851, 852 et 853 Lundi 3 avril 2017 DEVOIR SURVEILLE. n 6 GEOLOGIE ET BIOLOGIE. Sujet de type «Epreuve sur documents» du concours commun Agro Véto

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1 851, 852 et 853 Lundi 3 avril 2017 DEVOIR SURVEILLE n 6 GEOLOGIE ET BIOLOGIE Sujet de type «Epreuve sur documents» du concours commun Agro Véto Durée 3 h Il sera tenu compte de la qualité de la présentation et de la rédaction (orthographe, grammaire, précision de l expression). L usage d abaques, de tables, 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. Le sujet contient : - un premier volet de géologie avec deux parties indépendantes - un second volet de biologie avec trois parties indépendantes. Les réponses aux questions devront être portées directement dans les cadres prévus à cet effet (en se limitant strictement à ces cadres). Répondre aux questions posées et à elles seules, selon les modalités indiquées dans le sujet. Les documents pourront être annotés directement sur la copie (sans les découper ni les coller). Les pages du sujet ne seront pas dissociées. Le sujet comporte 16 pages 1

2 GEOLOGIE PARTIE I Durée conseillée 1 h Source des documents : JF MOYEN sur le site de l ENS Lyon Les adakites sont des roches volcaniques particulières qui se forment en contexte de subduction, dans des secteurs relativement localisés. Leur nom provient de l île d Adak, dans les Aléoutiennes, où elles ont été décrites initialement. Elles se distinguent des B.A.D.R. (Basalte, Andésite, Dacite, Rhyolite) de la série calco-alcaline classiquement rencontrées par l absence de termes basiques (basaltiques). Document 1. Diagrammes alcalins silice et K Na Ca. N.B. : les points noirs sont les adakites étudiées. Al = alcalin : Th = tholéiitique. Question 1. Comparer les caractéristiques des adakites et des roches B.A.D.R. en utilisant les informations du document 1. 2

3 Document 2. Comparaison de la composition chimique des adakites (moyenne de 81 analyses) et des dacites (moyenne de 80 analyses) pour les éléments majeurs et pour les éléments traces (terres rares) marqueurs de la source magmatique. Remarque : une ppm correspond à un rapport de 10-6 soit, par exemple, 1 mg par kg. Question 2. Quelles informations supplémentaires le document 2 apporte-t-il? 3

4 Document 3. Les adakites de Patagonie (Amérique du Sud). Document 3a (à gauche). Schéma structural de la région étudiée. L âge de la croûte est indiqué en millions d années (Tmy). Document 3b (au milieu). Age de la plaque plongeante en fonction de la latitude. Document 3c (à droite). Teneur en Yb des laves formées le long de la fosse (Ytterbium : élément trace, terre rare). Les cercles noirs correspondent aux adakites, les cercles blancs aux BADR. Question 3. A partir de l exploitation des documents 3a et 3b, indiquez quel contexte géodynamique particulier permet d expliquer la production d adakites. Question 4. En relation avec les documents précédemment étudiés, analysez et interprétez les teneurs en terres rares des laves étudiées sur le document 3c. 4

5 Afin de déterminer quel est le matériau source qui subit la fusion partielle, on soumet en laboratoire différentes roches à une fusion partielle et on analyse le spectre de terres rares des liquides magmatiques obtenus. Document 5. Spectres de terres rares comparant les adakites (ronds noirs) avec les liquides modélisés, formés dans différents cas : - fusion d une péridotite à grenat, - fusion d une amphibolite (basalte métamorphisé contenant de la hornblende, qui est une amphibole), - fusion d une amphibolite à grenat (basalte métamorphisé dans des conditions où le grenat peut apparaître). Les surfaces grises donnent la composition des liquides formés en fonction du taux de fusion partielle F. Les courbes avec les ronds blancs indiquent le spectre obtenu avec le liquide issu de la fusion d un manteau chondritique (non différencié) à gauche, avec celui issu de la fusion d un basalte tholéiitique non métamorphisé au milieu et à droite. Question 5. A partir de l analyse des données fournies, quel matériau source pouvez-vous proposer pour le magma à l origine des adakites? Que pouvez-vous proposer pour le taux de fusion partielle? 5

6 Document 6. Diagramme P-T. Quatre gradients géothermiques sont figurés en fonction de l âge de la lithosphère entrant en subduction. FDA : solidus de la croûte océanique hydratée. G : limite inférieure du champ de stabilité du grenat (le grenat peut être présent dans les conditions au-dessus de cette limite). H : limite de disparition de l amphibole (hornblende) (la hornblende peut être présente à gauche de cette limite). Question 6. Que représente la zone grisée sur le graphique? En déduire les conditions dans lesquelles la fusion partielle est possible pour donner un magma à l origine des adakites. 6

7 Partie II Durée conseillée 30 min Diagrammes de phase Exercice 1. Quartz et albite sont deux tectosilicates, immiscibles à l état solide. Le diagramme du mélange albitequartz est présenté ci-contre. Question 1. Annotez le plus précisément possible le diagramme ci-contre. Question 2. Indiquez quelle est la composition du mélange M. Question 3. Décrivez l évolution du mélange M lors de son refroidissement jusqu à une température inférieure à 740 C. On détaillera les proportions de liquide et leurs compositions aux températures T1, T2 et T3. 7

8 Exercice 2. Question : Utilisez chaque diagramme de phase pour interpréter la structure minéralogique observée sur la lame mince. cas n 1 Elément à étudier cas n 2 : considérer un liquide magmatique de composition initiale 60 % d orthose et 40 % d albite. Liquide Un feldspath Na-K orthose Albite 2 feldspaths distincts 8

9 BIOLOGIE PARTIE I Durée conseillée 30 min Métabolisme des levures : étude de la fermentation On étudie la fermentation alcoolique réalisée par des levures (Saccharomyces cerevisiæ) : en l absence d O2, la glycolyse est suivie par la formation d éthanol. Les levures sont mises en suspension dans un tampon phosphate de ph = 6,2 et on fait buller du N2 dans la suspension afin d en éliminer le maximum d O2. Puis on transfère 4 ml de cette suspension dans une enceinte de mesure dans laquelle plonge une sonde à éthanol reliée à un système informatique d acquisition de données. Cette sonde a été préalablement étalonnée avec des solutions d éthanol de concentration connue (document 1a). Document 1a : Schéma du montage expérimental permettant le suivi de la fermentation alcoolique des levures. Modifié d après TP de biologie des levures, D. Pol, 1996, Ellipse 9

10 A l aide de la seringue d injection, on ajoute dans l enceinte de mesure une solution de glucose à 1 mmol.l -1 et on suit la production d éthanol au cours du temps. La même expérience est ensuite réalisée avec quatre autres solutions de glucose de concentrations croissantes. L ensemble des résultats est juxtaposé sur le document 1b. Document 1b : Résultats expérimentaux du suivi de la fermentation par des levures (Saccharomyces cerevisiæ) avec cinq concentrations différentes de glucose. Modifié d après TP de biologie des levures, D. Pol, 1996, Ellipse Glu 1 : [Glucose] = 1 mmol.l -1 Glu 2 : [Glucose] = 5 mmol.l -1 Glu 3 : [Glucose] = 12,5 mmol.l -1 Glu 4 : [Glucose] = 100 mmol.l -1 Glu 5 : [Glucose] = 150 mmol.l -1 Question 1. Comparer les résultats obtenus (document 1b). Que peut-on déduire de la quasi superposition des courbes Glu 4 et Glu 5? 10

11 On cherche à étudier l utilisation de différents substrats (document 2a) par les levures : glucose, galactose, maltose, saccharose, lactose et amidon. Pour chaque expérience, on ajoute dans l enceinte 100 mmol.l -1 de substrat testé. L ensemble des résultats est juxtaposé sur le document 2b. Il faut noter que, malgré tout le soin apporté à la réalisation des solutions et au nettoyage de l enceinte de mesure, des traces des glucides successifs peuvent être encore finalement présentes. Document 2a. Les différents substrats étudiés. Gal : [Galactose] = 100 mmol.l -1 Sac : [Saccharose] = 100 mmol.l -1 Mal : [Maltose] = 100 mmol.l -1 Ami : empois d amidon Lac : [Lactose] = 100 mmol.l -1 Glu : [Glucose] = 100 mmol.l -1 Document 2b. Résultats expérimentaux du suivi de la fermentation par des levures (Saccharomyces cerevisiæ) de différents glucides. Modifié d après TP de biologie des levures, D. Pol, 1996, Ellipse Question 2. Analysez et interprétez les résultats obtenus avec les différents substrats (document 2b). 11

12 A l aide d une bandelette destinée à mesurer la glycémie (taux de glucose sanguin), on teste la suspension de levures ayant reçu du saccharose au cours de l expérience précédente à t = 1, s : le test est positif, c'est-à-dire que du glucose est détecté. Dans un second temps, à la fin de l expérience, cette suspension est diluée au dixième puis passée sur un filtre ne laissant passer que les éléments dont la taille est inférieure à 1 μm. On ajoute alors au filtrat obtenu 5 ml d une nouvelle solution pure de saccharose ; le tout est placé au bain marie à 30 C pendant 20 minutes puis on teste la solution avec une nouvelle bandelette : le test est de nouveau positif. Question 3. Quelle réaction est ainsi mise en évidence? L enzyme qui la catalyse est-elle cytosolique ou extra-cellulaire (justifiez)? A l aide de nouvelles bandelettes destinées à mesurer la glycémie, on teste la suspension ayant reçu du maltose au cours de l expérience précédente (document 2b) à t = 1, s : le test est négatif. Dans un second temps, à la fin de l expérience, cette suspension est diluée au dixième puis passée sur un filtre ne laissant passer que les éléments dont la taille est inférieure à 1 μm. On ajoute alors au filtrat obtenu 5 ml d une nouvelle solution pure de maltose ; le tout est placé au bain marie à 30 C pendant 20 minutes puis on teste la solution avec une nouvelle bandelette : le test est de nouveau négatif. Question 4. Quelle réaction cherche-t-on à mettre en évidence ici? L enzyme qui la catalyse est-elle cytosolique ou extra-cellulaire (justifiez)? 12

13 PARTIE II Durée conseillée 30 min Etude des hexokinases chez le Rat Il existe différentes formes d hexokinases (appelées isozymes). Certaines sont présentes dans le tissu hépatique (glucokinase, hexokinase II) ou dans le muscle squelettique (hexokinase I). On cherche à déterminer les paramètres cinétiques (Vmax et KM) de deux de ces isozymes. A cette fin, on détermine les vitesses initiales de la réaction de ces deux enzymes pour différentes concentrations de glucose. Les résultats de ces expériences sont consignés dans le tableau ci-contre. Question 1. Quel type de cinétique ont les enzymes étudiées? Justifiez votre réponse et déterminez graphiquement les paramètres cinétiques de ces deux enzymes. Question 2. Mettez en relation les résultats obtenus avec la physiologie. Vous réfléchirez par exemple à la manière dont ces enzymes se comportent à faible ou forte concentration de glucose et vous relierez ces observations au cas du muscle ou du foie. 13

14 On cherche à étudier la régulation d une hexokinase de cerveau de Rat : l activité d une hexokinase de Rat a été étudiée en présence de concentrations variables en ATP et en glucose 1,6 bis phosphate. Les résultats obtenus (modifiés d après Zeng et Fromm, JBC, ) sont consignés dans le tableau suivant : Les vitesses (en mmoles.min -1 ) sont données pour les concentrations en glucose 1,6 bis phosphate suivantes : V0 : [glucose 1,6-bis phosphate]0 = 0 V0 : [glucose 1,6-bis phosphate]0 = 100 µm V0 : [glucose 1,6-bis phosphate]0 = 167 µm Question 3. Représentez graphiquement ces résultats. Question 4. Que pouvez vous en déduire sur l action du glucose 1,6 bis phosphate sur l hexokinase de cerveau de rat. 14

15 PARTIE III Durée conseillée 30 min Un substrat est hydrolysé par une enzyme de poids moléculaire Daltons (rappel 1 Dalton = 1 g.mole -1 ). La quantité de substrat hydrolysé en une minute dans 10 ml de solution contenant 10-9 g d enzyme purifiée a été déterminée comme étant une fonction de la concentration du substrat. A cet effet, le substrat pur est réparti dans 6 tubes à essai, pour constituer une gamme de concentration selon le protocole décrit dans le tableau ci-contre. On admettra que les variations de la concentration du substrat au cours du dosage sont négligeables. Tube n Concentration en substrat (10-5 M) Question 1. A partir de l équation de Michaelis-Menten, montrer quelle est l unité de Km Quantitéde substrat hydrolysé (10-9 moles) Question 2. Dans l expérience mise en œuvre, l enzyme semble-t-elle obéir à la cinétique de Michaelis Menten? Justifiez votre réponse. Si oui, quelle est la valeur de Km? Question 3. Quelle est la valeur de Vmax? Question 4. Quel est le «turn-over» de l enzyme, c'est-à-dire le nombre de réactions globales que chaque site actif peut catalyser par unité de temps? On admettra qu il existe un site actif par molécule d enzyme. 15

16 Question 5. Quelle est la fraction de sites enzymatiques occupés par le substrat (f ES)dans le tube n 4 à l instant t de la mesure? Question 6. Si la quantité d enzyme incorporée dans chaque tube est de 10-4 g (et non plus 10-9 g), les paramètres cinétiques sont-ils modifiés? Justifiez votre réponse. Question 7. En se plaçant dans les mêmes conditions expérimentales et en supposant que les données mentionnées précédemment dans le tableau restent identiques, quel(s) paramètre(s) change(ent) si chaque molécule d enzyme possède deux sites actifs? 16