Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Science, climat et société »
Sujet n°ENSSCI3224
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L’atmosphère primitive de la planète Terre, qui s’est formée il y a 4,6 milliards d’années, présentait une composition différente de celle de l’atmosphère terrestre actuelle. Riche en vapeur d’eau et en dioxyde de carbone, cette atmosphère était dépourvue de dioxygène. Des indices géologiques ont permis de montrer que l’atmosphère terrestre s’est oxygénée bien après la formation de la planète.
Cet exercice s’intéresse à l’origine du dioxygène atmosphérique.
Document 1 – Les stromatolithes, des témoins de l’apparition du dioxygène dans les océans
Les stromatolithes sont des formations sédimentaires produites par l’action de cyanobactéries, bactéries vivant dans les eaux chaudes peu profondes. Les stromatolithes fossiles les plus anciens qui ont été découverts jusqu’à présent sont datés de -3,5 milliards d’années.
On place des cyanobactéries dans une enceinte fermée.
Dans ces conditions, aucun échange entre le milieu de culture et le milieu extérieur n’est possible. Les cyanobactéries sont alternativement placées à la lumière et à l’obscurité.
On mesure les échanges gazeux entre les cyanobactéries et leur milieu de culture.
Les résultats sont présentés dans le graphique ci-contre.
Source du graphique : http://svt.ac-dijon.fr
1- Exploiter le document 1 pour montrer que le métabolisme énergétique des cyanobactéries n’est pas le même à la lumière et à l’obscurité.
Durant les périodes d’obscurité, il y a une diminution de la teneur en en dioxygène (O2) et une augmentation de la teneur dioxyde de carbone (CO2) : le dioxygène est un réactif et le dioxyde de carbone un produit. Les cyanobactéries utilisent le métabolisme de la respiration.
Durant la période de lumière, il y a une diminution de la teneur en dioxyde de carbone (CO2) et une augmentation de la teneur en dioxygène (O2) : en présence de lumière le dioxyde de carbone est un réactif et le dioxygène un produit. Les cyanobactéries utilisent le métabolisme de la photosynthèse
Nous remarquons que le métabolisme énergétique des cyanobactéries n’est pas le même à la lumière et à l’obscurité.
2- Préciser les réactifs intervenant dans la réaction de la photosynthèse et les produits obtenus grâce à cette réaction.
Les réactifs intervenant dans la réaction de la photosynthèse sont le dioxyde de carbone CO2 et l’eau H2O.
Les produits obtenus grâce à la réaction de photosynthèse sont le dioxygène O2 et le glucose.
Document 2 – L’expérience de Ruben et Kamen
En 1941, les chimistes Samuel Ruben et Martin Kamen cherchent à identifier l’origine du dioxygène produit lors de la photosynthèse.
Pour cela, ils placent des algues chlorophylliennes en suspension dans deux milieux différents (A et B) faits d’eau et de dioxyde de carbone. Mais l’eau du milieu A ne comporte pas la même proportion d’isotope de l’oxygène $^{18}_{8}O$ que dans le milieu B. Le dioxyde de carbone présent dans le milieu A et dans le milieu B non plus.
Les deux suspensions sont exposées à la lumière. Le dioxygène produit par les algues est recueilli et la proportion des molécules de dioxygène comportant l’élément $^{18}_{8}O$ est mesurée :
| Proportion de molécules comportant $^{18}_{8}O$ en % | |||
| eau | dioxyde de carbone | dioxygène produit | |
| Suspension A | 0,85 | 0,20 | 0,84 |
| Suspension B | 0,20 | 0,68 | 0,20 |
Source: d’après “Heavy oxygen (18O) as a tracer in the study of photosynthesis”
(RUBEN S., RANDALL M., KAMEN M et HYDE J.L. (1941)).
3- D’après les résultats obtenus par les chercheurs, identifier l’origine de l’oxygène contenu dans le dioxygène libéré par les algues.
Dans la suspension A, le dioxygène produit contient 0,84 % de ¹⁸O, ce qui correspond à la proportion de ¹⁸O dans l’eau (0,85 %) et non à celle dans le CO₂ (0,20 %).
Dans la suspension B, le dioxygène produit contient 0,20 % de ¹⁸O, ce qui correspond à la proportion dans l’eau (0,20 %) et non à celle dans le CO₂ (0,68 %).
Dans les deux cas, la proportion d’¹⁸O dans le dioxygène libéré correspond à celle de l’eau et non du CO₂.
L’oxygène du dioxygène libéré lors de la photosynthèse provient donc de l’eau (H₂O), et non du dioxyde de carbone (CO₂).
4- À l’aide des connaissances, indiquer le type de réaction chimique subie par l’eau au cours de cette synthèse.
Lors de la photosynthèse, l’eau subit une oxydation : elle perd des électrons.
Document 3 – La formation des fers rubanés et des paléosols rouges au cours des temps géologiques
L’hématite est un minéral, de formule chimique Fe2O3 produit par oxydation du fer selon l’équation suivante :
4 Fe + 3 O2 → 2 Fe2O3
On observe sur Terre plusieurs affleurements de roches présentant de fortes teneurs en hématite :
- les fers rubanés sont des couches sédimentaires qui se sont formées en milieu marin par précipitation de fer et de silice en solution dans l’eau de mer ;
- les paléosols rouges sont des roches sédimentaires qui se sont formées par altération de roches continentales au contact de l’atmosphère.
Source : d’après C. Klein, Nature (1997)
5- À partir des données du document 3, dater l’apparition du dioxygène dans les océans et le début de sa diffusion dans l’atmosphère terrestre.
D’après le document 3, les fers rubanés se sont formés entre 3,8 et 2,5 milliards d’années.
Les fers rubanés sont des couches sédimentaires qui se sont formées en milieu marin par précipitation de fer et de silice en solution dans l’eau de mer.
Ainsi, la formation des fers rubanés, témoigne de la présence de dioxygène dans l’eau de mer.
Vers 2,2 milliards d’années, les paléosols rouges apparaissent.
Les paléosols rouges sont des roches sédimentaires qui se sont formées par altération de roches continentales au contact de l’atmosphère.
Ainsi, la formation des paléosols rouges, témoigne de la présence de dioxygène dans l’atmosphère.
Entre 3,8 et 2,5 milliards d’années : apparition du dioxygène dans les océans et vers 2,2 milliards d’années le début de sa diffusion dans l’atmosphère terrestre.
Les paléontologues ont constaté une explosion de la biodiversité continentale il y a environ 500 millions d’années. Avant cette période, des formes de vie n’ont été observées qu’en milieu océanique.
6- Expliquer en quoi l’oxygénation de l’atmosphère terrestre a pu permettre l’apparition d’organismes vivant en milieu continental.
L’oxygénation progressive de l’atmosphère a joué un rôle essentiel dans la colonisation des continents par les êtres vivants.
La présence de dioxygène (O₂) a permis la formation d’une couche d’ozone (O₃) dans la haute atmosphère, qui protège les organismes des rayons ultraviolets (UV) du Soleil, très nocifs.
Avant cette protection, la vie ne pouvait exister qu’en milieu océanique, où l’eau agissait comme un bouclier contre les UV.
De plus, le dioxygène atmosphérique a permis le développement de la respiration cellulaire aérobie, un mode de production d’énergie très efficace, nécessaire au fonctionnement d’organismes plus complexes. Ainsi, l’oxygénation de l’atmosphère a rendu le milieu continental plus favorable à la vie, permettant l’apparition et la diversification des formes de vie terrestres il y a environ 500 millions d’années.