Sciences de la vie et de la terre

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1 Sciences de la vie et de la terre Première ES, L Corrigés des exercices et activités Rédaction : Marie-Laure Gueuné Laurence Beaudouard Coordination : Yannick Gaudin Ce cours est la propriété du Cned. Les images et textes intégrés à ce cours sont la propriété de leurs auteurs et/ou ayants droit respectifs. Tous ces éléments font l objet d une protection par les dispositions du code français de la propriété intellectuelle ainsi que par les conventions internationales en vigueur. Ces contenus ne peuvent être utilisés qu à des fins strictement personnelles. Toute reproduction, utilisation collective à quelque titre que ce soit, tout usage commercial, ou toute mise à disposition de tiers d un cours ou d une œuvre intégrée à ceux-ci sont strictement interdits. Cned-2011

2 Séquence 1 Représentation visuelle Sommaire Correction des activités du chapitre 1 Correction des activités du chapitre 2 Correction des exercices Corrigés des activités Séquence 1 SN13 3

3 Correction des activités du chapitre 1 Activité 1 Identifier les structures qui protègent et permettent le fonctionnement de l'œil Les glandes lacrymales Vue externe de l œil pupille iris sourcil paupière supérieure cils paupière inférieure glande lacrymale conduit lacrymonasal trajet des larmes narine Les muscles commandant les mouvements oculaires muscles rubanés muscle conjonctive nerf optique orbite Corrigés des activités Séquence 1 SN13 5

4 Activité 2 Identifier les différentes parties de l œil impliquées dans les phénomènes visuels conjonctive recouvrant la cornée iris pupille cornée humeur aqueuse cristallin muscle sclérotique : enveloppe blanche résistante choroïde de couleur noire rétine fovéa au niveau de la maculle point aveugle nerf optique axe optique humeur vitrée milieux transparents Activité 3 Prendre en compte le fait que les connaissances actuelles sont le fruit d'un long cheminement du savoir La conception des philosophes grecs La conception de Ibn Al Haytam rayon visuel formant un cône rayon lumineux ŒIL OBJET transfert par le nerf optique au «siège de l âme» image formée au niveau du cristallin La conception de Kepler image inversée sur la rétine vue directement le rayon lumineux pénètre par la pupille 6 Corrigés des activités Séquence 1 SN13

5 Activité 4 Identifier le processus permettant la formation des images sur la rétine 1 Comparaison de l œil et d un appareil photo numérique Les structures de l œil La cornée et le cristallin L iris et la pupille de diamètre variable La rétine où se forment les images. La lumière est convertie en messages nerveux. Les composants d un appareil photo numérique L objectif Le diaphragme dont l ouverture est variable La lumière transmise par l objectif vient frapper une grille d éléments récepteurs (cellules photosensibles) qui constituent le capteur. Cette lumière est transformée en impulsion électrique. 2 La lecture est une tâche réalisée à courte distance des yeux. Elle nécessite par conséquent, une accommodation, une contraction de la pupille et une convergence des deux yeux presque continuelles. De longues séances de lecture peuvent ainsi causer une fatigue oculaire. S il est nécessaire de lire pendant un laps de temps prolongé, il est souhaitable de lever les yeux et de regarder au loin afin de décontracter les muscles à l origine de l accommodation et de la contraction de la pupille. 3 Les schémas ont été réalisés dans le cas d un objet placé à la même distance et pour un même diamètre de la pupille. La formation d une image sur la rétine dans le cas d un objet rapproché pour un œil normal OBJET Image nette sur la rétine Le cristallin s arrondit : il y a augmentation de la courbure des surfaces La formation d une image dans le cas d un objet rapproché, si le mécanisme d accommodation n existait pas. OBJET Image floue sur la rétine Cristallin aplati Corrigés des activités Séquence 1 SN13 7

6 Activité 5 Activité 6 Montrer l'importance du cristallin dans la qualité de l'image se formant sur la rétine La cataracte est une pathologie de l œil qui peut apparaître avec l âge et entraîner une quasi-cécité. On cherche à établir quelles en sont les causes et les conséquences sur la perception visuelle. Quel traitement propose-t-on aux personnes atteintes? Y-a-t-il des moyens de prévention? Les causes (documents 9 et 10) La structure altérée est le cristallin qui s opacifie. Le cristallin totalement transparent jaunit et devient légèrement laiteux avec l âge. Les conséquences sur la perception visuelle (document 9) La perception visuelle est altérée au niveau des couleurs et des formes : ainsi, le peintre Claude Monet, suite à l apparition d une cataracte, a modifié sa palette de couleurs en la déplaçant vers les teintes jaunes, rousse et marron. On peut également constater au niveau de ses tableaux une dégradation des formes (document 8). Le traitement proposé aux personnes atteintes (document 10) On enlève le cristallin opaque lors d une intervention sous anesthésie locale et on le remplace par un cristallin artificiel. Une prévention possible (document 10) Comme il existe une relation entre l exposition solaire cumulative et le risque d apparition de cataracte, il est recommandé de porter des lunettes de soleil dont les verres sont de bonne qualité prévues pour protéger les yeux des UV solaires. Préciser l organisation cellulaire de la rétine afin de localiser les photorécepteurs La lumière traverse toutes les couches de la rétine avant d atteindre les photorécepteurs. Les messages nerveux sont transmis au cerveau par les fibres nerveuses des neurones ganglionnaires ou cellules ganglionnaires. axe optique Lumière Humeur vitrée Messages Messages nerveux Lumière Fibre nerveuse qui va participer à la formation du nerf optique. Neurones (cellules) ganglionnaires. Neurones (cellules) bipolaires. œil droit Photorécepteurs. Cellules pigmentaires. Choroïde 8 Corrigés des activités Séquence 1 SN13

7 Activité 7 Montrer que les bâtonnets et les cônes sont les cellules susceptibles d'être les récepteurs sensibles à la lumière 1 E Le document 14 représente la densité des photorécepteurs rétiniens, bâtonnets et cônes le long d une coupe de la rétine passant par le point aveugle et la fovéa. E La zone montrant une interruption des courbes du côté nasal correspond à une zone ne présentant pas de photorécepteurs, c est-à-dire ni bâtonnets, ni cônes : il s agit du point aveugle qui est le point de départ du nerf optique, constitué par l ensemble des fibres nerveuses issues des neurones ganglionnaires de la rétine. E La rétine centrale correspondant à la fovéa (point zéro du graphe) ne présente que des cônes dont la densité est de mm -2. La rétine périphérique correspondant à une excentricité de 70 ne présente quasiment que des bâtonnets. La répartition des photorécepteurs au niveau de la rétine Lumière La fovéa : (au niveau de la tâche jaune, macula) : il n y a que des cônes. La zone périphérique : plus on s éloigne de la fovéa, moins il y a de cônes qui sont peu à peu remplacés par des bâtonnets. La «tache aveugle» correspondant à la zone de convergence de toutes les fibres du nerf optique (un million de fibres). Elle est dépourvue de récepteurs, donc «aveugle». 2 Le document 15 permet de mettre en évidence une zone rétinienne aveugle qui correspond à la papille, point de départ du nerf optique, uniquement constituée de fibres nerveuses des cellules ganglionnaires. L absence dans cette zone de bâtonnets et de cônes entraîne par conséquent, une absence de perception visuelle. On peut donc supposer qu il s agit de cellules sensibles à la lumière permettant la perception des images lumineuses qui se forment sur la rétine. Corrigés des activités Séquence 1 SN13 9

8 Point de fixation 1 2 Position pour laquelle le cercle noir n est pas visible 3 Nerf optique Fovéa Point aveugle Un peu d histoire : Cette expérience s appelle l expérience de Mariotte. C est au XVIIe siècle, en procédant à la dissection d un oeil humain, que le physicien français Edme Mariotte découvrit la tache aveugle, région de la rétine où se rattache le nerf optique au globe oculaire. Il soupçonne qu étant dépourvue de cellules,la lumière ne devait pas stimuler cette région et que, par conséquent, chaque oeil devait posséder une «tache aveugle», une petite région du champ visuel où il est aveugle. 3 Le champ visuel n est pas le même pour toutes les longueurs d onde de la lumière : il existe un champ visuel en relation avec une sensibilité au vert peu étendu, un champ visuel en relation avec une sensibilité au rouge et au bleu. On peut supposer qu il existe de même des photorécepteurs sensibles au vert des photorécepteurs sensibles au rouge et d autres au bleu et que les différentes catégories n ont pas la même répartition. 10 Corrigés des activités Séquence 1 SN13

9 Activité 8 Identifier les fonctions différentes des bâtonnets et des cônes 1 Il s agit de comparer les intensités lumineuses minimales nécessaires pour que les bâtonnets et les cônes répondent à la stimulation. Conditions de l expérience = ce que les chercheurs ont fait. Les résultats observés Les déductions On a mesuré le seuil de réponse (plus petite intensité lumineuse capable de déclencher une sensation visuelle) des bâtonnets et des cônes en fonction de la longueur d onde. Pour une longueur d onde de 500 nm les bâtonnets réagissent pour une intensité lumineuse de 1 Lux Les bâtonnets ne réagissent plus pour des intensités lumineuses élevées. Il existe 3 types de cônes qui présentent des seuils de réponse pour des longueurs d onde différentes : les cônes 2 et 3 ont un seuil de réponse équivalent, correspondant à une intensité d environ 10 3 Lux. Le seuil de réponse des cônes 1 correspond à une intensité d environ 10 4 Lux. Les bâtonnets ont un seuil de réponse beaucoup plus faible que les cônes. Ils sont extrêmement sensibles à la lumière et fonctionnent en faible éclairement. Ils ne fonctionnent pas pour des niveaux élevés d éclairement. Les cônes ne fonctionnent que si la luminosité est relativement importante : ils sont moins sensibles à la lumière. Le fonctionnement des cônes exige une luminosité plus importante que celui des bâtonnets. 2 Dans les conditions de très faible éclairement, seuls les bâtonnets sont activés puisqu ils sont très sensibles à la lumière, leur seuil de réponse étant faible : un bâtonnet peut répondre à un unique photon. Ils interviennent lors de la vision nocturne. Dans des conditions d éclairements plus importants (éclairage intérieur, lumière du jour), les bâtonnets sont saturés (document 17) : ils ne contribuent plus à la vision. Seuls les cônes sont alors actifs puisque leur seuil de réponse est élevé : il faut plus de 100 photons pour activer un cône. Ils interviennent lors de la vision diurne. 3 Il s agit d établir une relation entre l absorption par les bâtonnets et les cônes des radiations lumineuses pour différentes longueurs d onde et leurs rôles dans la vision des couleurs. Corrigés des activités Séquence 1 SN13 11

10 Conditions de l expérience = ce que les chercheurs ont fait. On a mesuré l importance de l absorption des radiations lumineuses par les bâtonnets et les cônes, en fonction de leur longueur d onde autrement dit de leur couleur. Les résultats observés Les bâtonnets sont sensibles à une grande partie du spectre visible. Ils présentent un maximum d absorption pour des radiations de longueur d onde de 498 nm (cyan = bleu-vert) On distingue 3 types de cônes : cônes S dont le maximum d absorption correspond à des radiations de 420 nm (bleu) Cônes M dont le maximum d absorption correspond à des radiations de 534 nm (vert) Cônes L dont le maximum d absorption correspond à des radiations de 564 nm (jaune). Ils sont suffisamment sensibles aux radiations rouges pour répondre à la lumière rouge. Les déductions Comme les bâtonnets interviennent essentiellement en vision nocturne (document 17) pour de faible intensité de l éclairement (document 18), ils ne nous permettent pas de distinguer les couleurs : les objets apparaissent en niveaux de gris. Chaque type de cônes est plus efficacement activé par une longueur d onde particulière de la lumière dans la gamme de la couleur qui lui donne son nom (cônes S, M et L). En vision diurne (document 17), l existence de trois types de cônes (cônes S, M et L) ayant chacun un spectre d absorption différent permet la vision des couleurs. L existence de trois populations de cônes sensibles au «bleu» au «vert» et au «rouge» est responsable de la vision des couleurs. Remarque Les bâtonnets sont les seules cellules impliquées dans la vision crépusculaire et nocturne. Les cônes qui nous permettent de distinguer les couleurs ne sont pas stimulés dans ces circonstances. C est pour cette raison qu au crépuscule tous les objets nous apparaissent bleutés, grisés (Ne dit-on pas : «la nuit, tous les chats sont gris»). Les animaux aux mœurs nocturnes ont des rétines riches en bâtonnets (chauves-souris, chouettes). 4 Chaque type de cônes a un spectre d absorption plus étendu : E les cônes L sont sensibles au rouge, orange et jaune, un peu moins au vert, et un peu au bleu, mais pas au violet ; E les cônes M sont sensibles au vert, moins au rouge et au jaune ; ils sont aussi un peu sensibles au bleu ; E les cônes S sont sensibles au cyan, au bleu et au violet. Ainsi, une lumière colorée donnée est donc plus ou moins absorbée par plusieurs types de cônes. Par exemple, si les cônes L et M sont stimulés simultanément, nous percevrons une couleur jaune ou orange selon la population de cônes la plus fortement stimulée. Un seul type de photorécepteur ne peut à lui seul renseigner sur la couleur d un objet. C est donc l activité relative des trois ensembles de cônes qui diffère selon les stimulus lumineux de différentes longueurs d onde et qui rend l œil hu- 12 Corrigés des activités Séquence 1 SN13

11 main sensible à des milliers de nuances. La perception des couleurs est le résultat d une combinaison du fonctionnement des trois types de cônes. 5 Certains individus daltoniens ne perçoivent par exemple, que le rouge et le bleu. On peut émettre les hypothèses (explications possibles) suivantes pour expliquer ce fait : E leurs rétines ne comportent pas de cônes sensibles au vert ; E leurs rétines comportent des cônes sensibles au vert non fonctionnels ; E les proportions de cônes sensibles au vert ne sont pas suffisantes. Remarque Activité 9 6 Les cônes commencent à contribuer à la perception visuelle à un niveau voisin de la lumière des étoiles (document 17) et ils sont seuls à fonctionner aux luminosités relativement élevées (documents 17 et 18). L activité relative des trois ensembles de cônes (cônes à longueur d onde courte, moyenne et longue ou encore cônes sensibles au bleu, au vert et au rouge) est à l origine de la vision des couleurs (document 19). Ils permettent de plus une acuité visuelle maximale (document 17). La plus grande part de ce que nous considérons comme la vision est par conséquent due aux cônes. Les individus dont les cônes ne sont plus fonctionnels sont légalement aveugles ; ceux qui ont perdu l usage des bâtonnets ont des difficultés à voir aux niveaux d éclairements faibles ( cécité nocturne). Montrer que, suite à des stimuli lumineux, des messages nerveux naissent dans la rétine Il s agit de montrer que la lumière, reçue par les bâtonnets et les cônes, est convertie en messages nerveux qui quittent l œil par le nerf optique. Conditions de l expérience = ce que les chercheurs ont fait. L électrorétinogramme ou ERG, enregistre l activité électrique des photorécepteurs et des couches rétiniennes plus internes (à l exception des cellules ganglionnaires) suite à un flash lumineux, d une durée inférieure à 5ms. La variation d activité électrique des cellules ganglionnaires n étant pas mise en évidence par l ERG, on enregistre cette fois-ci l activité électrique d une fibre d une cellule ganglionnaire dans l obscurité puis suite à un flash lumineux. Les résultats observés On constate que suite, à un flash lumineux, l activité électrique de l ensemble de ces cellules varie pendant un court instant. Avant le flash lumineux, à l obscurité : la fibre présente une activité électrique de base : les signaux sont enregistrés à une certaine fréquence. Pendant le flash, la fréquence des signaux électriques enregistrés augmente. Lors du retour à l obscurité, la fréquence des signaux redevient similaire à la fréquence du début. Les déductions Le flash lumineux est à l origine d une variation d activité électrique des cellules rétiniennes telles que les photorécepteurs. La lumière a entraîné l augmentation de la fréquence de base des signaux électriques. Elle est à l origine d une modification de l activité électrique de la cellule ganglionnaire. Corrigés des activités Séquence 1 SN13 13

12 Si l on ajoute les informations fournies par les deux types d enregistrement, on peut dire que la lumière est à l origine d une variation d activité électrique, entre autre au niveau des photorécepteurs rétiniens, et qu elle est convertie en message nerveux correspondant à la variation de fréquence de signaux électriques enregistrable au niveau des fibres des cellules ganglionnaires. Les fibres des cellules ganglionnaires constituant le nerf optique, ces messages nerveux quittent l œil par son intermédiaire. 2 Les messages nerveux, produits par les neurones ganglionnaires, suite à la stimulation par la lumière des photorécepteurs de la rétine de l œil auquel correspond le nerf optique sectionné, ne seront plus transmis au cerveau. Il n y aura plus de perception visuelle des objets dans le champ visuel de cet œil. Des chercheurs ont pu mettre en évidence que suite à un flash lumineux, bâtonnets et cônes présentent une modification de leur activité cellulaire, à l origine d un message nerveux enregistrable au niveau des fibres des cellules ganglionnaires qui vont constituer le nerf optique au niveau de chaque œil. Activité 10 Identifier les structures des photorécepteurs permettant la connection de l'énergie lumineuse en message nerveux 1 Les bâtonnets et les cônes sont constitués d un volume de cytoplasme entouré par une membrane plasmique. Ils possèdent d autre part un noyau qui contient l information génétique. Ce sont par conséquent des cellules. 2 Une protéine est une molécule constituée d un enchaînement précis d acides aminés appelé séquence. La séquence d acides aminés conditionne sa configuration spatiale, qui elle-même, conditionne sa fonction dans l activité de la cellule. 3 Comparaison de l organisation tridimensionnelle de la rhodopsine bactérienne à la lumière et à l obscurité. On constate qu à la lumière la forme dans l espace de la molécule de rhodopsine (ainsi que celle du rétinal) bactérienne est légèrement modifiée. 14 Corrigés des activités Séquence 1 SN13

13 Dans l espèce humaine, la rhodopsine est contenue dans les disques membranaires des bâtonnets. On peut supposer que cette modification de la configuration tridimensionnelle de la molécule (document 24) est à l origine d une modification d activité de la cellule photoréceptrice (document 23). La modification d activité du bâtonnet serait elle-même à l origine d une modification d activité d une cellule ganglionnaire, c est-à-dire de la création d un message nerveux. Activité 11 Comparer l'opsine S de l'homme et de certains primates afin de conforter la place de l'homme parmi les primates 1 Les Vertébrés, qui possèdent tous un squelette interne, présentent une organisation générale commune. Leurs organes sont disposés de façon ordonnée selon deux axes de polarité : E L axe antéro-postérieur E L axe dorso-ventral. Ces deux axes définissent un plan de symétrie qui sépare la moitié droite et la moitié gauche de l organisme. La polarité antéro-postérieure apparaît morphologiquement par la succession, d avant en arrière, de la tête, du tronc et de la queue. Elle s observe aussi anatomiquement avec la régionalisation du tube digestif, constitué de différentes parties de la bouche à l anus, et celle de l axe nerveux, formé de l encéphale et de la moelle épinière. La polarité dorso-ventrale des Vertébrés se manifeste par la position dorsale de l axe nerveux et la position ventrale de la cavité générale contenant les viscères. 2 Le métabolisme est l ensemble des transformations chimiques réalisées par une cellule vivante. Il permet à une cellule de produire l énergie nécessaire à ses activités et de synthétiser sa propre matière organique. Il est soumis à un double contrôle : L information génétique (gènes) détermine le type de transformations chimiques réalisables. Les conditions du milieu extérieur influent également sur son déroulement. 3 Les caractéristiques des molécules utilisées pour établir des relations de parenté Document 27 : On utilise des molécules telles que des protéines (ou les gènes) dont on peut comparer les séquences afin de rechercher des similitudes. Le fait que l on constate de très nombreuses similitudes permet de dire qu elles doivent avoir une origine commune et on peut en déduire que les organismes qui les portent ont eux aussi une origine commune. Corrigés des activités Séquence 1 SN13 15

14 Cebus Saimiri Homme Gorille Chimpanzé Macaque 5 Document 29 : On choisit des molécules largement répandues dans le monde vivant et qui possèdent des fonctions équivalentes. Dans le cas étudié il s agit de protéines photoréceptrices. 4 Les documents 28 et 29 montrent que les singes d Amérique du Sud possèdent un seul gène codant pour une opsine ayant un spectre d absorption présentant un maximum à plus de 500nm( au lieu des deux gènes M et L chez l Homme) sur le chromosome X ; ils ne possèdent pas d opsine M et d opsine L. Par contre, ces singes, ceux de l Ancien Monde et l Homme possèdent le gène S codant pour une opsine S ayant un pic d absorption voisin. L opsine S étant une protéine, il est donc possible d effectuer une comparaison entre les séquences d acides aminés des différentes opsines S de ces Primates afin de rechercher des similitudes. 5 La comparaison des séquences des opsines S de l Homme, du Chimpanzé, du Gorille, du Macaque, du Cebus et du Saïmiri montrent que ces séquences d acides aminés présentent de nombreux acides aminés communs. De 1 à 40 : acides aminés des 6 molécules d opsine S S K M S E E E E F Y L F K N I S S V G P W D G P Q Y H I A P V W A F Y L Q A 20 S K M P E E E E F Y L F K N I S S V G P W D G P Q Y H I A P V W A F Q L Q A A F A F R K M S E E E - F Y L F K N I S S V G P W D G P Q Y H I A P V W A F Y L Q A A F R K M S E E E - F Y L F K N I S P V G P W D G P Q Y H I A P V W A F Y L Q A A F R K M S E E E - F Y L F K N I S S V G P W D G P Q Y H I A P V W A F Y L Q A A F R K M S E E E E F Y L F K N L S S V K P W D G P Q Y H I A P V W A F Y L Q A A F Acides aminés en commun au niveau des 6 molécules d opsine S Cette similitude importante est traduite dans la matrice visualisant le pourcentage de différences entre les différentes séquences (les valeurs sont exprimées en %). Le nombre de différences entre les séquences étant variable, on va pouvoir utiliser ce critère pour préciser un peu plus les parentés entre ces organismes. En effet, moins le nombre de différences entre deux molécules homologues est important et plus la molécule ancestrale dont elles dérivent est récente, et donc plus les organismes qui possèdent ces molécules ont un ancêtre commun récent.. Cebus Saimiri Homme Gorille Chimpanzé Macaque Cebus Saimiri Homme Gorille Chimpanzé Macaque L opsine S de Macaque présente plus de différences avec les opsines S du Saimiri et du Cebus qu avec les opsines S du Gorille, du Chimpanzé et de l Homme. On peut estimer le % de similitudes entre l opsine S de l Homme et celles des autres espèces de Primates. En effet, plus le pourcentage de diffé- 16 Corrigés des activités Séquence 1 SN13

15 rences entre deux molécules est faible, plus ces molécules ont un pourcentage de similitude important et plus les espèces qui leur correspondent sont proches. On organise dans ce cas le tableau afin de montrer «qui est plus proche de qui». Tableau visualisant le % de similitudes entre les séquences de l opsine S de l Homme et celles des opsines S des Primates étudiés. Homme Chimpanzé 100 % Gorille 99 % Macaque 87 % Cebus 75 % Saïmiri 72 % E L importance des similitudes constatées permet de penser que toutes ces molécules (donc les gènes qui les codent) ont une origine commune : elles dérivent toutes d une même molécule ancestrale. On qualifie ces molécules de molécules homologues (on parlera donc aussi de gènes homologues pour les gènes codant pour ces molécules). E Les organismes, le Saïmiri,le Cebus, le Macaque, le Gorille, le Chimpanzé et l Homme, qui possèdent ces molécules ont donc aussi un ancêtre commun qui possédait la molécule ancestrale (ou le gène ancestral) : L arbre phylogénétique, construit à partir de la matrice des différences, permet de visualiser ces relations de parenté. Homme Chimpanzé Gorille Macaque Cebus Saimiri Ainsi, l Homme et le Chimpanzé sont les espèces les plus étroitement apparentées puisqu il n y a aucune différence au niveau des séquences respectives de l opsine S. Corrigés des activités Séquence 1 SN13 17

16 Le Gorille est plus proche du groupe Homme-Chimpanzé que ne le sont les autres espèces : il a donc un ancêtre commun avec ces derniers. Le Macaque est plus apparenté au groupe Homme Chimpanzé Gorille que ne le sont le Cebus et le Saïmiri. L Homme partage un ancêtre commun avec le Saïmiri,le Cebus, le Macaque, le Gorille, le Chimpanzé qui sont des espèces appartenant à l ordre des Primates. Cette étude conforte ainsi la place de l Homme au sein des Primates. Remarque L établissement de relation de parenté nécessite d utiliser un grand nombre de caractères. Ici, on ne s est appuyé que sur la comparaison des séquences d une seule molécule l opsine S. 18 Corrigés des activités Séquence 1 SN13

17 Correction des activités du chapitre 2 Activité 1 Repèrer une zone privilégiée du cortex cérébral intervenant dans le traitement des messages nerveux visuels 1 On cherche à établir quelle(s) zone(s) du cerveau intervient de façon privilégiée dans le traitement des informations visuelles issues de la rétine. La technique d imagerie médicale qui consiste à mesurer le débit sanguin au niveau du cerveau afin de mettre en évidence toute variation d activité (document 3) montre que, suite à un flash lumineux le débit sanguin augmente au niveau des lobes occipitaux (document 2) des deux hémisphères cérébraux. Cette augmentation de débit sanguin est à corréler avec une augmentation de l activité des lobes occipitaux. On peut, par conséquent, supposer que les informations visuelles issues de la rétine sont dans un premier temps traitées à ce niveau, c est-à-dire au niveau du cortex occipital. 2 IRM : technique d investigation qui consiste à observer les tissus biologiques à travers les propriétés magnétiques de l un de leurs constituants majoritaires, le noyau d hydrogène. Elle permet d obtenir des images numériques en trois dimensions de coupes virtuelles de l organisme avec une précision inférieure au millimètre. L IRM fonctionnelle permet de détecter les régions du cerveau qui consomment le plus d oxygène et qui sont donc les plus actives. Tomodensitométrie : ou scanographie est une technique d imagerie médicale qui consiste à mesurer l absorption par exemple, des rayons X par les organes puis, par traitement informatique, à numériser et enfin reconstruire des images 2D ou 3D des structures anatomiques. Pour acquérir les données, on emploie la technique d analyse tomographique (cette technique permet de reconstruire le volume d un objet à partir d une série de mesures effectuées par tranche depuis l extérieur de cet objet) ou «par coupes», en soumettant le patient au balayage d un faisceau de rayons X. 3 Les documents 1 et 3 ont permis de déterminer que les informations visuelles issues de la rétine sont dans un premier temps traitées au niveau des lobes occipitaux droite et gauche. Le document 2 montre que les nerfs optiques provenant des rétines de l œil droit et de l œil gauche se rencontrent. Mais il n est pas possible de savoir : E s ils se croisent : les fibres du nerf optique gauche passant à droite et vice versa ; E si seulement une partie de leurs fibres se croisent ; E si on a seulement l impression qu ils se rejoignent : les fibres du nerf optique droit restant au niveau de l hémisphère droit et celles du nerf optique gauche au niveau de l hémisphère gauche. Corrigés des activités Séquence 1 SN13 19

18 Stimulus Lumière (document 3) œil gauche zone activée du lobe occipital (document 3) cortex cérébral du lobe occipital (document 1) trajet hypothétique des messages nerveux issus de l œil gauche suite à une stimulation de la rétine par la lumière. Activité 2 Identifier les voies nerveuses empruntées par les messages provenant de la rétine en direction du cortex cérébral visuel 1 Projection du Point B sur les rétines de l œil droit et de l œil gauche. Champ visuel binoculaire Point de fixation Champ visuel gauche A B C D E Champ visuel droit Nerf optique Chiasma optique Rétine nasale Rétine temporale Le point B situé dans le champ visuel binoculaire se projette au niveau de la rétine nasale de l œil gauche et au niveau de la rétine temporale de l œil droit. 20 Corrigés des activités Séquence 1 SN13

19 Conditions de l expérience : Lésions Lésion1 : section du nerf optique droit Lésion 2 : section de la zone de rencontre des nerfs optiques. Lésion 3 2 Un point du champ visuel temporal se projette au niveau de la rétine nasale de l œil droit. Un point du champ visuel nasal se projette quant à lui au niveau de la rétine temporale de l œil droit. 3 On cherche à établir le trajet des messages nerveux de la rétine au cortex occipital. Les résultats observés : Conséquences sur la perception visuelle Perception visuelle au niveau du champ visuel gauche. Pas de perception visuelle au niveau du champ visuel droit. Perception visuelle au niveau du champ nasal gauche et droit. Pas de perception visuelle au niveau du champ temporal gauche et droit. Perception visuelle au niveau du champ nasal gauche et du champ temporal droit. Pas de perception visuelle au niveau du champ temporal gauche et du champ nasal droit. Déductions Dans ce cas, les messages nerveux issus de la rétine de l œil droit n arrivent plus dans le cerveau. La vision est monoculaire. Dans le nerf optique circulent bien les fibres issues de la rétine nasale et temporale de l œil droit. Les messages nerveux sont acheminés dans le cerveau par les fibres des nerfs optiques Les messages issus des rétines nasales des deux yeux ne sont plus transmis au cerveau. Au niveau de la zone sectionnée, les fibres nerveuses provenant des neurones ganglionnaires situés dans les rétines nasales se croisent et passent dans l hémisphère cérébral opposé. Les fibres issues des neurones ganglionnaires situés dans la rétine temporale des deux yeux ne se croisent pas : les fibres provenant de la rétine temporale de l œil droit transmettent ainsi les messages nerveux au cortex de l hémisphère droit ; les fibres provenant de la rétine temporale de l œil gauche les transmettent au cortex de l hémisphère gauche. Les messages issus de la rétine nasale de l œil gauche et ceux issus de la rétine temporale de l œil droit ne sont plus transmis au cerveau. La lésion est à l origine d une section des fibres issues des neurones ganglionnaires de la rétine nasale de l œil gauche et de la rétine temporale de l œil droit. Ceci confirme le fait que les fibres issues de la rétine nasale de chaque œil se croisent au niveau de la zone 2. Cette zone s appelle chiasma (croisement) optique. Corrigés des activités Séquence 1 SN13 21

20 Lésion 4 Perception visuelle au niveau du champ nasal gauche et du champ temporal droit. Pas de perception visuelle au niveau du champ temporal gauche et du champ nasal droit. Les observations effectuées suite à cette lésion confirme le fait que seuls les messages issus de la rétine nasale de l œil gauche et ceux issus de la rétine temporale de l œil droit empruntent cette voie en direction du cortex cérébral. Au niveau de la zone de chiasma optique, les fibres issues des neurones ganglionnaires de la rétine nasale des deux yeux se croisent. Ainsi, chaque hémisphère cérébral reçoit des messages issus de la rétine temporale de l œil situé du même côté et des messages issus de la rétine nasale du côté opposé. 4 Le trajet des voies visuelles entre la rétine (rétine nasale et rétine temporale) des yeux droit et gauche et les aires corticales visuelles droite et gauche. Trajet des messages nerveux issus de l œil gauche Trajet des messages nerveux issus de l œil droit 5 Le trajet des messages visuels provenant des projections des points B et D sur les rétines de l œil droit et de l œil gauche. CHAMP VISUEL BINOCULAIRE Point de fixation B D Neurones en relation avec la partie gauche du champ binoculaire Neurones en relation avec la partie droite du champ binoculaire 22 Corrigés des activités Séquence 1 SN13

21 Activité 3 Identification des aires cérébrales intervenant dans le traitement des messages visuels À partir de l étude d anomalies de la vision observées chez trois patients, il s agit de montrer qu il existe : E des aires permettant une identification des objets d après leurs caractéristiques telles que forme et couleur ; E des aires permettant la localisation et la perception du mouvement des objets dans l espace. Cas d anomalie Les perturbations visuelles observées Les caractéristiques des objets auxquelles elles correspondent Les lésions observées Déductions Cas 1 Perte de la vision des couleurs dans la partie droite du champ visuel binoculaire Lecture impossible La couleur La forme des mots écrits Lésion dans la partie postérieure et interne du lobe occipital de l hémisphère gauche Lésion corticale dans une zone située au niveau du lobe temporal Si l on prend en compte le document 4, un point du champ visuel binoculaire droit, qui dans le cas de la patiente n est pas vu en couleur, se projette au niveau de la rétine nasale de l œil droit et de la rétine temporale de l œil gauche. Les messages nerveux qui en résultent arrivent dans l hémisphère gauche au niveau du lobe occipital et sont transmis au niveau de la zone corticale du lobe temporal. Cette zone permet l identification de la couleur des objets et celle des mots écrits. Cas 2 Troubles de reconnaissance des visages Identification des visages Formes Lésion du cortex de la face inférieure du lobe temporal de l hémisphère droit. La zone du cortex de la face inférieure du lobe temporal de l hémisphère droit intervient dans l identification des visages et des formes. Corrigés des activités Séquence 1 SN13 23

22 Cas 3 Pas de perception du mouvement, difficulté à contrôler son écriture ; Reconnaissance des visages, des objets, des mots écrits et des couleurs. Mouvement des objets Localisation des objets. Lésions au niveau de l aire corticale située à la jonction temporooccipitale au niveau des deux hémisphères. Cette aire corticale située dans les deux hémisphères intervient dans la perception du mouvement et ainsi dans la localisation des objets. Les cas 1 et 2 permettent de dire qu il existe au niveau du lobe temporal, une ou des aires permettant l identification des objets d après leurs caractéristiques : couleur et mots écrits (cas1), formes et identification consciente des visages (cas 2). Le cas 3 montre, quant à lui, qu il existe au niveau des deux hémisphères cérébraux, une aire corticale permettant la localisation et la perception du mouvement des objets dans l espace. Activité 4 Activité 5 Montrer que malgré un traitement séparé des caractéristiques des objets, la perception finale est unique Les informations issues de la rétine parviennent dans les aires visuelles du cortex occipital des deux hémisphères. Le traitement des caractéristiques comme la couleur, la forme et le mouvement font ensuite l objet d un traitement par des voies nerveuses distinctes. Une aire située dans le cortex pariétal contribue de façon prépondérante à la perception de la localisation, du mouvement, («où» se situe ce qui est perçu) tandis qu une aire située dans le cortex temporal est impliquée dans la reconnaissance des formes et des couleurs (de «quoi» s agit-il). Les caractéristiques des images sont traitées par des voies nerveuses séparées mais la perception finale est unique : elle résulte de l intégration de ces différentes informations par le cerveau. Comprendre le fonctionnement d'un synapse 1 Avant l arrivée d un message nerveux dans la zone synaptique du neurone 1, on peut observer de nombreuses vésicules synaptiques contenant des molécules de neurotransmetteur. À la suite de l arrivée d un message nerveux dans cette zone, les vésicules sont moins nombreuses et des vésicules semblent s être ouvertes dans la fente synaptique en s associant à la membrane plasmique du neurone 1. On peut supposer que le message nerveux, constitué de signaux électriques à une certaine fréquence, a entraîné la libération d une certaine quantité de molécules de neurotransmetteur dans la fente synaptique. 24 Corrigés des activités Séquence 1 SN13

23 a Voies visuelles 2 c Vésicules contenant des molécules de neurotransmetteur b A N1 N2 Synapse observée au M.E. (x ) s il n y a pas de message nerveux en N1 N1 N2 Membrane plasmique Fente synaptique NEURONE 1 N1 Dans le cytoplasme, des vésicules, contenant des molécules de neurotransmetteur Fente synaptique Membrane plasmique NEURONE 2 Cytoplasme N2 Structure d une synapse d après une observation au microscope électronique (M.E. x 70000) Membrane plasmique du neurone 2 renfermant des récepteurs spécifiques du neurotransmetteur d Synapse observée au M.E. (x ) s il y a un message nerveux en N1 N1 2 3 N2 Fente synaptique 4 Association des molécules de neurotransmetteur aux récepteurs spécifiques de N2 1 Message nerveux en N1 Association des vésicules à la membrane N1 Libération des molécules de neurotransmetteur dans la fente = chronologie des évènements 3 Les fibres nerveuses des nerfs optiques correspondent aux fibres nerveuses des neurones ganglionnaires rétiniens. Suite à une stimulation, des messages nerveux sont véhiculés par les fibres des nerfs optiques dont les extrémités sont connectées avec d autres neurones au niveau de la zone A. Dès l arrivée d un message nerveux la transmission de l information est assurée par les molécules de neurotransmetteurs qui sont déversées dans l espace synaptique entre les deux neurones. L association des molécules de neurotransmetteurs et des récepteurs spécifiques de la membrane du neurone 2 permet l apparition d un message nerveux au niveau du neurone 2. Dans le cas considéré, la fixation des molécules de neurotransmetteur au niveau des récepteurs spécifiques ne s effectuant pas, la transmission de l information n est pas possible et les neurones qui rejoignent le cortex visuel ne présentent pas de messages nerveux. Le cortex visuel ne reçoit plus d informations visuelles, la personne est atteinte de cécité. Corrigés des activités Séquence 1 SN13 25

24 4 Trajet des voies visuelles présentant les zones où le message est de nature électrique et celles où il est de nature chimique. Lumière N 1 A N 2 message de nature électrique message de nature chimique Activité 6 Expliquer l action d une drogue dans la perturbation de la communication nerveuse qu elle induit et les dangers de la consommation 1 Le LSD est une substance chimique psychoactive, car il agit sur le cerveau en modifiant l activité cérébrale et par là même, les sensations et le comportement (documents 12 et 15). La prise de LSD entraîne une modification des perceptions (modifications des sensations visuelles, auditives, tactiles, mais également de la perception du temps et de l espace). Elle est ainsi à l origine de visions très colorées, d hallucinations visuelles et auditives, de vertiges. Elle cause aussi des vomissements et des troubles respiratoires et moteurs (document 12). Le phénomène de tolérance, présenté dans le document 15, se traduit par une diminution progressive au cours du temps des effets produits pour une même dose de drogue. Une même dose de LSD ne permettrait plus d obtenir les mêmes effets, ce qui inciterait l usager a augmenté la quantité consommée. 2 Travail préparatoire à la rédaction : Relevé des informations en relation avec le problème posé «proposer une hypothèse permettant d expliquer les propriétés du LSD. 26 Corrigés des activités Séquence 1 SN13

25 Document 10 : L arrivée d un message nerveux au niveau du neurone 1 provoque la libération de molécules de neurotransmetteur qui s associent aux récepteurs spécifiques situés dans la membrane plasmique du neurone 2. C est de cette association que dépend la création d un message nerveux au niveau du neurone 2. Document 11 : La sérotonine participe à la perception visuelle mais aussi à d autres aspects du fonctionnement cérébral. L association neurotransmetteur (ici la sérotonine)-récepteur spécifique est possible grâce à une complémentarité partielle de la 3 D des deux molécules. Document 12 : le LSD est une drogue hallucinogène qui induit entre autre des modifications au niveau de la perception visuelle : vision extrêmement colorée, hallucinations visuelles. Il entraîne aussi d autres modifications de la perception et différents effets psychiques tels que des troubles de l humeur et de la mémoire. Document 13 : Le LSD, suite à son absorption, passe dans le sang et rejoint le cerveau qui est un organe très irrigué. On a constaté qu il se retrouvait au niveau des voies visuelles, dans la zone de relais synaptique A et qu il modifiait l activité des circuits de neurones dont le neurotransmetteur est la sérotonine. Or la sérotonine est un des neurotransmetteurs intervenant dans la transmission des messages nerveux dans cette zone (document 11). Document 14 : La modélisation 3D de ces deux molécules montre qu elles présentent une zone similaire d un point de vue de leur configuration tridimensionnelle. Cette zone correspond, si l on considère la molécule de sérotonine, à celle permettant son association avec son récepteur spécifique (document 11). Un texte possible : Le LSD est une drogue hallucinogène qui entraîne des modifications de la perception visuelle (document 12). Comment expliquer ses propriétés? Suite à son absorption, le LSD se retrouve au niveau des voies visuelles dans des zones de relais synaptiques où la sérotonine est un des neurotransmetteurs intervenant dans la transmission des messages nerveux au niveau des synapses existant entre les neurones (document 13). En temps normal, suite à l arrivée d un message nerveux, il y a libération de molécules de sérotonine dans la fente synaptique existant entre les deux neurones (document 10). Cellesci se fixent ensuite au niveau des récepteurs spécifiques existant dans la membrane plasmique du neurone suivant grâce à une complémentarité partielle de la 3 D des deux molécules (documents 10 et 11). Or, le LSD et la sérotonine présentent une zone similaire d un Corrigés des activités Séquence 1 SN13 27

26 Remarque Modèle moléculaire du L.S.D. point de vue de leur configuration tridimensionnelle (document 14). Cette zone correspond, si l on considère la molécule de sérotonine, à celle permettant son association avec son récepteur spécifique (document 11). On peut donc supposer que le LSD peut se lier aux mêmes récepteurs que la molécule de sérotonine et qu il permet ainsi la création de message nerveux à l origine de modifications de la perception visuelle. Le fait que la sérotonine participe également à différents aspects du fonctionnement cérébral, permet d expliquer que le LSD soit à l origine de divers effets psychiques (documents11 et 12). L intervention normale d une substance chimique, telle que la sérotonine, dans le processus de transmission de l information dans la vision, permet de comprendre que le LSD puisse perturber le fonctionnement visuel en se fixant sur les récepteurs du neurotransmetteur. Cette fixation est possible car les deux molécules possèdent une partie de leur 3D qui est similaire et complémentaire d une zone de la 3D des récepteurs. Elle est à l origine des hallucinations observées. Les effets prolongés de la drogue sont dus au fait que l organisme ne possède pas les molécules nécessaires pour inactiver le LSD (document 10) qui reste lié plus longtemps au récepteur, et est donc plus longuement actif. Fonctionnement d une synapse dont le neurotransmetteur est la sérotonine en présence de LSD neurone 1 1 neurotransmetteur = sérotonine 2 complémentarité Fixation du LSD sur les récepteurs spécifiques de la sérotonine Récepteur spécifique de la sérotonine 3 neurone 2 Représentation schématique du LSD Représentation schématique de la sérotonine 28 Corrigés des activités Séquence 1 SN13

27 Activité 7 Montrer que la perception visuelle est personnelle et évolutive 1 La perception visuelle dépend de l expérience de chacun. Perception personnelle du tableau Mémoire Interprétation Expérience Différentes aires corticales visuelles ŒIL CERVEAU Stimulus lumière A l origine de Messages nerveux 2 Il s agit de montrer que le fonctionnement du système visuel est dépendant de l expérience visuelle dont chaque individu bénéficie. Conditions de l expérience = ce que les chercheurs ont fait. Les résultats observés Les déductions Les chercheurs ont pratiqué chez des singes la suture des paupières au niveau d un œil pendant quelques jours avant la huitième semaine. Ils ont inversé la suture pendant cette période Il y a alors diminution du pouvoir de discrimination de cet œil de façon durable. La fonction de l œil est restaurée. L acuité visuelle c est-à-dire la capacité de voir nettement les détails d un objet est diminuée. Les stimulus lumineux, c est-à-dire une expérience visuelle, sont nécessaires à la maturation du système visuel. L acuité, qui a d abord diminué, est redevenue normale suite à la stimulation visuelle reçue à nouveau par l œil. Pendant la période sensible, le système visuel est modelable : on parle de plasticité cérébrale. Pendant la période sensible, la maturation du système visuel est dépendant des stimulus lumineux reçus par les yeux qui conditionnent le remodelage permanent des circuits de neurones intervenant dans la vision. 3 Suite à un accident vasculaire cérébral, un peintre a réalisé dans un premier temps un autoportrait qui fait abstraction de toute la partie gauche de son visage. Corrigés des activités Séquence 1 SN13 29

28 L accident vasculaire cérébral a été à l origine de la destruction d une certaine quantité de neurones et de connexions (synapses). Au cours du temps, le portrait s enrichit peu à peu dans la partie gauche. Suite aux stimulus visuels, il a dû se produire une réorganisation partielle des circuits cérébraux, c est-à-dire des circuits de neurones. La plasticité cérébrale lui a permis de peindre à nouveau son autoportrait au bout de neuf mois. Activité 8 Montrer qu une activité de lecture nécessite une coopération entre des aires cérébrales mais également, une plasticité au niveau des connexions 1 Si l on confronte les deux schémas tirés d images montrant l activité de certaines zones de l hémisphère gauche, lorsqu un sujet regarde un mot écrit (document 20) ou lors de la lecture de phrases écrites (document 21), on peut situer l aire permettant la détection et la reconnaissance des lettres au niveau de la région occipito-temporale. L aire occipitale visuelle où arrivent les messages nerveux issus de la rétine est située postérieurement par rapport à la précédente. Arrivée des messages nerveux issus de la rétine Aire corticale visuelle occipitale Aires de la forme visuelle des mots Zone corticale très active Zone corticale moyennement active Aires en relation avec le langage Hémisphère gauche 2 Les chercheurs ont constaté que, chez les personnes analphabètes, l aire visuelle de l hémisphère gauche qui chez les lecteurs décode les mots écrits intervient dans la reconnaissance visuelle des objets et des visages. Au cours de l apprentissage de la lecture, l activation aux visages se déplace en partie dans l hémisphère droit. 3 Une étude (document 20) a tenté d établir que l apprentissage de la lecture reposait sur «un recyclage» de régions cérébrales qui avaient un autre rôle avant cet apprentissage, ce qui supposait une certaine plasticité cérébrale. 30 Corrigés des activités Séquence 1 SN13

29 Ils ont comparé l activation cérébrale de personnes analphabètes, de personnes alphabétisées à l âge adulte et de personnes scolarisées depuis l enfance lorsqu on les soumettait à différents stimulus tels que phrases parlées et écrites, mots, visages. Ils ont alors observé que, apprendre à lire, augmente les réponses des aires visuelles du cortex, entraîne l utilisation d une aire de l hémisphère gauche intervenant précédemment dans la reconnaissance des visages pour décoder les mots écrits. Le cortex visuel s est par conséquent réorganisé au cours de l apprentissage de la lecture : il a modifié ses réseaux de neurones (document 19). 4 L étude présentée dans le document 21 montre également que la grande majorité des effets de l apprentissage de la lecture sur le cortex cérébral (réorganisation partielle du cortex visuel, augmentation de l activation du cortex auditif, extension des aires du langage) sont visibles autant chez les personnes scolarisées dans l enfance que chez celles qui ont suivi des cours d alphabétisation à l âge adulte. Chez ces personnes les réseaux de neurones intervenant dans la lecture sont par conséquent toujours capables de se réorganiser : ils ont demeuré plastiques. Corrigés des activités Séquence 1 SN13 31

30 Correction des exercices Exercice 1 Les caractéristiques des bâtonnets et des cônes. Tableau comparatif présentant toutes les caractéristiques des photorécepteurs rétiniens, bâtonnets et cônes. Les bâtonnets Les cônes Organisation (document 22) Les ressemblances Il s agit de cellules possédant dans leur cytoplasme des disques membranaires renfermant un photopigment ; le photopigment absorbe la lumière et génère des modifications importantes du fonctionnement du photorécepteur à l origine de la création d un message nerveux enregistrables au niveau des fibres des neurones (cellules) ganglionnaires. Les différences Densité au niveau de la rétine (document 14) Sensibilité (document 18) Rôles dans la vision (document 17) Vision centrale et périphérique vision crépusculaire et vision diurne vision des couleurs (document 19) Il existe un seul type de bâtonnet dont le photopigment est sensible dans le vert et le bleu Seuls présents dans la rétine périphérique, absents au point aveugle et à la fovéa Très sensibles à la lumière (un bâtonnet peut être sensible à un seul photon) Vision périphérique Faible luminosité à vision nocturne Gamme de gris Il existe 3 types de cônes correspondant à 3 types de photopigments sensibles chacun à une longueur d onde (bleu, vert, rouge) Seuls présents au niveau de la fovéa, absents au point aveugle et dans la rétine périphérique Moins sensibles à la lumière il faut plus de 100 photons pour activer un cône Vision centrale Lumière du jour à vision diurne couleurs : bleu, vert et rouge, (mais l activité relative des 3 types de cônes rend l œil humain sensible à des milliers de nuances.) Corrigés des exercices Séquence 1 SN13 33