EXERCICE 1 : L’utilisation des isotopes en sciences de la Terre (7 POINTS)
Depuis sa formation, la Terre a connu de profondes transformations géologiques et climatiques. Pour en reconstituer l’histoire, les scientifiques disposent d’outils variés. L’étude des isotopes stables ou radioactifs, présents dans des objets géologiques tels que les roches, les sédiments et les glaces, offre à la fois des repères temporels et des indices sur les environnements anciens.
QUESTION :
Expliquer comment l’étude de rapports isotopiques permet de retracer des variations climatiques passées et de dater des objets géologiques.
Vous rédigerez un texte argumenté. On attend des expériences, des observations, des exemples pour appuyer votre exposé et argumenter vos propos.
Pour connaitre l’Histoire de notre planète, nous disposons des traces du passé géologique de notre planète permettant de retracer une chronologie des évènements géologiques qui ont affecté celle-ci. Les géologues peuvent avoir recours soit à la chronologie relative soit à la chronologie absolue basée sur le principe de décroissance radioactive et l’étude des isotopes.
I . Le principe de la chronologie absolue :
1) Définition
La datation absolue utilise les propriétés radioactives d’isotopes contenus dans les objets à dater. En pratique, on analyse des fragments de l’objet (roche ou être vivant) ou des minéraux de roches. Un isotope père $\rm{P}$ radioactif est instable et se désintègre, de façon continue et irréversible, en un isotope fils $\rm{F}$ radiogénique, selon une constante de désintégration $\lambda$ déterminée expérimentalement. Cette désintégration ne dépend que du temps et constitue un chronomètre.
Le nombre d’isotope $\rm{P}$ diminue au cours du temps alors que le nombre d’isotope fils augmente.
Un isotope radioactif est caractérisé par sa période ou demi-vie, notée $\rm{T}$. Elle correspond à la durée au bout de laquelle la population initiale $\rm{N}_0$ est divisée par deux.
Doc 1 : Évolution des quantités des isotopes pères et fils au cours du temps
La quantification de l’élément père radioactif et de l’élément fils radiogénique permet de dater les minéraux constitutifs d’une roche.
2) La datation au niveau des roches
Les datations sont effectuées sur des roches magmatiques ou métamorphiques, en utilisant les roches totales ou leurs minéraux isolés.
L’âge obtenu est celui de la fermeture du système considéré (minéral ou roche). Cette fermeture correspond à l’arrêt de tout échange entre le système considéré et l’environnement (par exemple quand un cristal solide se forme à partir d’un magma liquide). Des températures de fermeture différentes pour différents minéraux expliquent que des mesures effectuées sur un même objet tel qu’une roche, avec différents chronomètres, puissent fournir des valeurs différentes. La datation par radiométrie est possible si on travaille sur un échantillon pour lequel on suppose que le système est clos. De nombreux isotopes sont à la disposition des géologues.
II . Différents « chronomètres »
1) Les radiochronomètres :
Différents chronomètres sont classiquement utilisés en géologie. Ils se distinguent par la période de l’élément père.
Le choix du chronomètre dépend de l’âge supposé de l’objet à dater, qui peut être appréhendé par chronologie relative.
L’utilisation du chronomètre potassium/argon permet de dater des roches volcaniques ou métamorphiques anciennes car le $^{40}\rm{K}$ se désintègre en donnant du $^{40}\rm{Ar}$ avec une période de $1{,}31$ milliards d’années ou $^{87}\rm{Rb}/^{87}\rm{Sr}$ méthode Rubidium/Strontium. Ou pour les datations à une échelle plus courte comme à l’échelle humaine la datation dite au carbone 14 ($^{14}\rm{C}/^{14}\rm{N}$). Cette dernière est utilisée pour l’archéologie, la climatologie et tout objet qui a été vivant.
2) Rapport $^{18}\rm{O}/^{16}\rm{O}$
La variation des rapports isotopiques de l’oxygène nous permet également de déterminer les courbes des températures passées. Delta $^{18}\rm{O}$ ($\delta^{18}\rm{O}$) basée sur la variation du rapport $^{18}\rm{O}/^{16}\rm{O}$.
La répartition différentielle des isotopes dans l’eau des différents compartiments ou fractionnement isotopique obéit aux règles simples suivantes :
- L’isotope lourd a plutôt tendance à rester dans l’eau liquide et donc dans les océans.
- L’isotope léger s’évapore plus facilement, se retrouve donc plus facilement dans les nuages (surtout formés à l’équateur et dans les zones tempérées où l’évaporation est forte).
- Lorsqu’il y a des précipitations, l’isotope lourd tombe d’abord (notamment aux faibles et moyennes latitudes) et, lorsque l’on arrive aux pôles, les nuages contiennent surtout de l’isotope léger qui tombe alors au niveau des calottes polaires.
Le fractionnement isotopique est d’autant plus marqué qu’il se produit aux faibles températures (donc en période de climat froid).
Conclusion : Les isotopes radioactifs permettent de dater des événements géologiques anciens ou plus récents de manière précise. Dans certains cas, elle peut être associée à la chronologie relative. Enfin en climatologie, l’étude des carottes glaciaires avec le rapport $^{18}\rm{O}/^{16}\rm{O}$ permet de reconstituer des courbes de température et de déterminer le paléoclimat.
EXERCICE 2 : L’effet incrétine (8 POINTS)
L’ingestion de glucose par la bouche (voie orale) entraîne une augmentation de la glycémie suivie d’une augmentation de l’insulinémie (concentration sanguine en insuline).
L’injection de glucose directement dans le sang entraîne également une augmentation de la glycémie et de l’insulinémie.
Néanmoins, pour une augmentation de glycémie équivalente, l’ingestion orale de glucose entraîne une augmentation beaucoup plus importante de l’insulinémie que l’injection par voie sanguine. C’est ce que l’on appelle l’effet incrétine.
QUESTION :
Déterminer les mécanismes qui expliquent pourquoi l’ingestion de glucose par voie orale provoque une élévation de l’insulinémie plus grande qu’une injection de glucose par voie sanguine (effet incrétine).
Vous organiserez votre réponse selon une démarche de votre choix intégrant des données des documents et les connaissances utiles
Remarque : certaines études présentées dans les documents ont été réalisées chez le rat ou chez le chien. On considère que leurs résultats sont transposables à l’être humain.
Le document 1 montre trois graphiques.
Le graphique A montre l'évolution de la glycémie suite à l'ingestion de glucose par voie orale (75 grammes ingérés) et à l'injection de glucose par voie sanguine. Ces deux courbes sont identiques.
Le graphe B, l'insulinémie (taux d'insuline dans le sang), montre que la prise de glucose par voie orale provoque une forte augmentation de l'insulinémie. Le taux maximum est obtenu au bout de 60 minutes avec un pic à 20 microunités par litre. L'injection de glucose sanguin produit une légère augmentation de l'insulinémie (23 microunités par litre).
Le graphe C montre les concentrations d'une hormone, le GLP-1, qui est produite par l'intestin. L'injection de glucose ne provoque pas d'élévation du taux de GLP-1, qui reste constante à environ 12 picomoles par litre. L'ingestion de glucose, quant à elle, provoque une forte augmentation du taux d'hormone GLP-1 dans le sang avec un pic de 30 picomoles par litre.
Nous en concluons donc que l'ingestion de glucose a un effet sur la production d'une hormone, le GLP-1, qui semble avoir un effet sur le taux d'insuline sanguin. Plus il y a de GLP-1, plus le taux d'insuline est élevé.
Le document 2 : effet du glucose sur l'intestin.
Lorsqu'on perfuse l'intestin avec du glucose, on observe une augmentation de la concentration en GLP-1 dans le sang. Si on le perfuse avec du saccharose, il n'y a pas d'augmentation. Il semble donc qu'il y ait au niveau de l'intestin une possibilité de détecter la présence de glucose et donc de provoquer la production de GLP-1.
Le document 3 Coupe des ilots de LANGERHANS
Il montre une coupe des îlots de Langerhans qui contiennent deux types de cellules : des cellules alpha qui produisent du glucagon et des cellules bêta qui produisent de l'insuline.
Il y a présence de récepteurs au GLP-1 au niveau des îlots de Langerhans et précisément au niveau des cellules bêta des îlots de Langerhans qui produisent l'insuline.
Le document 4 : effets du GLP-1 sur le pancréas.
Document 4A : lorsqu'on injecte du GLP-1 au niveau des cellules des îlots de Langerhans, on observe une augmentation de la production d'ARN messager (on obtient de grandes taches foncées), l'ARN messager de l'insuline.
On dit que la présence de GLP-1 provoque une expression plus importante du gène de l'insuline au niveau des cellules pancréatiques.
Document 4B : on compare la sécrétion d'insuline au niveau des îlots de Langerhans lorsqu'on perfuse avec du glucose seul ou lorsqu'on perfuse avec du glucose et du GLP-1.
On constate que lorsqu'on augmente la concentration de glucose, on augmente la production d'insuline par les cellules des îlots de Langerhans, les cellules bêta.
Si on ajoute à notre glucose du GLP-1 (10 nanomoles par litre), on observe une sécrétion plus importante d'insuline.
Synthèse :
Lorsque le glucose est ingéré, il est détecté au niveau de l'intestin, qui produit une hormone, le GLP-1. Cette hormone, véhiculée par le sang, arrive au niveau des cellules des îlots de Langerhans et stimule les cellules bêta des îlots de Langerhans qui produisent de l'insuline, et qui portent des récepteurs au GLP-1.
Cette fixation de l'hormone GLP-1 au niveau des récepteurs des cellules bêta des îlots de Langerhans a pour conséquence une expression accrue du gène de l'insuline (augmentation du taux d'ARN messager d'insuline), qui provoque donc une élévation importante du taux d'insuline dans le sang (insulinémie).
Lorsque l'on injecte par voie sanguine du glucose, ce glucose ne stimule pas les cellules intestinales produisant du GLP-1, mais est juste détecté au niveau des cellules bêta des îlots de Langerhans, au niveau du pancréas, qui vont produire davantage d'insuline, mais produire un pic beaucoup plus réduit d'insulinémie.
Cette différence entre injection de glucose et ingestion de glucose est appelée effet incrétine.
