SVT- Epreuve sur support de documents GEOLOGIE (2h)

BCPST2 – Lycée Pothier Devoir surveillé n°1 – 11/09/2021

1

SVT- Epreuve sur support de documents

L’usage d’abaques, de tables, de calculatrice et de tout instrument électronique susceptible de permettre au candidat d’accéder à des données et de les traiter par les moyens autres que ceux fournis dans le sujet est interdit. Si, au cours de l’épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d’énoncé, il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu’il a été amené à prendre.

GEOLOGIE (2h)

D’après concours G2E

• Vous répondrez aux questions posées en construisant méthodiquement votre argumentation sur l’analyse des documents proposés et sur vos connaissances en adéquation avec les consignes explicites propres à chaque question. Les réponses seront précises, concises et structurées.

• Les figures 1, 5 (p6) et 6 (p5) sont à rendre. Ces figures sont à découper et coller sur votre copie.

• Le sujet comporte quatre parties. Les numéros des questions et des documents étudiés seront clairement indiqués.

• Aucune introduction, ni conclusion ni schéma bilan ne sont demandés. 1. DEFINITIONS (20 lignes au maximum)

En prenant pour exemple une roche mère granitique, expliquez les mécanismes de désagrégation mécanique et d'altération chimique en domaine continental. Vous préciserez bien les différents types de produits engendrés par ces processus sous climat tempéré. 2. ANALYSE PHOTOGRAPHIQUE

La figure 1 (p6, à rendre avec la copie) représente la photographie d'une rivière actuelle.

2.1. Processus actuels

Voici la photographie d’une rivière actuelle, l’Arkansas, affluent du Mississipi (États-Unis). Entourer les zones qui sédimentent le long de la rivière actuelle. Comment peut-on expliquer cette répartition des sédiments ?

2.2. Processus anciens

A quoi correspondent les zones numérotées 1 à 3 ? Comment peut-on, dès lors, dénommer précisément le style fluviatile de la rivière Arkansas ? Sous la forme de schémas, dessiner l’évolution-type d’une des zones 1 à 3.

Si on effectue un sondage de quelques mètres de profondeur au point A, quelle lithologie rencontre-t-on principalement et pourquoi ? Si on effectue un sondage de quelques mètres de profondeur au point B, quelle lithologie rencontre-t-on principalement et pourquoi ? 3. ANALYSE D’UN RESERVOIR : LE GRES A ROSEAUX

La formation du Grès à Roseaux, est une unité stratigraphique datée du Trias (figure 2, p2) qui est préservée essentiellement en Lorraine et en Allemagne. Les caractéristiques pétrophysiques du Grès à Roseaux sont intéressantes à plusieurs niveaux. D’une part, on peut trouver dans la porosité connectée de certains faciès de cette formation soit des hydrocarbures (pétrole), soit de l’eau avec des propriétés curatives (thermalisme). D’autre part, l’Allemagne prévoit d’injecter et de stocker dans l’espace poreux du Grès à Roseaux ses rejets de CO2 industriels. On se propose donc d’étudier un peu plus en détail les caractéristiques de cette formation géologique.


2

Echelle des temps géologiques

Figure 2 - Série stratigraphique du Trias lorrain.

Figure 3 - Photographies de lames minces en microscopie optique (lumière polarisée analysée).


3

3.1. Analyse géologique

Les échantillons 1 et 2 (figure 3, p2) correspondent à des lames minces de la formation lithostratigraphique du Grès à Roseaux. Identifier les deux types d’échantillons en argumentant.

Les deux échantillons ont été récoltés à des endroits différents mais proches, en Lorraine. A partir de votre analyse pétrographique, quelles sont les possibilités de milieux de dépôt pour ce type de roche sédimentaire, depuis les environnements continentaux jusqu’aux environnements marins ?

Un équivalent actuel du milieu de dépôt du Grès à Roseaux correspond à celui de la figure 1. Dans ce cas, à quels sondages A et B correspondraient respectivement les échantillons 1 et 2 ? Justifier. 3.2. Analyse géophysique et pétrophysique

Un forage d’étude recoupant la formation du Grès à Roseaux a été effectué dans la région. On trouve un faciès similaire à l’échantillon 1 (figure 3). Des mesures physiques en continu ont été réalisées dans le trou de forage en fonction de la profondeur. Les outils permettant de réaliser ces mesures physiques, en fonction de la profondeur, sont appelés des sondes diagraphiques.

3.2.1. Analyse de la radioactivité

On utilise fréquemment, en diagraphie, un outil qui mesure la radioactivité naturelle des roches (émission photonique gamma) : le gamma-ray. Il détermine le nombre de photons gamma émis par seconde par la roche, d’où l’unité de mesure en coups-par-seconde (cps). La radioactivité des roches est due principalement (99,9 %) à la présence des isotopes radioactifs du potassium, de l’uranium et du thorium. Le potassium entre dans la composition minéralogique de nombreux minéraux communs. L’uranium et le thorium, quant à eux, sont présents essentiellement dans les apatites et les zircons (par substitution de certains atomes) qui eux-mêmes sont majoritairement présents dans les granites et dans les espaces interfoliaires des argiles. Ainsi, connaissant le contexte géologique régional, et à partir de l’interprétation du gamma-ray en forage, on peut en déduire la nature lithologique des formations rencontrées.

A partir des enregistrements diagraphiques réalisés sur le puits A (figure 4, p4) donnant l’intensité du gamma-ray en fonction de la profondeur, définir la réponse du Grès à Roseaux. Est-il radioactif ou pas ? Quelle peut être l’origine de cette radioactivité d’après l’analyse pétrographique que vous avez réalisée précédemment ?

Dans la Formation Salifère, deux zones sont notées I et II. Quelles sont leurs caractéristiques en termes de radioactivité ? D’où peuvent provenir cette radioactivité et cette différence entre les deux zones ? 3.2.2. Analyse de la porosité et de la densité

Sur ce même forage, des outils diagraphiques mesurant la masse volumique (g/cm3) et la porosité (%) de la roche en fonction de la profondeur ont été utilisés.

La porosité se définit en pétrophysique comme le volume d’espace intergranulaire divisé par le volume total de la roche. Elle est souvent notée Φ et donnée en pourcentage (%). La porosité est nécessairement remplie d’un fluide (eau, gaz, etc.). La masse volumique de la roche totale correspond à la somme de la masse volumique du fluide contenu dans le volume poreux et de la masse volumique du volume rocheux (minéraux). Cette matière minérale correspond donc à tout ce qui n’est pas de la porosité (100% - Φ).

Reporter, pour la formation du Grès à Roseaux (figure 4), quatre valeurs différentes de densité globale et de porosité correspondantes et les pointer sur le diagramme de la figure 5 (p6, à rendre avec la copie). Que remarquez-vous ? Que peut-on en déduire sur la relation entre la densité et la porosité ? Déterminer graphiquement la fonction qui lie la masse volumique de la roche totale à la porosité pour le puits A.

A partir de l’analyse du tableau 1 (p4), et de vos résultats précédents, déterminer la nature des fluides remplissant la porosité de la roche dans le puits.


4

De l’analyse de la radioactivité précédente, de la lecture des valeurs de masse volumique et de la porosité des zones I et II, et en vous appuyant sur les données proposées dans le tableau 1, que peut-on en déduire sur la nature lithologique respective de ces deux horizons localisés dans la même formation lithostratigraphique ? A quelle famille de roches appartiennent-elles ? Rappeler brièvement les conditions de formation de ces roches.

Figure 4 - Diagraphies du forage au puits A.

Elément Quartz Feldspath Mica Halite Sylvite Anhydrite Eau Huile (hydro

carbure)

Gaz (hydro

carbure)

Densité 2,65 2,55 3 2 2 3 1 0,8 0,2

Tableau 1 - Densité de minéraux et de certains fluides.


5

4. ANALYSE TECTONIQUE

Le forage au puits A a été réalisé dans la région dont vous avez l’extrait de carte ci-dessous. Remarque : l’unité 1 correspond aux Marnes irisées inférieures et l’unité 4 correspond à la formation du Grès à roseau, les unités 7 et 8 ne sont pas visibles sur la série stratigraphique de la figure 4. A partir de la carte géologique, (figure 6, à rendre avec la copie), réaliser une coupe géologique le long du profil A-B. Légender les principales structures reconnues.

Figure 6 - a- Carte géologique de la zone d’étude du Grès à Roseaux. b- Profil topographique suivant le trait A-B.


6

Figure 1 -Vue aérienne du système fluviatile de l’Arkansas (Etats-Unis d’Amérique).

Figure 5- Diagramme représentant la masse volumique de la formation en fonction de sa porosité.

1

2

3

A

B


7

SVT- Epreuve sur support de documents- BIOLOGIE (2h)

• Vous répondrez aux questions posées en construisant méthodiquement votre argumentation sur l’analyse des documents proposés et sur vos connaissances en adéquation avec les consignes explicites propres à chaque question. Les réponses seront précises, concises et structurées.

• Le sujet comporte deux thèmes indépendants. Les numéros des questions et des documents étudiés seront clairement indiqués. Aucune introduction, ni conclusion ne sont demandées.

Thème 1- Intervention du protéasome lors de la fécondation chez les Mammifères D’après concours G2E

Ce qu’il faut savoir sur le protéasome avant de commencer Le protéasome est un complexe multiprotéique de grande taille (2000 kDa chez les eucaryotes) qui, selon les résultats fournis par la cryomicroscopie électronique et la cristallographie aux rayons X, a la forme d’une grosse barrique creuse (cœur protéique à activité protéase) à deux couvercles (coiffes régulatrices). Localisé dans le cytosol et/ou le noyau, son rôle est de dégrader, par protéolyse ATP-dépendante, des protéines cibles en petits peptides. Le signal qui dirige une protéine vers le protéasome est une chaîne de polyubiquitine. L’ubiquitine est une petite protéine qui, épargnée par la protéolyse dans le protéasome, est recyclée avant la dégradation de la protéine cible. La polyubiquitination d’une protéine est donc le signal qui conduit à sa dégradation immédiate et irréversible par le protéasome. Le protéasome est impliqué dans de nombreuses fonctions cellulaires comme le contrôle de la qualité des protéines et de leur repliement, le contrôle du cycle cellulaire, la réparation de l’ADN, la mort cellulaire programmée, les réponses immunitaires, la transduction des signaux, le métabolisme, la différenciation cellulaire, la réponse au stress oxydatif Des altérations dans le contrôle de l’activité du protéasome ont été décrites dans de nombreux cas pathologiques. En vertu de sa puissante activité protéolytique, le protéasome est soupçonné d’intervenir au moment de la fécondation chez les mammifères, lors de la digestion partielle de la zone pellucide. Chez le Porc, qui sera pris comme espèce modèle tout au long de cette étude, aucune trace de protéasome n’est trouvée dans le liquide séminal. Sa présence est recherchée dans les spermatides (cellules haploïdes issues de la méiose se différenciant en spermatozoïdes) et dans les spermatozoïdes, à l’aide d’anticorps fluorescents dirigés contre une sous-unité constitutive du protéasome.

Signal rouge (Ac anti-P) : fluorescence liée aux anticorps spécifiques d’une sous-unité constitutive du protéasome.

Signal bleu : fluorescence du DAPI, connu pour se fixer sur l’ADN. Microscope à fluorescence, barre d’échelle : 2 µm.

Figure 1 : Localisation par immunofluorescence d’une sous-unité constitutive du protéasome, dans des spermatides et dans des spermatozoïdes différenciés. Modifié d’après Zimmerman, SW. 2012. Manuscrit de thèse, p.94-96, laboratoire de Physiologie de la Reproduction, University of Missouri, Columbia.


8

Question 1. Commenter brièvement les résultats présentés dans la figure 1 et conclure en utilisant vos connaissances.

Pour tester l’influence du protéasome au cours de la fécondation, le protocole suivant est réalisé : - des protéasomes sont purifiés à partir de spermatozoïdes, - des ovocytes mûrs sont pré-incubés pendant 4 heures avec ces protéasomes purifiés, d’autres non, - tous ces ovocytes sont ensuite mis en contact avec des spermatozoïdes, pour une fécondation in vitro, - les ovocytes fécondés par un (monospermie) ou plusieurs (polyspermie) spermatozoïdes sont

dénombrés, - le tout est suivi au microscope à fluorescence, pour immunolocaliser la protéine ZPC, qui est une

protéine de la zone pellucide, et une lectine de la membrane interne de l’acrosome. - dans la figure 2, n’apparaissent dans les images a, b, c, d, f et g que ces signaux de fluorescence.

Figure 2 : Effets d’une pré- incubation d’ovocytes avec des protéasomes purifiés sur les événements de la fécondation. Modifié d’après Zimmerman, SW. et al. 2011. PLoS ONE 6(2): e17256

Immunolocalisation de la protéine ZPC : signal rouge (images a et c) et signal blanc (images b, d, f et g). Immunolocalisation de la lectine : signal vert (images a et c). Signal bleu : noyaux (images a et c). a et b : fécondation d’ovocytes n’ayant pas été pré-incubés avec les protéasomes. c et d : fécondation d’ovocytes ayant été pré-incubés avec des protéasomes. e : Pourcentage d’ovocytes fécondés par un seul (bâtons noirs) ou plusieurs (bâtons blancs au dessus des bâtons noirs) spermatozoïdes, avec (P) ou sans (No P) pré-incubation avec des protéasomes (moyennes sur 92 ovocytes, les barres d’erreur correspondent aux écarts-types). f et g : comportement particulier de quelques zones pellucides au cours de la pré-incubation avec des protéasomes (g) ou non (f). Barres d’échelle : 10 µm. Dans tous ces documents, l’étoile rappelle les résultats relatifs aux ovocytes pré-incubés avec les protéasomes.

% de fécondation


9

Question 2. Décrire et interpréter l’ensemble des résultats présentés dans la figure 2 : de quoi témoignent les différents signaux de fluorescence ? Quelles sont les conséquences de la pré-incubation des ovocytes avec des protéasomes sur les événements de la fécondation ? Conclure sur les rôles du protéasome lors de la fécondation naturelle in vivo. Rque : L’abréviation ZP pour ‘zone pellucide’ est autorisée tout au long de l’épreuve. Diverses protéines de la zone pellucide ont été mises en contact avec des spermatozoïdes ou des protéasomes purifiés. Les résultats suivants concernent la protéine ZPC. Figure 3 -Tests de l’action du protéasome sur la protéine ZPC de la zone pellucide Modifié d’après Zimmerman, SW. et al. 2011. PLoS ONE 6(2): e17256 Figure 3.A-Test ‘spermatozoïdes’. Les protéines de la zone pellucide de 100 ovocytes matures sont solubilisées puis incubées pendant 2 heures avec 10000 spermatozoïdes capacités (‘Spz’). Dans ces conditions, on sait que la réaction acrosomiale a lieu. Les protéines sont récupérées puis soumises à une électrophorèse. Un western-blot est réalisé à l’aide d’anticorps spécifiques de l’extrémité N-terminale de la protéine ZPC. Les chiffres à gauche indiquent le poids moléculaire des peptides révélés, en kDa. L’intensité du signal correspondant aux peptides les plus courts (‘Deg.’) est quantifiée par densitométrie. L’expérience est répétée en présence d’un cocktail d’inhibiteurs de l’activité du protéasome (‘Spz+Inh’), d’un excès d’un dérivé d’ubiquitine connu pour stimuler l’activité du protéasome (‘Spz+Ubi’), ou sans spermatozoïdes (piste de gauche). Un contrôle interne a vérifié que la même quantité de protéine a été déposée dans tous les puits.

Figure 3.B -Test ‘protéasomes purifiés’. La même expérience est réalisée sauf que les protéines de la zone pellucide sont incubées avec des protéasomes purifiés à partir de sperme, en absence de spermatozoïdes. L’incubation dure 0, 5 ou 10 minutes avant électrophorèse et western-blot (mêmes anticorps, mêmes contrôles internes que dans la figure 3-A).

Question 3. Interpréter l’ensemble des résultats montrés dans la figure 3. Quel est l’intérêt des résultats présentés dans la figure 3.B, par rapport aux résultats révélés par la figure 3.A ?


10

Un élément reste à élucider pour terminer de comprendre le rôle du protéasome dans les événements de la fécondation : la polyubiquitination. Figure 4 - Immunolocalisation de la protéine ZPC et de l’ubiquitine dans un ovocyte et sa corona radiata extraits d’un follicule ovarien mûr. Immunolocalisation de ZPC : signal gris - blanc dans l’image ci-contre et signal rouge dans les images ci-dessous. Immunolocalisation de l’ubiquitine (UB) : signal vert dans les images ci-dessous. Fluorescence de l’ADN pour visualisation des noyaux : signal bleu (DAPI) dans toutes les images. Barres d’échelle : 10 µm Modifié d’après Zimmerman, SW. et al. 2011. PLoS ONE 6(2): e17256 Question 4. Interpréter la figure 4. Un lien direct est-il vraiment mis en évidence entre ZPC et l’ubiquitine ?

Question 5. Sur la base de ces observations, proposer en quelques lignes le scénario des événements de la fécondation, montrant les rôles particuliers du protéasome (dans la mesure où ce modèle porcin s'applique aux Mammifères).


11

Thème 2- Inductions et formation de l’œil chez les Vertébrés D’après Alain Mottet

L'œil des Vertébrés dérive de formations issues de plusieurs feuillets embryonnaires : - de l'ectoderme dérivent des tissus épidermiques (cristallin, cornée, iris) et des tissus neurecto-

dermiques (rétine). - du mésoderme dérivent les enveloppes protectrices de l’œil ainsi que les muscles oculomoteurs. La formation de l’œil fait appel à un grand nombre de mécanismes embryologiques, et en particulier à une cascade d'inductions.

Annexe- Les principales étapes de la formation de l’œil chez les Vertébrés Ces données n’ont pas à être étudiées pour elles-mêmes.

Au niveau du diencéphale, apparaissent deux expansions latérales, ce sont les vésicules optiques. L'épiderme situé à leur contact s'épaissit, se différenciant en une placode cristallinienne, qui s'invagine en vésicule cristallinienne. Dans le même temps, la vésicule optique se replie en une cupule optique, qui se referme progressivement en une sphère. Après différenciation, la vésicule cristallinienne donne le cristallin, et la cupule optique la rétine et le nerf optique. L'ectoderme qui avait recouvert la vésicule cristallinienne après son internalisation se différencie en donnant la cornée.

(1) Bourgeonnement de la vésicule optique à partir du diencéphale. (2) et (3) Mise en place de la cupule optique et de la placode cristallinienne.

(4) et (5) Mise en place de la rétine et du cristallin.


12

Diverses expériences réalisées chez l'Amphibien ont permis la mise en évidence des phénomènes d’induction au cours de la formation du cristallin de l’œil. 4 expériences sont décrites ci-dessous.

1- Expérience d’ablation du mésoderme préchordal : Si elle est réalisée à la fin de la gastrulation, aucune vésicule optique ne se mettra en place et l’embryon sera anophtalme, id est dépourvu d’yeux.

2- Expérience de Spemann -1901- (figure 1) : L'ablation sur une neurula du champ morphogénétique de la vésicule optique conduit à deux constatations, la rétine ne se développe pas ainsi que les autres structures de l'œil issues de l'épiderme, en particulier le cristallin.

Figure 1- Expérience de Spemann. N.B. Tous les embryons schématisés sont observés par leur face dorsale, pôle antérieur en haut et pôle postérieur en bas.

3- Expérience de Lewis -1904- (figure 2) : Elle étudie les conséquences de la greffe d'une vésicule optique, prélevée chez un embryon, en différents points du tube neural d’un autre embryon. Par ailleurs, la greffe d’un autre tissu ne provoque jamais la formation d’un œil où qu’elle soit réalisée.

Figure 2- Expérience de Lewis. N.B. Par souci de simplicité, les structures optiques situées du même côté que le greffon ont ici été omises.

4- Expérience de Grainger -années 1990- : Des greffes sont réalisées en enlevant l’épiderme qui in situ donne le cristallin et en le remplaçant par de l’ectoderme provenant d’une autre région. On teste par immunohistochimie l’apparition de protéines cristalliniennes. Les résultats sont figurés dans le tableau I.

Tableau I

Origine du greffon (moment du prélèvement du greffon) Apparition de protéines cristalliniennes

Ectoderme céphalique (prélevé après la mi-gastrula) OUI

Ectoderme céphalique (prélevé avant la mi-gastrula) NON

Ectoderme ventral (prélevé avant ou après la mi-gastrula) NON


13

Question 6. Analyser chacune des expériences puis construire un schéma récapitulatif des inductions. Les résultats d’autres expériences portant sur le contrôle de la différenciation de la vésicule optique en rétine sont récapitulés dans le tableau II ci-dessous.

Tableau II

Expériences Résultats

Ablation de la placode cristallinienne. La vésicule optique ne forme qu’un épithélium pigmenté, elle n’évolue pas en cupule optique et la couche neurale de la rétine ne se différencie pas.

Ablation du mésenchyme céphalique (issu du mésoderme préchordal).

La couche externe de la cupule optique n’évolue pas en couche pigmentaire.

Transplantation des deux couches de la cupule optique non différenciée au contact d’une vésicule cristallinienne en les retournant.

La couche initialement interne se pigmente, la couche initialement externe évolue en rétine sensorielle (couche neurale).

Question 7. 7.1. Montrer que le phénomène d’induction peut être réciproque. 7.2. Déterminer les interactions permettant la différenciation finale des deux couches de la rétine. L’expression de certains gènes est étudiée par hybridations in situ au cours du développement, en particulier Pax 6 et RX qui codent pour des facteurs de transcription.

La figure 3 présente le résultat de ce type d’expériences, appelé « patron d’expression », pour le gène Pax 6 chez le Xénope à un stade précoce du développement. Le gène RX a une localisation d’expression comparable à Pax 6.

La figure 4 présente une vue latérale droite de deux embryons de Souris dont l’une a subi un knock-out du gène RX.

La figure 5 présente une vue latérale gauche de la tête de ratons, normal ou muté pour le gène Pax 6, à la naissance.

Figure 4 - Témoin Souris Knock-out pour RX

Figure 3 - Hybridation in situ sur un embryon de Xénope.


14

Figure 5 -Têtes de ratons à la naissance en vue latérale gauche : Témoin normal (à gauche) et Mutant Pax 6 (à droite).

Question 8. Déterminer le rôle des gènes Pax6 et RX et leur domaine d’expression. Le gène Pax 6 s’exprime également à des stades plus tardifs du développement, notamment dans la placode cristallinienne et la vésicule optique. Les résultats d’expériences de « recombinaison » de tissus mutants avec des tissus sauvages sont récapitulés dans le tableau III ci-dessous.

Tableau III

Vésicules optiques Sauvage +//+ Mutant Pax 6//Pax 6 Sauvage +//+ Mutant Pax 6//Pax 6

Placodes cristalliniennes Sauvage +//+ Sauvage +//+ Mutant Pax 6//Pax 6 Mutant Pax 6//Pax 6

Formation du cristallin OUI OUI NON NON

Question 9. Quelles nouvelles informations apporte ce tableau sur le gène Pax 6 ? Au cours du développement les patrons d’expression évoluent. Ceux de RX et de Pax 6 se séparent en deux champs latéraux lorsque le mésoderme préchordal se positionne sous cette région antérieure. Une expérience d'extirpation du mésoderme préchordal entraîne la formation d'une vésicule optique unique centrale. L’expression de Pax 6 est également mal séparée. Un seul œil se forme alors (cyclope). Chez des mutants pour le gène Sonic Hedgehog qui code pour une molécule secrétée, la séparation des patrons d’expression de RX et Pax 6 en deux champs latéraux ne se produit pas.

Question 10. Quel est le rôle du mésoderme préchordal qui est mis en évidence ici ? Comment agit-il ?

Question 11. Construire un schéma bilan de la succession des inductions permettant la formation de l’œil et des gènes impliqués.

FIN DE L’EPREUVE

œil (encore fermé à la naissance)

Documents

SVT- Epreuve sur support de documents GEOLOGIE (2h)