Agrégation Interne de Sciences de la vie et de la Terre Épreuve d admissibilité Composition à partir d un dossier Proposition de corrigé Les micro-organismes Question 1: Micro-organisme et connaissance de la diversité et de l unité du vivant. Les micro-organismes se rattachent à des ensembles différents qui permettent d envisager certains aspects de la diversité structurale du vivant. On distingue ainsi les micro-organismes eucaryotes, souvent unicellulaires mais parfois pluricellulaires (exemples de formes coloniales). Les documents 3 et 4 permettent de retrouver les principaux caractères de la cellule eucaryote. Comme toute cellule, celle-ci est limitée par une membrane plasmique (avec, dans ce cas, également la présence d une paroi). Elle est par ailleurs caractérisée par la présence d un noyau vrai, entouré d une enveloppe (double membrane). Le domaine cytoplasmique, observé au microscope électronique à transmission, fait apparaître un certain nombre d organites baignant dans le hyaloplasme (ou cytosol). La plupart de ces organites définissent des compartiments intracellulaires. On réalisera un schéma d interprétation du document 4. (voir cidessous la photographie annotée). Le document 4 montre aussi les différences structurales qui peuvent accompagner des modifications métaboliques : ainsi la levure photographiée à la partie inférieure ne présente pas de mitochondries, ce qui peut être mis en relation avec sa culture dans des conditions anaérobies. 1
Les Euglènes sont des organismes photo autotrophes qui complètent l étude cellulaire avec d autres organites comme les chloroplastes. Le document 1 permet de dégager les principaux caractères d une cellule procaryote, sans noyau apparent. On en réalisera un schéma d interprétation analogue à celui présenté ci-dessous. De nombreux caractères structuraux distinguent les cellules procaryotes des cellules eucaryotes, parmi lesquels, outre les différences portant sur la région nucléaire, respectivement l absence ou la présence de nombreux organites (réticulum endoplasmique, appareil de Golgi, lysosomes, mitochondries, chloroplastes ). D autres caractères, comme l absence de microtubules, distinguent encore les cellules procaryotes. Certains organites comme les ribosomes, particules ribonucléoprotéiques, s observent dans les deux types de cellules, mais avec des caractéristiques différentes (ce qui se traduit par des propriétés différentes comme la vitesse de sédimentation). 2
Le document 7 présente la structure cellulaire d une cyanobactérie, organisme photo autotrophe. On retrouve les caractères d une cellule procaryote avec l absence d un noyau individualisé. Mais on observe ici des thylakoïdes, que l on sait supports des pigments photosynthétiques. (Les phycobilisomes sont des particules fixées aux thylakoïdes et contenant des phycobilines. Les carboxysomes sont des corps polyédriques, limités par une membrane et renfermant de la RuBisCO.) Les idées de la diversité et de l unité du vivant peuvent être argumentées aux différentes échelles d organisation, de celle de l organisme pluricellulaire à celle de la cellule et jusqu aux échelles moléculaires. Elles sont envisagées : - En 6 ième, dans la partie transversale : diversité-parenté et unité du vivant. Le constat de la biodiversité est l occasion de définir l espèce et d aborder la notion de groupes emboîtés, première approche de la classification phylogénétique du vivant (par les attributs qu ils possèdent en commun). À ce niveau, l étude à l échelle cellulaire est limitée aux Eucaryotes et elle est destinée à mettre l accent sur la parenté des organismes, la cellule étant l unité d organisation des êtres vivants qu ils soient unicellulaires ou pluricellulaires. On s en tient à un constat morphologique qui exclut toute approche fonctionnelle et toute analyse du contenu cellulaire. La cellule est limitée par une membrane ; elle contient un noyau. - Rien n empêche cependant de montrer qu il existe des organismes unicellulaires verts et non-verts. Il est difficile cependant de placer en 6 ième ces organismes dans des groupes sans commettre d erreur car la classification des Eucaryotes est très complexe ; les Levures sont des Ascomycètes et les Euglènes des Euglénobiontes (taxon qui renferme aussi les trypanosomes). 3
- En seconde, l idée de diversité du vivant est abordée : - Avec la distinction entre les cellules procaryotes et eucaryotes (on présente l organisation comparée d une cellule eucaryote et d une cellule procaryote). - Avec la distinction entre les cellules eucaryotes autotrophes et hétérotrophes (observation des chloroplastes et comparaison du fonctionnement métabolique des deux types de cellules au plan des échanges gazeux et des besoins nutritifs). L exploitation des document 3 et 4 permet la distinction entre cellules eucaryotes autotrophe (une euglène) et hétérotrophe (une levure). Avec les micro-organismes, on se limite ici aux échelles cellulaires et moléculaires, avec l observation de structures ou de mécanismes conservés dans l ensemble du vivant. L idée d unité du vivant fait l objet d une partie importante des enseignements de la classe de Seconde où elle est argumentée à l échelle cellulaire et moléculaire. Les cellules apparaissent ainsi comme les unités structurales et fonctionnelles de tous les êtres vivants. Cette unité s observe aussi sur la structure et le rôle de la molécule d ADN, reconnue comme support universel de l information génétique. Les structures cellulaires sont envisagées avec davantage de diversité, ce qui permet aussi de dégager leurs caractères communs : on observera et on comparera les structures observées dans le cas des cellules Eucaryotes (document 4) et procaryotes (documents 1 et 7) : toutes ces cellules sont par exemple limitées par une membrane plasmique et possèdent des caractères communs au plan de leurs activités. L universalité de la molécule d ADN comme support de l information génétique peut être appréhendée grâce à des expériences de transgénèse, à l image de celle présentée par le document 2 : l obtention d interleukine humaine, synthétisée par la bactérie, montre que cette dernière est capable d utiliser le fragment d ADN humain introduit dans son génome grâce au plasmide. Le fait que l on puisse introduire un gène étranger dans une cellule et le faire s exprimer montre que l ADN est un support moléculaire universel de l information génétique. Cette unité du vivant apparaît encore à l échelle moléculaire avec l étude de la réplication de l ADN conduite en Première. Cette étude s inscrit cependant dans une partie dont les objectifs sont globalement différents (relations existant entre génotype et phénotype). Bien que la réplication soit étudiée dans le cadre de l étude de la mitose (dont on montre qu elle est un processus commun aux cellules eucaryotes), la démonstration de la nature semi conservative de son mécanisme repose sur l analyse de l expérience de Meselson et Stahl, conduite sur des bactéries. Le document 6 présente les principales étapes de l expérience de Meselson et Stahl. La position intermédiaire de l ADN hybride, une génération cellulaire après le transfert et la position des deux bandes deux générations après celui-ci, atteste de ce mécanisme semi conservatif. - En Terminale, enseignement de spécialité, avec l étude de la respiration et de la fermentation. 4
Question 2 Cette progression s inscrit dans la partie «Des pratiques au service de l alimentation humaine». Deux types de pratiques sont proposées au choix avec : La production alimentaire par l élevage ou la culture ou La production alimentaire par une transformation biologique. Exemples : fabrication du pain, du fromage La question posée par l énoncé se rattache à cette dernière partie. Deux idées essentielles doivent alors être mises en relief : celles de transformation (modification des caractères ; changement d état ) et de nécessité d un agent de transformation (micro-organisme). On prendra ici l exemple du pain et l on pourra exploiter le document 5 du dossier. I / Les conditions de la fabrication du pain. 1 / De la farine au pain. On pourra rappeler dans un premier temps les principales étapes de la fabrication du pain. - Pétrissage des différents constituants ; on indique l addition de levure. - Gonflement de la pâte : on observe l apparition de bulles, cette phase étant réalisée à une certaine température. - Cuisson : les bulles grossissent et font gonfler le pain. Formation de la croûte externe (dessèchement et durcissement). On montre ainsi que se sont produites des transformations. On complétera cette partie en précisant quel est le principal constituant du pain : test à l eau iodée : mise en évidence d amidon. 2 / L intervention des levures. Il s agit de comparer la fabrication du pain avec ou sans levures. Cette comparaison permettra de préciser quelle est l intervention de celles-ci. Elle est aussi l occasion de développer une initiation à la démarche expérimentale (variation d un paramètre ). On compare : pâte à pain avec levures - pâte à pain sans levures ; observation des résultats après un repos d une heure ; conclusion : les levures sont nécessaires au gonflement de la pâte. On demandera aux élèves la rédaction des résultats et de la conclusion. On peut alors préciser les conditions de cette transformation en réalisant une fermentation expérimentale. 5
II / La réalisation d une transformation expérimentale. 1 / Les transformations observées. Analyse des transformations observées : on considère un dispositif analogue à celui présenté par le document 5. La construction d une démarche expérimentale rigoureuse conduira par exemple à considérer deux montages, avec ou sans levures. On recherche la présence de glucose dans les deux montages, avant et après un certain temps. On note la présence du dégagement gazeux dont on identifie la nature (trouble de l eau de chaux par exemple). Les transformations observées sont discutées en relation avec les observations réalisées sur le pain (gonflement de la pâte et dégagement de dioxyde de carbone). On montre la nécessité des levures dans la réalisation de cette transformation. On peut alors en préciser quelques conditions qui permettront la formulation d hypothèses. 2 / Les conditions des transformations expérimentales. On pensera surtout à faire varier la température : - Diminution de température : ralentissement de l activité observée. - Élévation importante de température (cf. document 5) : disparition définitive de toute activité au-delà de 70 C. Ces résultats peuvent conduire à la formulation de l intervention d êtres vivants. On recherche alors quelle est la nature des levures. III / Nature des levures. Il s agit de réaliser une observation d une préparation microscopique de levures. On donne le protocole de réalisation de la préparation avec une coloration par le bleu de méthylène. Cette préparation est effectuée par les élèves. On reconnaît au microscope les caractères de cellules (cf. Partie transversale du programme), dont on peut estimer la taille. Les levures sont ainsi identifiées comme des micro-organismes unicellulaires. Les transformations observées correspondent donc à une transformation biologique. Une telle transformation biologique sous l effet de micro-organismes est une fermentation. On pourrait alors conclure en développant quelques idées relatives à la qualité de fabrication (respect des règles d hygiène ). 6