hydrosphère de l’époque était oxydante et contenait donc de l’O2. - Ces formations apparaissent à partir de -3,8 Ga jusqu’à -1,8 Ga : on peut donc considérer qu’à partir de -3,8 Ga, il y avait donc de l’O2 dans l’hydrosphère (océans).

- Les paléosols, comme à Blyde River Canyon, se sont formés par altération de roches continentales au contact de l’atmosphère. - La couleur rouge de certains de ces sols provient de la forte teneur en hématite, minéral d’oxyde de fer de formule chimique Fe2O3. Le fer y est oxydé sous la forme ionique Fe3+. - Cela montre, puisque ces sols contiennent du fer oxydé Fe3+, que l’atmosphère de l’époque était oxydante et contenait donc de l’O2. - Ces sols sont datés de -2,2 Ga : à cette époque, il y avait donc de l’O2 dans l’atmosphère.

- On apprend par ailleurs qu’avant -2,2 Ga, tous les sols fossiles continentaux sont dépourvus d’hématite (pas de fer oxydé) et montrent un appauvrissement en fer que l’on attribue au lessivage des formes solubles Fe2+ du fer par les eaux de pluie. Le fer Fe2+ passait donc dans l’hydrosphère où il était oxydé en Fe3+ en présence d’O2 dans l’eau de mer, participant à la formation des fers rubanés. - En conclusion, l’O2 est d’abord apparu en milieu océanique, où il a été piégé dans l’hématite au fur et à mesure que le fer s’oxydait. Quand tout le fer marin a été oxydé, l’O2 a pu dans un second temps s’échapper dans l’atmosphère où il a cette fois oxydé les formations continentales.

D’où provient cet O2 ?

Documents 3 et 4 couplés ensemble.

- Les stromatolithes sont des formations sédimentaires carbonatées marines constituées d’une superposition de feuillets formant un dôme (c’est le cas sur la photographie à Pilbara). - L’origine biologique de ces formations a été démontrée pour des stromatolithes de 2,7 milliards d’années. C’est ainsi qu’à Pilbara, on reconnaît des structures filiformes d’environ 80 µm de long, constituées d’amas de « cellules ». - A l’heure actuelle, on connaît des structures similaires : ce sont les cyanobactéries comme Nostoc (procaryotes), êtres vivants constitués d’une file de cellules. - Le cytoplasme des cyanobactéries contient des pigments chlorophylliens : on peut supposer qu’elles sont photosynthétiques. - L’expérience ExAO sur la culture de cyanobactéries montre qu’à l’obscurité la concentration en O2 diminue dans le milieu alors que celle en CO2 augmente (au moins une valeur à indiquer) : les cyanobactéries consomment du O2 et rejettent du CO2. Il s’agit des échanges gazeux respiratoires. - A la lumière, la concentration en O2 augmente dans le milieu alors que celle en CO2 diminue (au moins une valeur à indiquer) : les cyanobactéries consomment du CO2 et rejettent du O2. Il s’agit des échanges gazeux photosynthétiques. Les cyanobactéries sont donc bien photosynthétiques - Comme les plus anciens stromatolithes ont été datés à environ 3,5 milliards d’années, on peut considérer que la photosynthèse existait déjà à cette époque, et donc que l’O2 est d’abord apparu dans l’eau (les stromatolithes sont marins). Cela coïncide a peu près à l’âge des premières formations de fer rubané (-3,8 Ga)

Conclusion. - Les cyanobactéries photosynthétiques présentes dans les stromatolithes sont à l’origine de la production d’O2. - Le dioxygène est d’abord apparu dans l’eau où il a oxydé le fer Fe2+ présent (= celui qui était dans l’eau + celui qui provenait de l’altération des continents émergés dans une atmosphère réductrice) sous forme de Fe3+ qui a précipité (fers rubanés). - Quand tout le fer océanique a précipité, l’O2 a pu gagner l’atmosphère dans un second temps : il a alors oxydé toutes les formations continentales (d’où les paléosols rouges). L’O2 s’est alors progressivement accumulé dans l’atmosphère qui est donc devenue oxydante.