La diversité génétique au sein des populations (10 points)
La diversité génétique au sein des populations (10 points)
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Expliquez comment peuvent apparaître de nouveaux allèles dans une population. |
Astuce
Remarque :
Cet exercice est une question de cours. En ce sens, il doit être traité comme une mini-dissertation et présenter une introduction, un développement et une conclusion. Même si le contenu est noté en priorité, la forme peut impacter la note finale.
Il est fortement conseillé d’illustrer ce travail au moyen de schéma.
Introduction :
Les êtres vivants présentent une importante diversité : certain·e·s naturalistes pensent même qu’il existerait $100\,\text{millions}$ d’espèces différentes sur Terre. Cette diversité d’espèces est amplifiée par une diversité individuelle, au sein même d’une espèce. Par exemple, si on ne tient pas compte des vrais jumeaux qui sont des clones, chaque humain est unique.
Au niveau moléculaire, c’est l’expression de l’ADN qui définit nos caractéristiques : des gènes codent la succession des acides aminés qui forme nos protéines et chacun de ces gènes est présent sous la forme d’allèles. Par exemple, à la surface de nos globules rouges, l’allèle A code la protéine A qui est à l’origine du groupe sanguin A.
L’évolution des populations est constante, ceci permet notamment l’apparition de nouveaux allèles, et ainsi le développement de nouvelles caractéristiques.
Comment ces allèles sont-ils générés et transmis à la descendance ?
L’apparition de nouveaux allèles
L’apparition de nouveaux allèles
- Réplication de l’ADN
La réplication est le nom donné au mécanisme qui permet de reproduire une séquence d’ADN à l’identique : elle permet de générer des copies conformes, condition indispensable au maintien d’une espèce.
La réplication se déroule selon ce schéma simplifié :
L’ADN s’ouvre, puis une enzyme spécialisée, que l’on appelle l’ADN polymérase, assure la réplication. Cette dernière est semi-conservative : une fois les brins séparés, de nouveaux nucléotides (adénine, thymine, guanine et cytosine) sont insérés en respectant la complémentarité afin de former des paires identiques à l’ADN de départ.
- Erreurs de réplication spontanées
Deux types d’erreurs de réplication sont possibles : celles qui sont spontanées et celles qui sont induites par l’environnement.
Nous savons que l’ADN polymérase fait preuve d’une très haute fidélité. Des erreurs peuvent malgré tout avoir lieu : il arrive que l’enzyme ne respecte pas les paires de nucléotides. Par exemple, une adénine de l’ADN de départ peut être insérée en face d’une cytosine au lieu d’une thymine. Lors du prochain cycle de réplication semi-conservative, une fois l’ADN ouvert, l’ADN polymérase ne considèrera pas l’adénine comme une erreur, et insérera une thymine en face d’elle.
Au final, l’appariement initial était G-C et il devient A-T : ce nouvel appariement est appelé une mutation.
Les erreurs de l’ADN peuvent être représentées sous la forme de ce schéma :
- Les nouveaux allèles peuvent apparaître de manière spontanée suite à des erreurs de l’ADN polymérase qui génèrent des mutations.
- Erreurs de réplication provoquées
Dans notre environnement, il existe des agents mutagènes puissants. Comme leur nom l’indique, ils provoquent des mutations. Celles-ci sont aléatoires : elles peuvent toucher n’importe quel nucléotide de l’ADN.
On peut distinguer, trois types d’agents mutagènes :
- physique ;
- chimique ;
- biologique.
Par exemple, le soleil est un agent mutagène physique : les UV solaires, à fortes doses, peuvent provoquer des mélanomes (cancer de la peau).
- Notre environnement est donc source de mutations.
Astuce
Il est aussi possible de citer ici les insecticides qui sont des agents mutagènes puissants (d’origine chimique) et peuvent eux aussi provoquer des cancers. De même que les virus, agents biologiques, qui sont aussi à l’origine d’éventuelles mutations : par exemple, le papillomavirus peut provoquer des cancers suite à l’altération de l’ADN.
Attention
Toutefois, comme votre temps est limité, un seul exemple développé d’agent mutagène suffira à illustrer votre développement.
- Réparation de l’ADN
L’ADN polymérase fait des erreurs, mais dans les faits, ces mutations sont très souvent absentes des cellules car elles possèdent des systèmes de réparation très efficaces. Des enzymes dédiées vont constamment se déplacer le long de l’ADN pour repérer les mésappariements et les corriger.
- Au final, les mutations sont rares, sauf si la personne est au contact de fortes doses d’agents mutagènes.
Transmission des mutations à la descendance et évolution
Transmission des mutations à la descendance et évolution
- Une localisation dans les cellules germinales
Chez les humains, comme chez beaucoup d’espèces vivantes, on peut distinguer deux types de cellules : les cellules somatiques et les cellules germinales. Ces dernières font référence aux cellules reproductrices (spermatozoïdes et ovules). Si leur ADN est muté, cette information nouvelle sera transmise à la descendance (sous réserve que cette mutation ne soit pas mortelle).
- Seules les mutations germinales sont héréditaires.
- Génétique des populations
Une mutation qui touche les cellules germinales est donc héréditaire : c’est elle qui sera à l’origine de l’évolution.
Lorsqu’une mutation confère un avantage à un individu, on parle d’avantage sélectif. Par exemple, les girafes ayant un coup plus long que celui des autres individu de leur espèce, peuvent plus facilement se nourrir, et donc vivre plus longtemps ; ce qui leur permet de se reproduire davantage et donc de transmettre cette caractéristique à leur descendance (si la mutation est germinale, bien entendu).
- De nouveaux allèles peuvent donner une nouvelle caractéristique aux individus. S’ils créent un avantage, celui-ci sera conservé, c’est ce que l’on appelle la sélection naturelle.
Conclusion :
Les mutations spontanées ou induites par l’environnement sont sources de nouveaux allèles. Ces nouveaux allèles, s’ils sont présents dans les cellules germinales sont transmis à la descendance : ils peuvent conférer de nouvelles caractéristiques aux individus.
Avec le temps, l’accumulation de ces nouveaux allèles peut faire apparaître de nouvelles espèces, ce qui explique la biodiversité actuelle.
Le changement de couleur des champignons de Paris (10 points)
Le changement de couleur des champignons de Paris (10 points)
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Recherchez les arguments en faveur de l’hypothèse de la présence d’une enzyme dans les tissus du champignon qui provoquerait ces changements de couleur. |
Attention
Attention à bien être attentif·ve aux termes du sujet et ici tout particulièrement à « hypothèse ». Il est impossible, avec ces documents seuls, de prouver le rôle d’une enzyme. Ils ne pourront que conforter l’« hypothèse » de la présence d’une enzyme.
Introduction :
Le fonctionnement des êtres vivants va dépendre d’un ensemble de réactions chimiques que les enzymes vont être capables de déclencher ou d’accélérer : c’est ce que l’on appelle une catalyse enzymatique.
En cuisine, lorsque l’on coupe des aliments, on constate qu’ils brunissent. C’est, notamment, ce qu’il se passe avec les champignons de Paris qui perdent progressivement leur couleur rose et virent au noir.
Les enzymes sont-elles impliquées dans ce changement de couleur ?
Astuce
Remarque :
Pour répondre à la question posée (que nous avons ici reformulée) deux démarches sont acceptées par les correcteur·rice·s :
- partir de ses connaissances et les mettre en relation avec les expériences du sujet ;
- partir des expériences proposées par le sujet pour les relier ensuite à ses connaissances.
- Le choix de la démarche est laissé à l’appréciation du candidat ; pour ce présent corrigé, c’est la seconde démarche qui a été privilégiée.
Document 1 : Le changement de couleur du champignon de Paris
Document 1 : Le changement de couleur du champignon de Paris
Astuce
Lors de la rédaction du paragraphe ci-dessous, on prélève des informations dans le document pour répondre à la question posée.
Attention
Sans cette description préliminaire, l’exercice devient une question de cours (ce qui n’est pas attendu) et l’approche expérimentale devient caduque.
Le document 1 montre une expérience réalisée avec des champignons conservés durant $1$ à $6$ jours dans de l’eau ou à l’air libre.
Au premier jour, les champignons présentent leur couleur claire habituelle. Avec le temps, les tubes sont de plus en plus foncés ; au sixième jour, le contenu du tube est de couleur noire.
Les champignons entiers, conservés à l’air libre, subissent la même évolution : avec le temps, ils deviennent foncés.
- En chimie, une cinétique suit le déroulement des réactions au cours du temps. On détermine l’activité d’une enzyme par la vitesse à laquelle elle catalyse une réaction (cinétique enzymatique). Or, dans cette expérience, on constate une cinétique puisque la couleur des champignons évolue dans le temps, du rose au brun. Il est donc probable qu’une enzyme soit présente dans les tissus du champignon.
Document 2 : Les réactions chimiques en jeu
Document 2 : Les réactions chimiques en jeu
Le document 2 montre que la tyrosine, molécule produite par les champignons, est progressivement transformée en mélanine. La mélanine est à l’origine de la couleur foncée des êtres vivants et donc, a priori, de celle des champignons coupés.
- La mélanine n’apparaît pas « spontanément » : un ensemble de réactions est nécessaire à sa production.
- La mélanine serait à l’origine de la couleur noire des champignons après un certain laps de temps.
- La transformation de cette tyrosine en mélanine pourrait impliquer une catalyse enzymatique.
Document 3 : Mesure de la vitesse de coloration de solutions de tyrosine de différentes concentrations avec un jus de champignon de Paris
Document 3 : Mesure de la vitesse de coloration de solutions de tyrosine de différentes concentrations avec un jus de champignon de Paris
Astuce
Dans l’explication de ce document, la citation brute des valeurs numériques n’a pas de sens, une comparaison des données sera bien plus intéressante.
Le premier graphique du document 3 montre une cinétique de la réaction : lorsque la concentration en tyrosine est divisée par $8$ (expérience 1 : $100\,\text{g}$ de tyrosine pour un litre de jus de champignons ; et expérience 4 : $12,5\,\text{g/L}$), l’intensité de la coloration du milieu est divisée par $2,5$ au bout de cinq minutes d’expérience ($10\,\text{ua}$ pour l’expérience 4 contre $28\,\text{ua}$ pour l’expérience 1).
Or, on suppose que l’intensité de la coloration du milieu est le reflet de l’efficacité de la cinétique : plus la cinétique est rapide, plus la réaction est efficace. Et, dans ce cas précis, la réaction concerne la consommation de tyrosine (cf. document 2 et 3).
Le second graphique du document 3 montre les vitesses initiales des réactions chimiques : pour l’expérience 1 (où la concentration en tyrosine est supérieure à $90\,\text{g/L}$), la vitesse initiale est trois fois plus importante que pour l’expérience 4 (où la concentration en tyrosine est inférieure à $20\,\text{g/L}$).
- La consommation de la tyrosine est d’autant plus importante que sa concentration initiale est élevée : cela suggère une possible catalyse enzymatique. Or, en enzymologie, plus la concentration du substrat (ici potentiellement la tyrosine) est importante, plus la réaction sera efficace : ce constat constitue donc un argument en faveur de la présence d’enzyme dans le champignon.
- On sait qu’une catalyse enzymatique est plus rapide au début de l’expérience car la concentration en substrat est la plus importante à ce moment ; la tyrosine n’a pas encore été transformée en mélanine, car il faut laisser le temps à l’enzyme de faire son travail ; argument supplémentaire en faveur de la possible implication d’une enzyme dans cette transformation.
Conclusions générales :
Pour avoir une catalyse enzymatique, il faut laisser le temps à l’enzyme d’agir et il faut une forte concentration en substrat (ici, supposément la tyrosine).
Le brunissement des champignons est donc probablement lié à une catalyse enzymatique que l’on peut modéliser ainsi :