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Sujet zéro 2021 1 - Spécialité SVT - Corrigé
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Corrigé bac

Des mécanismes à l’origine de la diversité génétique des individus

Présentez les différents mécanismes, dont celui illustré par le document 1, qui contribuent à la diversité génétique des individus de la descendance.

Introduction :

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Rappel

Une introduction dans un devoir de SVT répond à des critères importants qu’il ne faut pas négliger. Il est ainsi nécessaire de commencer par une contextualisation du sujet afin d’amener l’évaluateur·rice à entrer dans le thème et l’idée générale du sujet. Une problématique devrait ensuite émerger de cette approche. Suivra enfin l’annonce du plan qui doit correspondre aux différentes étapes permettant d’apporter des réponses à la problématique formulée.

Face à un environnement changeant, les mécanismes de la sélection naturelle ont retenu des individus capables de fournir une diversité dans leur descendance. En effet, une descendance qui ne serait que des clones de parents adaptés à un milieu donné serait menacée si ce milieu changeait. Il existe de nombreux mécanismes à l’origine de la diversité génétique des individus. Cependant, nous pouvons nous demander comment un mécanisme tel que la reproduction sexuée peut contribuer à une diversification du vivant tout en conservant un minimum de stabilité indispensable au maintien des caractères propres à l’espèce.
Pour répondre à ce paradoxe, nous verrons que le processus de formation des cellules sexuelles, appelé méiose, permet de générer une grande diversité de gamètes. Puis nous terminerons en montrant qu’au-delà même de leur formation, la rencontre des gamètes, appelée fécondation, est aussi une source de diversification.

Une source de diversification colossale : la formation des cellules sexuelles (ou méiose)

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Astuce

Afin de bien cerner son sujet et de montrer à l’évaluateur·rice qu’un travail de réflexion important a été mené, il faut toujours définir (dans l’introduction ou au début de votre première partie) les notions clés dont vous allez vous servir.

Avant toute chose, il est important de rappeler ce qu’est la reproduction sexuée. Il s’agit d’un mode de reproduction qui nécessite l’intervention de deux individus, de la même espèce mais de sexes différents, qui produisent des cellules sexuelles dont l’union donnera naissance à un nouvel individu.
Cette production de gamètes s’effectue par un mécanisme biologique appelé méiose. La première conséquence de la méiose est la réduction du nombre de chromosomes, condition absolue pour le maintien du caryotype caractéristique de l’espèce concernée. Ainsi, si chaque cellule humaine possède 4646 chromosomes (2323 paires), les gamètes doivent n’en contenir que 2323 afin que leur réunion aboutisse bien à 4646 chromosomes (2323 + 2323). Cette réduction chromosomique s’effectue en deux divisions successives à partir d’une cellule mère diploïde (cellule possédant deux chromosomes par lot) donnant quatre cellules filles haploïdes (cellule possédant un chromosome par lot) ayant chacune un chromosome à une chromatide de chaque paire.
Prenons comme exemple une cellule possédant quatre chromosomes donc avec une formule chromosomique 2n=42n=4.

Alt texte Méiose

On voit bien la stabilité que ce processus permet avec cette alternance de cellules diploïdes puis haploïdes puis à nouveau diploïdes après la fécondation. Mais où est la variabilité dans ce mécanisme ?
Dans notre schéma 1, les deux chromosomes d’une même paire (les rouges par exemple) se sont séparés durant la première méiose. Un chromosome rouge est allé dans une cellule et l’autre dans la seconde. Mais le hasard aurait très bien pu faire l’inverse ! Et cela n’est pas sans conséquence puisque les deux chromosomes d’une paire ne sont pas identiques, l’un provenant du père, l’autre de la mère. C’est ce que nous allons appeler le brassage interchromosomique.

  • Le brassage interchromosomique à l’origine de nouvelles combinaisons d’allèles

Le terme « brassage » fait clairement référence à une notion de mélange, de redistribution aléatoire des cartes génétiques. Bien sûr, pas question de distribuer n’importe comment les chromosomes au risque d’avoir des gamètes n’en possédant pas le nombre attendu. La notion de brassage ne concerne que les chromosomes d’une même paire qui peuvent porter des allèles différents pour un gène donné (on parle d’hétérozygotie).
Pour illustrer les conséquences de ce brassage, il est nécessaire de placer deux gènes et leurs deux allèles afin d’observer concrètement la diversité engendrée par ce brassage.
Une paire de chromosomes portera le gène A avec ses allèles AA et aa et une paire portera le gène B avec ses allèles BB et bb ; toujours dans une cellule de formule chromosomique 2n=42n = 4.

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Attention

La représentation d’allèles portés par des chromosomes est une grande source d’erreurs chez les candidat·e·s. Il convient donc d’y apporter une grande vigilance au brouillon et d’avoir à l’esprit que des chromosomes sont formés de deux chromatides identiques car issues de la réplication de l’ADN et que le brassage ne peut concerner que des chromosomes d’une même paire au risque de perdre des chromosomes dans un gamète, ce qui ne serait pas viable.

Alt texte Mécanisme du brassage interchromosomique

Grâce à cette séparation aléatoire des chromosomes durant la phase appelée anaphase de la première division méiotique, on obtient, à partir de deux paires de chromosomes seulement et deux gènes, quatre gamètes génétiquement différents, c’est-à-dire possédant des combinaisons d’allèles différentes. Cela équivaut à 222^{2} où l’exposant correspond au nombre de paires de chromosomes. Si on généralise ce calcul à une cellule humaine, on arrive à 2232^{23} (puisqu’il y a 2323 paires pour une cellule humaine) soit plus de huit millions de gamètes différents, et ceci pour les deux sexes.
On le voit donc bien, la méiose, par l’intermédiaire du brassage interchromosomique, permet la création d’un grand nombre de gamètes différents et contribue ainsi à la diversification du vivant.
Cependant les généticiens ont constaté la possibilité de combinaisons de phénotypes (c’est-à-dire de caractères) non prévus par la méiose et donc une diversité génétique plus grande encore que celle engendrée par le brassage interchromosomique. Des expériences de croisement de drosophiles peuvent par exemple donner naissance à des combinaisons d’allèles qui n’existaient pas chez les parents. Le document 1 fourni illustre d’ailleurs ce phénomène que nous allons détailler dans le paragraphe suivant.

  • Le brassage intrachromosomique

Le document 1 représente des chromosomes en anaphase de la première division méiotique présents dans des cellules de testicules de criquet. Une fois interprétée, il représente en fait les deux chromosomes d’une même paire qui se chevauchent au risque de s’emmêler : c’est d’ailleurs précisément ce qu’il peut alors se produire. Lors de leur éloignement, des fragments réciproques de chromatides peuvent s’échanger au niveau d’un point appelé chiasma. Le phénomène d’échange étant appelé crossing-over. Reprenons le même type de convention que dans le schéma 2 afin d’en illustrer les conséquences. Nous rajouterons cette fois le gène C avec ses allèles CC et cc sur le chromosome portant le gène A.

Alt texte Mécanisme du brassage intrachromosomique

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Attention

De nombreux candidat·e·s réalisent des échanges de gènes au lieu d’allèles ; erreur très courante et lourdement sanctionnée ! Soyez très attentifs : seuls des allèles peuvent être échangés !

Ce schéma illustre bien, par l’échange de fragments de chromatides, l’apparition de nouvelles combinaisons d’allèles non prévues par une méiose dite traditionnelle. Le phénomène de crossing over (ou recombinaison) étant rare, cela explique que le pourcentage de gamètes dits « recombinés » soit plus faible que les gamètes dits « parentaux ».

Remarque : Le phénomène de crossing-over peut parfois être inégal donnant un gamète à qui il manquera un gène mais un autre gamète qui aura récupéré les deux allèles. Ceux-ci sont bien sûr identiques au départ mais le phénomène de mutations, aléatoires, éloignera progressivement ces deux copies, « autorisant » une des deux copies à perdre la fonction initiale (puisqu’une autre copie est présente pour l’assurer) et à potentiellement faire apparaître une nouvelle fonction. C’est le cas des gènes de la famille des opsines (pigments de la rétine) ou des gènes d’hormones hypophysaires. On parle de famille multigénique.
Cette anomalie est un moteur important de la diversification du vivant.

Alt texte Crossing-over inégal

Nous l’avons vu, la méiose, par l’intermédiaire d’un brassage interchromosomique mais aussi intrachromosomique, est à l’origine de nouvelles combinaisons d’allèles, source de diversification du vivant. Mais la reproduction ne s’arrête pas à la production des gamètes. Elle se poursuit par leur éventuelle rencontre appelée fécondation ; et nous allons voir qu’elle aussi est source de diversification génétique du vivant.

la fécondation est à l’origine d’une amplification de la diversité génétique

Certaines espèces à reproduction sexuée sont capables de réaliser, dans certaines conditions, une reproduction asexuée. Elle correspond à une sorte de clonage, à la réalisation d’une descendance qui sera génétiquement identique au parent. Si elle apporte des avantages dans certains milieux (colonisation rapide par exemple), elle n’engendre pas de diversité génétique et menace donc les descendants. La reproduction sexuée quant à elle, est à l’origine de descendants non seulement génétiquement différents entre eux et avec les parents mais aussi uniques.
La fusion d’un gamète mâle avec un gamète femelle, qui rétablit la diploïdie, a ceci d’important qu’elle s’effectue de manière aléatoire. Ainsi le nombre de combinaison alléliques possibles augmente considérablement. Pour l’espèce humaine, on aura donc 223spermatozoı¨des2^{23}\,\text{spermatozoïdes} (nombre qui ne prend en compte que le brassage interchromosomique) ×223ovocytes\times{2{23}}\,\text{ovocytes} différents donnant 246cellules-œufs2^{46}\,\text{cellules-œufs} différentes possibles.

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Rappel

Une conclusion doit tout d’abord contenir la réponse à la problématique posée ! Ensuite, un court rappel des notions principales abordées permettra de justifier cette réponse. Elle se termine par une « ouverture », c’est-à-dire une notion à la frontière du sujet qui permet de montrer à l’évaluateur·rice le recul que vous êtes capable de prendre sur le sujet.

Conclusion :

Dans ce devoir nous avons donc vu que la reproduction sexuée générait une très grande diversité génétique parmi les descendants, stratégie retenue par la sélection naturelle en réponse à un environnement instable.
La méiose tout d’abord, par une distribution aléatoire des chromosomes ,donc des allèles, lors du brassage interchromosomique ainsi que par des échanges réciproques de fragments de chromatides lors du brassage intrachromosomique permet cette diversité génétique. Puis, dans un second temps, la fécondation, grâce à la rencontre aléatoire de deux gamètes parmi l’immense diversité possible, crée de nouvelles combinaisons d’allèles chez les descendants. Méiose et fécondation sont ainsi deux moteurs de la diversification du vivant. Les différences peuvent s’accumuler et un processus de spéciation peut, dans certains cas, commencer.
Il existe bien d’autres mécanismes, non abordés ici, qui génèrent de la variabilité génétique : par exemple les anomalies de répartition des chromosomes lors de la méiose. Les mutations bien sûr, mais aussi une reproduction entre des espèces proches mais pourtant différentes (l’hybridation), sont elles aussi responsables de descendants génétiquement nouveaux.
La trop grande proximité génétique comme dans les familles royales françaises par consanguinité ou dans la population de guépards africains par une réduction drastique de leurs effectifs a été ou est à l’origine de nombreuses anomalies qui menacent directement les individus et donc leurs espèces.
Comment ne pas terminer par la célèbre citation du généticien André Langaney qui résume bien notre travail « Quand on fait un œuf, on fait du neuf ! ».

Reconstitution de l’histoire géologique d’une partie de l’île de Groix

Montrez que l’étude de cette roche permet de retracer une partie de l’histoire géologique de l’île de Groix.

Introduction :

Depuis des millénaires, l’être humain cherche à comprendre et à expliquer l’environnement qui l’entoure. Les paysages et les phénomènes naturels ne font pas exception. Leur appréhension directe est rendue difficile par l’échelle spatiale, et surtout temporelle, des mécanismes géologiques. La compréhension de ceux-ci passe par l’identification et l’interprétation d’éléments appelés marqueurs. Nous nous demanderons comment ces marqueurs permettent directement ou indirectement de retracer le passé mouvementé de la Terre. Dans ce sujet, l’île de Groix, au sud de la Bretagne, possède certains marqueurs qui vont nous permettre de retracer une partie de l’histoire géologique de l’île.
Nous verrons dans un premier temps comment l’identification minéralogique permet de comprendre les événements géologiques vécus par ces roches, puis nous montrerons que leur composition peut aussi permettre de dater ces événements.

À la recherche d’océans disparus

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Attention

En géologie, beaucoup de candidat·e·s ont tendance à citer des marqueurs, à les identifier sans expliquer en quoi ils seraient marqueurs de tel ou tel événement. Prenez donc bien garde à ne pas vous cantonner à un niveau descriptif : vous devez aussi expliquer vos observations.

L’étude du document 1 nous permet d’identifier la nature, la structure et la composition d’un type de roche, retrouvée sur l’île de Groix, qu’on appelle glaucophanite. Les glaucophanites présentent des grains sombres identifiés par le document 1 comme étant des grenats. Ceux-ci sont entourés de minéraux à dominantes verte et bleue : respectivement la jadéite et le glaucophane.
Grâce au document 2, qui est le domaine de stabilité de différents minéraux en fonction de la pression et de la température, nous allons pouvoir associer les minéraux de la glaucophanite à des conditions de pression et de température et donc à un contexte géodynamique. En effet, les contextes géodynamiques (océanisation, subduction, collision) ont des conditions de pression et de température caractéristiques. Ces dernières vont laisser des traces sur les roches et leurs minéraux, traces que nous serons alors en mesure d’interpréter.

Alt texte Stabilité des minéraux en fonction de la pression et de la température

La condition de formation, dans une même roche, de grenat, glaucophane et jadéite est réalisable à une température de 400°C400\,\degree\text{C} et à une pression de 1500MPa1500\,\text{MPa}. Or, cette pression est atteinte à 50km50\,\text{km} de profondeur. Nous pouvons en outre préciser que ces conditions ne sont atteintes que dans un contexte de subduction, ce que confirme le gradient géothermique de subduction représenté dans le document 2. Le gradient géothermique, qui correspond au taux d’augmentation de la température en lien avec la profondeur, nous dit que dans le cas d’une subduction, la température augmente relativement lentement ; au contraire, la pression augmente très fortement.

  • Ces conditions de pression et de température particulières engendrent la formation de glaucophane, jadéite et grenat qui n’est observable que dans un contexte de subduction.
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Attention

Si les minéraux caractérisent une subduction, il ne faut toutefois pas oublier que les roches sont observées aujourd’hui à la surface ! Elles ont donc été exhumées, ce qu’il ne faudra pas manquer de mentionner.

Leur présence aujourd’hui en surface sur l’île de Groix ne peut s’expliquer que par leur exhumation, c’est-à-dire leur remontée à la surface après avoir été à plus de 50km50\,\text{km} de profondeur. Cela représente la dernière « étape ».
Nous pouvons d’ores et déjà dire que les roches présentes sur l’île de Groix ont connu, par le passé, un épisode de subduction. Mais nous pouvons aller plus loin. La présence de glaucophane, jadéite et grenat correspond à la modification, à l’état solide sous l’effet de la température et de la pression, d’une roche préexistante, c’est-à-dire que ces minéraux sont présents dans une roche métamorphique. On peut alors se demander quelle était la roche à l’origine des glaucophanites.

Alt texte Tableaux 1 et 2

Le document 4 peut nous apporter des éléments de réponse. Dans le premier tableau, nous consultons les résultats de l’analyse de la teneur en différents éléments de six glaucophanites de l’île de Groix. On remarque que sans être strictement les mêmes, ces six glaucophanites ont des points communs : comme une teneur autour de 50%50\,\% en SiO2\text{SiO}_2, ou une teneur autour des 10%10\,\% en CaO\text{CaO}. Le deuxième tableau donne le même type de renseignements (teneur en différents éléments) mais pour d’autres roches comme la péridotite (roche du manteau), le gabbro (roche de la croûte océanique etc.). Par comparaison, nous pouvons dire que la composition des glaucophanites se rapprochent le plus de la composition d’un gabbro. Elles ne sont pas similaires évidemment puisque les glaucophanites sont des roches métamorphiques donc modifiées par rapport à la roche initiale, mais elles en restent proches. On peut donc supposer que les glaucophanites sont des métagabbros, témoins d’une ancienne croûte océanique qui a disparu dans une zone de subduction.

Alt texte Stabilité des minéraux en fonction de la pression et de la température

L’ensemble de ces informations nous permettent de placer sur le diagramme du document 2 la roche initiale, le gabbro dont nous connaissons la composition initiale (pyroxène, plagioclase) et la glaucophanite. Nous pouvons relier le trajet entre ces deux roches qui illustre le trajet qu’a suivi cette roche depuis sa formation sur le plancher océanique, son éloignement de la dorsale, sa modification par le métamorphisme hydrothermal au fond de l’océan puis sa plongée dans la zone de subduction. Il ne faut pas oublier le trajet qui la ramène à la surface puisque c’est bien là qu’elle est observée.
Tous ces marqueurs nous ont permis de retracer une partie de l’histoire géologique de cette région mais n’ont pas encore pu nous donner d’informations sur les périodes de survenue de ces événements. C’est ce que nous allons voir dans la seconde partie.

L’utilisation de la datation absolue pour dater la subduction

L’obtention d’une « date » en géologie n’est pas quelque chose d’évident. Il faut tout d’abord rappeler que la datation d’un événement géologique ou d’une structure peut être relative (permet de préciser si tel ou tel événement est antérieur ou postérieur à tel autre) ou absolue (permet de donner un chiffre précis). Ici, les documents fournis vont nous permettre d’utiliser la datation absolue grâce à la radiochronologie. Il s’agit d’une méthode utilisant la radioactivité de certains éléments. En effet, certains éléments appelés « radionucléides » ont la propriété d’être instables et de se décomposer en un autre élément (lui stable) accompagné d’un rayonnement. C’est le cas du rubidium. Or, nous savons que le rubidium est présent dans les glaucophanites, puisque cela nous est précisé par le document 3. L’isotope 87 du rubidium 87Rb^{87}\text{Rb} se désintègre en strontium 86 86Sr^{86}\text{Sr}. La réussite de la méthode de radiochronologie repose sur le fait que cette désintégration s’effectue à une vitesse constante. La mesure des différents isotopes dans les minéraux d’une roche permet de réaliser une courbe appelé droite isochrone. La pente de cette droite, qui correspond à la pente, c’est-à-dire au coefficient directeur de la droite (l’équation étant y=ax+by = ax + b) est proportionnelle à l’âge de la roche ce qui explique l’utilisation de la formule t=aλt = \dfrac{a}{\lambda}tt est l’âge qu’on cherche à calculer.

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Astuce

La valeur de aa est donnée dans l’équation lisible sur le graphique du document 3.

Ici a=4,9×103a = 4,9\times{10^{-3}}. Et λ=1,42×1011\lambda = 1,42\times{10^{-11}}.

  • t=345millions d’anneˊest = 345\,\text{millions d’années}.

Rappelons que la datation obtenue correspond à la fermeture du système donc à la fin du métamorphisme de subduction. Le document précise aussi qu’il existe une marge d’erreur de l’ordre de quelques millions d’années.
Cette datation permet de dire que l’océan à l’origine de cette subduction est donc, grâce à la datation relative, plus ancien et amène à une notion de cycle géologique aboutissant à un recyclage de la matière.

Conclusion :

Grâce à l’étude de marqueurs à la fois minéralogiques, mais aussi chimiques ou encore chronologiques, nous avons pu retracer une partie de l’histoire géologique de l’île de Groix. Cette île présente des roches, les glaucophanites, qui proviennent d’un océan de plus de 345millions d’anneˊes345\,\text{millions d’années}. Cet océan est plus tard entré en subduction (datée de 345millions d’anneˊes345\,\text{millions d’années}) avant que certaines de ses roches soient exhumées et se retrouvent à la surface formant l’île de Groix.
Les marqueurs qui nous ont permis de retracer cette histoire sont la nature des minéraux retrouvés (glaucophane, jadéite, grenat) caractéristique d’un contexte de subduction (très forte pression) ; et leur composition proche de celle d’un gabbro, attestant l’origine océanique de cette roche. La radiochronologie nous a, quant à elle, permis de dater une partie des événements (le métamorphisme de subduction) afin d’apporter plus de précision à cette histoire géologique.
D’autres éléments plus récents pourraient permettre d’en savoir plus sur l’histoire de cette île depuis les 345 derniers millions d’années.
Nous pouvons conclure notre analyse par un schéma simplifié de la subduction ayant fait disparaître l’océan qui portait les gabbros initiaux. Les glaucophanites formées pendant le métamorphisme de subduction seront exhumées plus tardivement suite à une collision non abordée dans notre raisonnement.

Alt texte Schéma bilan – Subduction (simplifiée)