Sujet 2023 1 - Spécialité SVT - Corrigé

Sujet bac : annale 20 mars 2023

EXERCICE 1 : Climat et utilisation des combustibles fossiles

Astuce

Répondre à un sujet de type bac, ce n’est pas commencer par se lancer directement dans la rédaction de l’introduction. Les premières minutes sont essentielles pour bien cerner le sujet, c’est-à-dire identifier les notions à développer et les notions à laisser de côté pour éviter le hors-sujet.
Ici, l’élément clé est la notion de « réchauffement climatique actuel » qu’il faudra donc expliquer, notamment dans sa composante naturelle (effet de serre). Ensuite, il faudra faire lien entre ce réchauffement et l’utilisation de combustibles fossiles, mais aussi le lien entre ces combustibles fossiles et l’énergie solaire du passé. Le plan en deux parties est donc identifiable rapidement :

• lien entre énergie solaire et combustibles fossiles ;
• lien entre utilisation combustibles fossiles et réchauffement climatique actuel.

Peu de pièges à éviter dans ce sujet : il est assez clair que les autres mécanismes à l’origine des climats de la Terre (paramètres orbitaux par exemple) ne sont pas à développer.

Introduction :

Depuis la révolution industrielle, l’utilisation massive des combustibles fossiles a provoqué d’importantes émissions de $\text{CO}_2$ dites anthropiques (d’origine humaine) dans l’atmosphère. Il existe aujourd’hui un consensus scientifique total sur les conséquences de ces émissions qui provoquent un dérèglement du climat, et notamment une augmentation de la température moyenne de la Terre. La principale ressource utilisée dès le début de la révolution industrielle et aujourd’hui encore est une roche sédimentaire d’origine organique : le charbon. On se propose ici de montrer que le réchauffement climatique actuel est en partie lié à l’utilisation anthropique d’une énergie solaire du passé.
Pour cela, nous montrerons dans une première partie que l’énergie solaire participe à une production de matière organique via un processus appelé photosynthèse, et que cette matière organique produite peut être fossilisée. Puis nous montrerons, dans une seconde partie, le lien que nous pouvons faire entre la combustion de cette matière organique fossilisée, le $\text{CO}_2$ et le réchauffement du climat.

Astuce

Une introduction doit débuter par une phase de contextualisation : il s’agit d’amener progressivement la réflexion sur le sujet. Ici, on commence par rappeler le contexte historique à l’origine de l’utilisation des combustibles fossiles par les êtres humains : la révolution industrielle.
Ensuite on se rapproche plus précisément du sujet en annonçant le lien qui sera démontré entre cette utilisation et un réchauffement du climat.
On termine par une annonce de la démarche que nous allons suivre : présenter l’origine du stockage important de cette matière organique puis le lien entre son utilisation par combustion et le réchauffement du climat.

Une combustion naturelle de l’énergie solaire : la photosynthèse

Attention

Pour vous aider à visualiser le corrigé, nous allons mettre des titres aux parties du développement : il n’est pas obligatoire de les écrire sur votre copie le jour de l’épreuve, mais vous pouvez au moins les noter sur votre brouillon pour vous aider à structurer vos idées (travail sur le plan de votre paragraphe argumenté).

• Le mécanisme de photosynthèse : une conversion de l’énergie solaire

La photosynthèse est un processus biologique que peuvent réaliser les organismes dits « chlorophylliens ». Ce processus a besoin d’une source d’énergie : l’énergie solaire.
Grâce à sa captation par un pigment appelé « chlorophylle », l’énergie solaire est convertie en une énergie chimique qui participe à la synthèse de molécules organiques comme le glucose.
Ce glucose peut intervenir ensuite dans de nombreuses réactions métaboliques et permet aux organismes chlorophylliens de produire eux-mêmes toutes sortes de molécules organiques, comme la cellulose (constituant principal des parois des cellules végétales) ou encore la lignine (molécule conférant une rigidité aux tissus de certains végétaux).
Au cours de cette réaction de photosynthèse, un gaz est consommé, le dioxyde de carbone $\text{CO}_2$, car la matière organique a besoin de l’élément carbone. Outre le glucose, un gaz est également produit, le dioxygène, qui sera libéré par l’organisme. Ces échanges gazeux ($\text{CO}_2$ entrant, $\text{O}_2$ sortant) se font au niveau des feuilles des plantes chlorophylliennes, et plus précisément au niveau de structures appelées stomates :

• La photosynthèse, un puits de carbone éternel ?

Ainsi, la photosynthèse est un processus considéré comme un puits de carbone, dans la mesure où elle retire du $\text{CO}_2$ présent dans l’atmosphère.
Après la mort des organismes chlorophylliens (tout comme de celle de n’importe quel organisme vivant), cette matière organique est la plupart du temps dégradée, mais il peut arriver que dans certaines conditions particulières une partie de cette matière organique puisse être fossilisée. Si cette matière est principalement d’origine végétale, cette accumulation peut former une roche sédimentaire appelée charbon.
Au Carbonifère, période située il y a environ 300 millions d’années, les conditions étaient particulièrement réunies pour une très forte production et fossilisation de matière organique, notamment chlorophyllienne, ce qui a généré de très importants gisements de charbon encore utilisés aujourd’hui.
Ainsi, d’une certaine manière, c’est une forme d’énergie solaire du passé qui est convertie et stockée dans le sol sous forme de charbon.

L’énergie solaire a donc été la source d’énergie permettant à des organismes de créer une immense quantité de matière organique pouvant se fossiliser. Depuis la révolution industrielle, les humains utilisent cette matière organique fossile, telle que le charbon, comme combustible pour nombres d’activités. Malheureusement, cette combustion n’est pas sans conséquence sur le climat de la Terre, c’est ce que nous allons voir dans la seconde partie.

Astuce

Une transition ne se résume pas à annoncer la fin d’une partie et le début d’une autre ; la transition doit justifier la nécessité d’avoir recours à cette nouvelle partie. Ici, après avoir compris et expliqué le lien entre énergie solaire, production de matière organique et stockage de cette matière, la deuxième partie va permettre de comprendre les conséquences de sa combustion sur le climat de la Terre.

Lien entre combustion de matière organique fossile et réchauffement du climat

• Le mécanisme de l’effet de serre

C’est depuis la révolution industrielle qu’une combustion massive de matière organique fossile comme le charbon a commencé pour atteindre aujourd’hui $34\ \text{Gt}\cdot\text{an}^{-1}$. Cette combustion n’est pas sans conséquence sur le climat de notre planète.
En effet, le processus chimique de combustion, s’il a pour but de libérer de l’énergie utilisable par les humains, s’accompagne d’une libération de $\text{CO}_2$. $$\text{carbone}+ \text{dioxygène} \to \text{CO}_2 + \text{eau}+ \text{énergie}$$ $$\text{Réaction de combustion}$$

Cette libération massive contribue à dérégler le cycle naturel du carbone. En effet, le $\text{CO}_2$ qui était piégé depuis des millions d’années dans le sol (et donc retiré de l’atmosphère) est brutalement libéré depuis 150 ans. Ce $\text{CO}_2$ libéré s’accumule alors dans l’atmosphère, et cette accumulation amplifie un phénomène naturel : l’effet de serre.
L’effet de serre correspond à un réchauffement de certaines molécules de l’atmosphère, dont le $\text{CO}_2$, sous l’action des infra-rouges contenus dans la lumière solaire. Ce réchauffement est donc celui de l’atmosphère.

• Les conséquences de l’augmentation de l’effet de serre

Ainsi, la combustion massive de combustibles fossiles comme le charbon est à l’origine d’une augmentation importante de la quantité de $\text{CO}_2$ dans l’atmosphère, ce qui provoque le réchauffement actuel de notre climat.
Malheureusement cette augmentation est à l’origine d’autres phénomènes qui peuvent à leur tour amplifier ce réchauffement et l’accélérer : on parle de boucles de rétroactions positives. C’est le cas par exemple lorsque l’augmentation de la température provoque une accélération de la fonte des glaces au niveau des pôles. De par leur couleur blanche, ces glaces contribuaient à réfléchir une part importante de l’énergie solaire. Leur fonte, et leur remplacement par l’océan ou des terres, donc des surfaces plus foncées, diminue cette réflexion et augmente l’absorption d’énergie solaire par la surface de la Terre, c’est-à-dire la chaleur. On dit alors que l’albédo de la Terre diminue. La température des océans augmentant, la solubilité du $\text{CO}_2$ atmosphérique dans l’eau diminue, ce qui ralentit l’absorption du $\text{CO}_2$ atmosphérique par l’océan et contribue ainsi à son accumulation dans l’atmosphère, et donc au réchauffement climatique.
On voit ainsi que le réchauffement climatique actuel est au moins en partie lié à l’utilisation anthropique d’une énergie solaire du passé stockée dans les combustibles fossiles.

Astuce

Ne pas oublier de répondre véritablement à la question à la fin de votre développement !

EXERCICE 2 : Mucoviscidose : mutations et traitement

Astuce

Répondre à un sujet de type bac, ce n’est pas commencer par se lancer directement dans la rédaction de l’introduction. Les premières minutes sont essentielles pour bien cerner le sujet, c’est-à-dire identifier les notions à développer et les notions à laisser de côté pour éviter le hors-sujet.
Ici, le sujet demande clairement d’expliquer (donc d’argumenter, et pas simplement d’affirmer !) pourquoi un traitement ne fonctionne que sur un certain type de mucoviscidose.
Il faudra donc découper le travail en présentant d’abord l’origine et le fonctionnement de cette maladie génétique (donc faire le lien gène – mutation – protéine modifiée –symptômes) : cela correspond aux documents 1, 2 et 3. Il faudra ensuite présenter en quoi le traitement proposé est efficace et pourquoi il ne l’est que sur certaines formes de la maladie : cela correspond au document 4.
Le travail au brouillon ne doit consister qu’en l’identification sous forme de tirets des informations pertinentes de chaque document. La construction se fera ensuite au fur et à mesure directement sur la copie.

Introduction :

La mucoviscidose est une maladie grave qui touche principalement les voies respiratoires et le système digestif. Son origine génétique a été démontrée en 1989 avec la découverte du gène CFTR. Mais l’enthousiasme d’un traitement possible sur un gène a été déçu par l’identification de plus de 2 000 mutations différentes de ce gène. Les pistes s’orientent donc vers des traitements plus individualisés en fonction de la mutation concernée. Ainsi, depuis 2021, un traitement reposant sur 3 molécules existe, mais n’est proposé qu’aux patients porteurs d’une mucoviscidose présentant la mutation delF508.
On peut donc chercher à expliquer pourquoi ce nouveau traitement associant 3 molécules n’est prescrit qu’aux patients atteints de mucoviscidose présentant la mutation delF508.
Pour cela, nous caractériserons la particularité de cette mucoviscidose en lien avec la mutation delF508, puis nous verrons dans une deuxième partie comment agit ce traitement et pourquoi il ne peut agir que sur ce type précis de mucoviscidose.

Astuce

Une introduction doit débuter par une phase de contextualisation : il s’agit d’amener progressivement la réflexion sur le sujet. Ici, on commence par présenter la maladie dont le travail va faire l’analyse : la mucoviscidose.
Ensuite, on se rapproche plus précisément du sujet : le fait qu’il existe de nombreuses origines génétiques de la maladie et que les traitements ne semblent fonctionner que sur l’une d’elles. L’exemple sera ici un traitement qui ne semble agir que sur une mutation particulière.
On termine par une annonce de la démarche que nous allons suivre : présenter ce qui fait la particularité de cette mutation dans la maladie, puis pourquoi le traitement ne fonctionne-t-il que sur cette version.

L’origine de la mucoviscidose associée à la mutation delF508

Le premier document (1a) nous permet de comprendre l’origine des symptômes de la mucoviscidose. En effet, pour une fonction respiratoire saine, un mucus fluide est indispensable pour expulser les bactéries ou les impuretés qui auraient pénétré jusqu’aux poumons (bronches, alvéoles, etc.). La présence de ce mucus fluide est liée au fonctionnement de la protéine CFTR. Cette protéine est un canal perméable aux ions chlore, et est notamment présente dans les muqueuses respiratoires (mais aussi digestives, ce qui explique les autres symptômes de la mucoviscidose). Ce canal permet un flux d’ions chlore, ce qui crée un mucus fluide.

Astuce

Dans beaucoup de sujets, il est nécessaire de faire le lien entre une maladie, un dysfonctionnement de l’organisme et une protéine. Or, il est indispensable que le mot « protéine » soit associé dans votre esprit à « gène » et donc à « mutation ». En effet, une protéine est forcément issue d’un gène par transcription puis traduction, donc une mutation qui affecte un gène aura des répercussions sur la protéine concernée.

Or, les connaissances des mécanismes de l’expression génétique par transcription d’un gène puis traduction de son ARNm en protéine nous permettent d’envisager l’origine d’un dysfonctionnement de la protéine CFTR. En son absence ou en cas de dysfonctionnement, le mucus fluide ne se forme pas et les bactéries et impuretés s’accumulent, ce qui est à l’origine des nombreuses infections et de l’accumulation de mucus visqueux chez les individus atteints de mucoviscidose.
La protéine CFTR est une protéine formée de 1 480 acides aminés. Différentes versions de cette protéine sont comparées dans le document 1b. Par rapport à la séquence de référence, on constate que :

• la version portant la mutation delF508 présente une délétion (perte d’un fragment d’ADN) de trois nucléotides aux positions 1522-1523-1524, ce qui se traduit par la perte de l’acide aminé 509 Phe. Cette suppression décale donc l’ensemble des acides aminés suivants ;
• la version portant la mutation G542X présente une substitution d’un nucléotide G en T à la position 1624, ce qui se traduit par la perte des acides aminés à partir du 542^e. La substitution du nucléotide a en effet codé un codon stop en position 541 et ainsi provoqué l’arrêt de la traduction. La protéine CFTR sera donc tronquée ;
• la version portant la mutation G551D présente une substitution d’un nucléotide G par A à la position 1652, ce qui cause le remplacement de l’acide aminé 551 Gly en Asp. On constate donc bien que les différentes mutations touchant le gène CFTR, de différents types (délétion, substitution) vont avoir des conséquences différentes (protéine tronquée, protéine à la séquence différente) et que, par conséquent, un traitement unique pourrait en effet rencontrer des difficultés pour résoudre des problèmes aux origines différentes.

Les conséquences de ces différentes mutations sont abordées dans le document 1b, par la comparaison d’électrophorèses de ces différentes versions de la protéine CFTR. Pour fonctionner, la protéine CFTR doit être mature et avoir un poids moléculaire de $170 \ \text{kDa}$. Or, on remarque que :

• la cellule dont le gène CFTR présente la mutation G542X ne possède pas de protéine CFTR visualisable aux poids moléculaires de la protéine immature ni mature (en effet, l’arrêt de la traduction a conduit à une protéine tronquée) ;
• la cellule dont le gène CFTR présente la mutation delF508 possède une protéine CFTR de $140 \ \text{kDa}$, donc sous forme immature et non fonctionnelle ;
• la cellule dont le gène CFTR présente la mutation G551D possède une protéine CFTR de $170 \ \text{kDa}$, donc de forme mature, donc a priori fonctionnelle.

Ces mutations, et donc le degré de maturité des protéines, vont avoir des conséquences sur la localisation des protéines. C’est ce que nous montre le document 3. Les protéines CFTR fonctionnelles sont localisées au niveau de la membrane plasmique. En revanche, les protéines CFTR delF508 sont localisées au niveau du réticulum endoplasmique et ne pourront donc pas jouer leur rôle de canal pour les ions chlore et générer un mucus fluide.
Pour ce qui est des protéines CFTR G542X, le nouveau codon stop explique l’absence de protéine CFTR fonctionnelle.

• On en déduit que la mutation delF508 est responsable de la mucoviscidose à cause d’une délétion d’un codon, qui empêche la maturation de la protéine CFTR, ce qui résulte en sa mauvaise localisation dans la cellule, et elle n’est donc pas fonctionnelle. Chaque autre mutation est différente de celle-ci, et cela laisse entrevoir le fait qu’un traitement applicable à tous les types de mutation puisse être difficile à envisager. Il serait néanmoins possible de se diriger vers des traitements plus ciblés. C’est ce que nous allons voir dans la deuxième partie.

Astuce

Une transition ne se résume pas à annoncer la fin d’une partie et le début d’une autre ; la transition doit justifier la nécessité d’avoir recours à cette nouvelle partie. Ici, après avoir compris et expliqué l’origine des différentes formes de mucoviscidose dans une première partie, la deuxième partie va permettre de comprendre comment un traitement peut fonctionner et pourquoi il ne peut pas s’adapter à tous les types de mutations.

L’efficacité du traitement et ses limites

Le document 4 rappelle qu’un traitement, disponible depuis 2021 en France, est composé de l’association de 3 molécules et ne concerne que les malades de plus de 12 ans possédant la mutation de type delF508.
L’efficacité du traitement est illustrée dans le document 4a. En effet, cette efficacité est démontrée par la comparaison d’une électrophorèse d’un sujet malade delF508 sans traitement, où nous avions vu que la protéine CFTR était immature ($140 \ \text{kDa}$), et d’un sujet malade delF508 avec ce nouveau traitement. Cette fois, les protéines produites sont matures avec une électrophorèse semblable au témoin du document 2. Cependant, nous avions vu aussi dans ce précédent document qu’une protéine mature n’était pas forcément signe d’absence de maladie, puisque les malades G551D avaient une électrophorèse semblable au témoin mais étaient pourtant malades.

Le dernier document 4b va donc nous permettre de mieux évaluer l’efficacité du traitement. Le VEMS (volume maximum d’air qu’une personne peut expirer en une seconde) est un paramètre révélateur d’une bonne fonction respiratoire. Ici, nous suivons une cohorte de patients atteints de la mutation delF508 dont la moitié ont reçu le nouveau traitement et une autre moitié un placébo. Au départ de l’étude, il est important de constater que tous les patients avaient des VEMS similaires et très en-deçà de celle d’un sujet sain.
On s’aperçoit que chez les patients ayant eu le placébo, il n’y a pas eu d’amélioration du VEMS, et même une dégradation après 16 semaines. En revanche, chez les patients ayant suivi le traitement, l’amélioration du VEMS est notable, avec quasiment $15\,\%$ de progrès (ce qui ne revient cependant pas à une valeur de sujet sain).

• Le traitement a donc une efficacité chez les patients delF508. Il permet la maturation de la protéine CFTR, donc a priori sa bonne localisation, et diminue les symptômes respiratoires de la maladie. Les autres mutations présentant d’autres conséquences que la maturation de la protéine CFTR, on comprend alors que ce traitement ne doit fonctionner que sur les patients présentant la mutation delF508. Un document comparant l’effet de ce traitement sur des patients présentant d’autres types de mutation aurait permis de vérifier cette hypothèse.

Conclusion :

Pour conclure, nous avons pu comprendre le paradoxe d’un traitement efficace contre la mucoviscidose mais qui ne fonctionne que sur un certain type de mucoviscidose.
Cette maladie génétique touche le gène CFTR, et donc la protéine CFTR qui ne permet plus un flux d’ions chlore à l’origine d’un mucus fluide au niveau des muqueuses. Les bactéries et impuretés s’accumulent donc, et les infections se déclenchent. Différentes mutations peuvent toucher ce gène, à l’origine de différents types de dysfonctionnements de la protéine CFTR. Ainsi, étant donné que les mutations mènent à des conséquences différentes, un traitement ne pourra fonctionner a priori que sur un type de dysfonctionnement. C’est le cas de ce nouveau traitement associant 3 molécules, qui fonctionne bien, avec une amélioration du VEMS notable, mais uniquement pour les porteurs de la mutation delF508.
On peut alors penser que de nouveaux traitements adaptés à d’autres types de mutation sont à l’étude et devraient donner des résultats.

Astuce

Une conclusion consiste à récapituler les différentes informations et déductions développées dans le travail. Rien de nouveau concernant l’analyse ne doit donc être apporté. Il est cependant intéressant de terminer par une ouverture qui montre au correcteur la capacité du candidat à élargir le sujet.