vendredi 2 septembre 2016

THEME 3A. FEMININ MASCULIN. Devenir femme ou homme (1ère S)

Au cours de ce chapitre nous allons essayer de comprendre comment un individu acquiert une identité sexuelle biologique.

Les appareils reproducteurs (appareils urogénitaux)

Appareil féminin


Appareil masculin


L'acquisition du phénotype sexuel
Dans les premières semaines de la vie embryonnaire, l'embryon possède un appareil génital indifférencié.


Au cours du développement embryonnaire, chaque appareil génital va acquérir ses caractéristiques phénotypiques. C'est la différenciation sexuelle :


Dès 1916, le biologiste Lillie étudie un phénomène particulier aux bovins, le cas des jumeaux free-martin.


A partir de cette observation, on peut faire l'hypothèse que la masculinisation de la génisse femelle est du à une substance circulant dans le sang, une hormone.
En 1947, Jost cherche a tester cette hypothèse et à déterminer quelles sont les hormones qui interviennent.


Les conclusions sont les suivantes :
— c'est une hormone produite par les gonades du sexe mâle qui permet la régression des canaux de Müller (futures trompes), l'hormone anti-müllérienne ou AMH.
— c'est la testostérone d'origine testiculaire qui permet la masculinisation de l'appareil génital des embryons XY.
— les hormones n'interviennent pas dans le cas d'embryon XX.
Il existe sur le chromosome Y, un gène appelé SRY (sex determining region of chromosom Y).

Très vite, on s'est aperçu que c'est cette région SRY qui détermine le sexe phénotypique de l'individu, notamment par des expériences de translocation du gène. Les résultats sont données sur le tableau suivant :


Le gène SRY code pour la production d'une protéine dite TDF (testis détermining factor) qui agit sur des cellules de la gonade entraînant la sécrétion de testostérone et d'AMH.
Les deux schémas ci-dessous, résument les étapes de l'acquisition du phénotype dans les deux sexes :

Sexe femelle


Sexe mâle


L'étape suivante est celle de la puberté, qui permet la mise en place définitive du phénotype sexuel par l'apparition de caractères sexuels secondaires nettement différenciés.


Le phénomène de puberté se traduit par une croissance des individus à différents niveaux :


En même temps, la sécrétion d'hormones sexuelles chez les deux sexes augmentent considérablement:



THEME 1. ATMOSPHERE, HYDROSPHERE, CLIMAT. De l'atmosphère primitive à l'atmosphère actuelle (Spé)

Comme le climat est en grande partie du à la composition en gaz de l'atmosphère, nous allons nous intéresser à la composition des gaz de l'atmosphère et à son évolution depuis l'origine du globe, il y a 4,5 Ga.

Comment reconstituer la composition de l'atmosphère primitive et comment a t-elle évolué?

Le document suivant propose une des hypothèses de l'origine des planètes.


On considère aujourd'hui que les planètes et les météorites se sont formées en même temps par accrétion et collision avec d'autres corps céleste. On considèrent donc que la composition de météorites indifférenciées comme les chondrites correspond (en gros !) à la composition de la Terre primitive indifférenciées.


Une chondrite


L'analyse de la composition des gaz chondritiques permet de se faire une bonne idée de la composition originelle en gaz de la Terre.


Une autre piste est celle des gaz volcanique, qui correspondent à la fraction non dégazée des gaz originelles du globe.


On remarque que l'ordre de grandeur dans les deux cas est très proche. On peut donc considérer que l'hypothèse est bonne et que la composition en gaz de l'atmosphère primitive est une moyenne entre les valeurs ainsi déterminées (avec une forte marge d'incertitude).
Soulignons que la composition de l'atmosphère primitive reste une hypothèse et non un fait !
On peut donc établir un tableau de comparaison entre atmosphère primitive supposée et atmosphère actuelle mesurée.


On a pu ainsi construire une courbe d'évolution des gaz atmosphériques au cours du temps.
*Attention, ce graphe ne tient pas compte de la teneur en H2O de l'atmosphère primitive, de là la différence de pourcentage.

Trois gaz principaux interviennent donc dans la composition de l'atmosphère. nous allons en retenir deux qui ont un rôle biologique essentiel, le dioxyde de carbone (CO2) et le dioxygène (O2).

Comment expliquer la diminution du taux de CO2 au cours du temps dans l'atmosphère terrestre ?

Au début de l'évolution de la planète, la température de surface est très élevée. L'eau est donc à l'état de vapeur. Très vite la température de surface diminue entraînant la condensation de la vapeur d'eau. De plus, il semble que des météorites géocroiseurs (qui rencontrent l'orbite terrestre) ait augmenté la quantité d'eau liquide à la surface du globe. La courbe de dissolution du CO2 dans l'eau montre que plus la température baisse et plus la solubilité du CO2 augmente.



Comment expliquer l'apparition et l'augmentation du taux de dioxygène dans l'atmosphère terrestre au cours du temps ? Quels sont les indices que l'on peut utiliser ?

Sur les courbes d'évolutions du taux de dioxygène, on peut constater que celui-ci apparaît il y a environ 3 Ga. 


Comment a t-on pu fixer la date d'apparition de l'oxygène à la surface du globe ? 
Pour répondre à cette question, il faut s'intéresser à une formation géologique particulière, la formation de Barberton, en Afrique du sud, au niveau de la flèche rouge.


On trouve là des roches à l'aspect particulier, dit rubané, formées d'une alternance de couches rouges et de couches plus grises.


On a pu interpréter ces couche rouges comme des couches riches en oxydes de fer. Ces minerais de fer rubané (BIF) ne peuvent apparaître qu'en présence de dioxygène.


On a pu dater sur le terrain cette formation. On estime leur âge à environ 3 à 3,5 Ga. On pense donc que ces BIF représentent les plus anciennes traces de la présence de dioxygène sur la planète.
On sait que cette formation est le résultat d'un dépot sédimentaire. Cela signifie que l'apparition du dioxygène s'est fait dans le milieu océanique primitif.
Afin de démontrer la nécessité de deux éléments, le dioxygène et l'eau pour obtenir de l'oxyde de fer, on peut faire une expérience simple. 
On fait le montage suivant :


On rappelle que l'eau bouillie est désoxygénée dans des proportions importantes.
Au bout de quelques jours, on obtient les résultats suivants :


On constate que l'oxyde de fer n'apparait qu'en présence d'eau et de dioxygène.
Quelle put être donc, l'origine de ce dioxygène ?
La courbe suivante, présentant l'évolution du taux d'oxygène au cours du temps nous donne une indication précieuse, l'apparition des cyanobactéries.


Les cyanobactéries sont des procaryotes. Leur particularités est d'être verte, c'est à dire de contenir de la chlorophylle.

Anabaena au microscope optique


Une étude précise de la structure des cyanobactéries a pu mettre en évidence la présence de thylakoïdes qui sont les structures contenant la chlorophylle. Or la chlorophylle est le pigment qui permet la photosynthèse.


Le mécanisme de la photosynthèse est bien connu :

Dioxyde de carbone + eau = glucose + dioxygène

Le dioxygène est donc un produit secondaire de la photosynthèse. On peut estimer que c'est l'apparition de la photosynthèse qui a permis l'apparition du dioxygène sur Terre et donc par conséquent, l'oxydation du minerai de fer.
Encore actuellement, c'est l'activité photosynthétique des végétaux qui assurent la présence du dioxygène sur notre planète.
Dans l'océan primitif, il devait exister des grandes quantités de cyanobactéries. Des colonies cyanobactériennes sont connus encore actuellement, notamment au niveau de Shark Bay en Australie (flèche noire).


Ces colonies , connues sous le nom de stromatolites sont installées dans les zones intertidales (zones de balancement des marées). Ces colonies sont alternativement immergées et émergées.





Si on fait une coupe transversale dans un stromatolite, on constate l'existence d'une série de couches de carbonate de calcium (CaCO3).





La présence de ces masses de CaCO3 s'explique facilement. Lorsque le CO2 dissous dans l'eau est capté par les cyanobactéries, les ions hydrogénocarbonates solubles dans l'eau, passent à l'état de carbonates insolubles et précipites en donnant ces stromatolites.
Une expérience faite en laboratoire permet de constater que des cyanobactéries éclairées du genre Anabæna en suspension dans une eau riche en hydrogénocarbonate produisent des cristaux de carbonate bien visibles;



On connait des stromatolites fossiles de très grandes dimensions, comme dans le massif allemand du Harz.



THEME 1A. GENETIQUE ET EVOLUTION. Le brassage génétique et sa contribution à la diversité génétique (TS)

Tout individu de l'espèce humaine (sauf anomalies) possède 46 chromosomes. Il y a donc stabilité du caryotype et variabilité du génotype.
On peut donc se poser deux questions :
— Comment le cayotype peut-il rester stable ?
— Comment le génotype peut-il varier ?
Pour répondre à la première question, intéressons nous au cycle biologique de l'espèce humaine.


Lorsqu'on est face à un tel document, il faut repérer les étapes principales. Ici, on a le passage 
—a) cellule de la lignée germinale à cellule germinale
—b) cellules de la lignée germinale à zygote.
Le a) est marqué par une division par 2 du nombre de chromosomes. Le b) est marqué par un retour à des chromosomes par paires (23 chez le spermatozoïde + 23 chez l'ovocyte).
L'étape a) est donc caractérisée par le passage de l'état diploïde (chromosomes par paire) à l'état haploïde (chromosomes seuls). C'est la méiose.
L'étape b) est caractérisée par le passage de l'état haploïde à l'état diploïde. C'est la fécondation.


Chez l'homme, on a donc une succession d'haplophase et de diplophase. Le cycle est haplodiplophasique avec diplophase dominante.

Comment se passe la méiose ?

Le premier document est un tableau reliant la quantité d'ADN présente dans une cellule de la lignée germinale et le temps.


A partir de ce tableau, on peut construire une courbe, plus facile à interpréter.


Par analogie avec ce que vous avez vu sur la mitose en 1ère S, on peut installer les trois phases classiques G1 et G2, qui sont des phases de croissance cytoplasmique et la phase S, qui est une phase de réplication de l'ADN. On constate que dans les deux cas, la réplication précède la division cellulaire. En revanche, on peut constater que la méiose est constituée de deux divisions successives.
Deux questions se posent alors :
— Quel est l'état des chromosomes à chaque étape ?
— Comment se déroulent les deux divisions successives ?
On peut ainsi mettre en place l'état des chromosomes pendant le cycle cellulaire

Il y a deux hypothèses possibles pour le déroulement de la méiose :
— hypothèse 1


— hypothèse 2


Pour choisir entre les deux hypothèses, il faudrait normalement pouvoir procéder à des observations microscopiques de méiose. Reconnaissons que c'est assez délicat et que l'observation avec des microscopes de lycée ne permet pas de se prononcer. 
On admettra que l'hypothèse 2 a été démontrée.
La méiose se déroule donc selon le schéma suivant :


On peut essayer de mettre en évidence la méiose d'une façon pratique. La méiose ne se produisant que dans les cellules germinales, il faut travailler sur les organes reproducteurs des espèces. Dans le cas des animaux, ce seront les testicules et dans le cas des végétaux, ce seront les étamines, qui sont les organes mâles d'une fleur.
Nous allons travailler sur les testicules d'un insecte, le criquet.


Les testicules du criquet, se situe dorsalement, dans la partie haute de l'abdomen à la limite avec le thorax. Les photos suivantes montrent les différentes étapes de la dissection qui est relativement simple.
Dans certain cas, les testicules restent collés à la cuticule (carapace) supérieure de l'abdomen.





On enlève ensuite les testicules et on les déposent dans un verre de montre. On dépose quelques gouttes de bleu de toluidine, colorant des cellules reproductrices. On laisse 2 à 3 minutes puis on rince.


On prélève une toute petite fraction de testicule qu'on étale bien sur une lame.


Au faible grossissement on observe des masses de graisses et de nombreux canaux qui correspondent aux trachées qui apportent l'air aux organes des insectes.


A un grossissement plus fort, si on a une préparation bien étalée, si on a de la chance et une optique de bonne qualité (!!!!!), on peut voir des cellules en division :


A partir d'observation précise, on a pu construire e déroulement de la méiose qui est présenté dans le tableau ci-dessous :


On remarquera que chaque division est subdivisée en 4 phases qui portent le même nom que les phases de la mitose. Comme celle-ci, la méiose est toujours précédée d'une phase de réplication de l'ADN (phase S)
Cependant le déroulement en est très différent :
— lors de la première division, il n' y a pas clivage des centromères mais séparation des deux chromosomes homologues
— lors de la seconde division, il y a clivage des centromères, chaque chromatide d'un chromosome allant à un pôle de la cellule.
C'est durant la prophase I qu'un phénomène particulier et important en génétique a lieu.
Au début de la prophase 1, les chromosomes sont disposés aux hasard.


Très vite, les chromosomes homologues se rapprochent et se placent le long l'un de l'autre. Ils sont alors appelés tétrades ou bivalents.


Ensuite, les chromatides des chromosomes homologues s'enroulent les unes autour des autres, formant des chiasmas (croisements). Puis les homologues se séparent.


Lorsque la méiose est achevée, on a obtenu 4 cellules haploïdes, les chromosomes ayant 1 chromatides. Le retour à l'état diploïde va se faire par la fécondation.

Une petite vidéo sur le déroulement de la méiose

Le déroulement de la fécondation

Un seul noyau d'un spermatozoïde pénètre dans l'ovocyte de façon à rétablir la diploïdie. La méiose de l'ovocyte s'achève alors. Après la deuxième division méiotique de l'ovocyte, les deux noyaux (pronucleus mâle et pronucleus femelle) se rapprochent. Le mélange des deux lots de chromosomes (amphimixie ou caryogamie) donne naissance à la cellule œuf ou zygote. Très rapidement la première mitose embryonnaire débute.


Sur cette photo, on voit les spermatozoïde tourner autour de l'ovocyte jusqu'à ce que l'un d'entre eux pénètre la membrane de fécondation.


Les photos suivantes (colorées après) montre la pénétration du spermatozoïde dans l'ovocyte.



L'image suivante montre le rapprochement des deux pronucleus juste avant la caryogamie.


Nous avons donc vu que la méiose assure le passage de l'état diploïde à l'état haploïde et que la fécondation permet le retour à l'état diploïde. Cette alternance permet donc de maintenir la stabilité du caryotype de l'espèce.
Pourtant, on a remarqué que, d'une génération à l'autre, il existe des variations parfois importante du phénotype. Ce sont ces mécanisme que nous allons élucider.

Comment méiose et fécondation permettent-elles une variabilité phénotypique ?

Nous allons essentiellement travailler sur l'espèce reine de la génétique, la mouche du fruit (ou du vinaigre), Drosophila melanogaster. C'est le biologiste américain Thomas Hunt Morgan qui, au début du siècle, a le premier utilisé cette espèce, pratique par le grand nombre de mutants qu'on peut obtenir en élevage. Le fondateur de la génétique quantitative recevra le Prix Nobel en 1933.
Partons du croisement suivant :


On contate que les parents présentent deux phénotypes différents, corps gris et ailes longues et corps noirs et ailes vestigiales (c'est à dire réduites à l'état de vestiges).
Les deux individu de la génération P (parentale) sont des races pures ou homozygotes, c'est à dire que les allèles portés par les chromosomes homologues sont les mêmes.
Or, on constate que la génération FT présentent quatre phénotypes différents.
— corps gris, ailes longues : phénotype parental
— corps noir, ailes vestigiales : phénotype parental
— corps gris, ailes vestigiales : phénotype recombiné
— corps noir, ailes longues : phénotype recombiné
Cela signifie qu'il y a eu un mélange des caractères par l'intermédiaire de la méiose et de la fécondation. On parle de brassage génétique.
Nous allons maintenant étudier d'une façon plus approfondie, deux types de croisement qui donnent des phénotypes équivalents à savoir les caractères vestigial/ebony et vestigial/black sachant que les mutants ebony et black ont tous les deux le corps noir.

Drosophiles de phénotype sauvage (aile longue/corps gris)


Drosophiles de phénotype muté (aile vestigiale/corps noir)


On effectue des comptages à partir de plaques du type suivant :


Analyse de croisements intéressant les gènes vestigial/ebony
On croise un homozygote [+ +] par un homozygote [eb vg]. Cette génération est appelée P (parents). Le résultat du croisement donne une génération dite F1.
On croise ensuite un individu de F1 par un homozygote [eb vg]. Ce type de croisement est appelé back-cross ou test-cross. La génération est donc dite F2BC.
Les résultats des croisements sont donnés dans le tableau suivant :


On constate que le pourcentage de phénotypes parentaux est à peu près égal à celui des phénotypes recombinés.
L'interprétation chromosomique de ce type de croisement est donnée ci-dessous :


Dans ce type de croisement, les deux gènes sont portés par des chromosomes différents. La formation de chaque type de gamètes est équiprobable, ce qui explique que chaque type de phénotype est également représenté. On parle d'un brassage interchromosomique.

Schéma du brassage interchromosomique



Analyse de croisements intéressant les gènes vestigial/black
On pratique de la même façon que pour le croisement précédent. Les résultats sont consignés sur le tableau ci-dessous.


Dans ce croisement, on constate que les phénotypes recombinés sont en nombre très largement inférieur par rapport au phénotypes parentaux.
Comment expliquer cette répartition ?
Document


Nous avons vu que lors de la prophase 1 de la méiose, les chromatides des chromosomes homologues se croisent, formant des chiasmas. Dans certains cas, il y a échange de morceaux de chromatides entre les chromosomes homologues, créant ainsi de nouveaux allèles.


Le résultat d'un crossing-over, qui est un évènement statistiquement rare, ne peut apparaître que si les deux gènes sont portés par le même chromosome.
L'interprétation chromosomique de ce croisement est donné ci-dessous :


Dans ce type de croisement, les gènes sont portés par le même chromosome. On dit qu'ils sont liés. La formation des gamètes recombinés est du à l'existence d'un crossing-over qui est un évènement rare. On parle de brassage intrachromosomique.

Schéma du brassage intrachromosomique



Application


Ce croisement est simple. La couleur du pelage de la souris est gouvernée par une paire d'allèles gris/blanc. Le premier croisement entre deux homozygotes (gris//gris) et (blanc//blanc) donne des hybrides ou hétérozygotes gris. On en conclut que l'allèle gris domine sur l'allèle blanc. Sachant que le phénotype gris est le phénotype sauvage, les souris F1 sont de génotype (+//b).
Le croisement a est le même que le précédent. En revanche si on prend une souris grise de phénotype F1 (exemple b) on a le croisement suivant :
(+//b) x (b//b)
Le résultat du croisement donne 50% de souris (+//b) et 50% de souris (b//b). Un croisement entre un hétérozygote et un homozygote récessif est appelé back-cross ou test-cross.


Dans cet exemple, on nous indique que les allèles sauvages sont dominants sur les allèles mutés. Le croisement de retour est le suivant :
(+//ss +//eb) x (ss//ss eb//eb)
pour l'hybride on obtient quatre types de gamètes :
— + +
— ss eb
— + eb
— eb +
Pour le double homozygote, un seul type de gamètes :
— ss eb
Après fécondation, on obtient quatre type de descendants. On constate que les phénotypes recombinés ne représentent que 12% de l'ensemble des descendants. Cela signifie qu'ils sont issus de gamètes rares, donc issus d'un crossing-over. Cela signifie que le gène ss et le gène eb sont portés par le même chromosome.
Or les résultats de la 2ème question nous montre que le gène ss et le gène se sont portés par le même chromosome, tout comme les gènes eb et se. 
On peut donc affirmer que les trois gènes sont portés par le même chromosome.
*On considérera qu'en dessous de 40% de phénotypes recombinés, les deux gènes sont portés par le même chromosome.

Jusque là nous avons vu les mécanismes fonctionnant parfaitement. Il arrive, cependant, que la méiose ne se déroule pas correctement. Ces anomalies peuvent apparaître au niveau du chromosome entier ou au niveau du gène.
Comment apparaissent les anomalies au niveau du brassage interchromosomique ?

Les anomalies de répartition des chromosomes durant la méiose peuvent se produire durant la première division ou durant la seconde division.

Anomalie durant la première division

Il apparait deux cas  de trisomie et deux cas de monosomie. A une trisomie correspond toujours une monosomie.

Anomalie durant la seconde division


Dans le cas des autosomes (chromosomes non-sexuels), une trisomie est la plupart du temps létale (mortelle). Seuls des cas particuliers montrent une viabilité plus ou moins longue.



La seule trisomie autosomale viable à long terme est la trisomie du 21 dont les manifestations sont réunies sous le nom de syndrome de Dawn.
Sur la vidéo Mais qui donc a saboté la méiose, des étudiants expliquent d'une façon très imagée, l'origine de la trisomie du 21. Malheureusement je n'arrive pas à la transférer. Vous pouvez la trouver facilement sur Dailymotion.
Une autre trisomie viable à court terme, est la trisomie du 13 ou syndrome de Patau.



Les anomalies chromosomiques touchant les chromosomes sexuels (ou gonosomes) sont viables et très variées.
On retiendra la monosomie X0 dont les caractéristiques constituent le syndrome de Turner. L'appareil génital est peu développé et le sujet de phénotype féminin est stérile.



Une autre anomalie est constituée par la trisomie XXY. Le sujet atteint du syndrome de Klinefelter se caractérise par un phénotype hermaphrodite, une poitrine relativement développée et des testicules très petits. Le sujet est en général infertile.




Comment apparaissent des anomalies durant le brassage intrachromosomique et quelles en sont les conséquences ?
Document


Lors de la prophase 1 de l méiose, le crossing over peut être inégal. Une des chromatides porte alors le même gène en deux exemplaires : c'est une duplication.


On sait qu'un gène occupe un locus précis sur le chromosome. La duplication est rapidement suivi d'une mutation du gène. Il peut arriver aussi qu'une partie de la chromatide portant le gène se fixe sur une chromatide d'un autre chromosome : c'est la transposition.
Avec ces trois éléments, il peut y avoir multiplication et variation d'un gène ancestral (inconnu par définition) donnant naissance à une famille multigénique.


On peut prendre l'exemple de la famille multigénique des globines.
Les globines sont des protéines qui assurent le transport du dioxygène dans l'organisme. Les gènes responsables sont portés par deux chromosomes différents.


On peut comparer la composition en acides aminés des différentes protéines. Pour ce faire, on construit une matrice des différences entre les protéines.


On estime que plus le nombre de différences est grand et plus les protéines sont apparus à des périodes éloignées. Par exemple, la myoglobine comportant le plus de différences avec les autres globines, on estime que le gène la codant est apparu bien avant les autres.
A partir de cette matrice, on peut construire un arbre tenant compte du nombre de différences.


On constate que la myoglobine est bien séparée de deux sous-familles de globines. Si on possède quelques arguments paléontologiques relatifs à l'apparition de telles ou telles gènes, on peut alors construire un arbre avec les dates supposées d'apparition des gènes. 
*Attention, ce sont des modèles hypothétiques !