PREPABAC - NOVEMBRE 2015

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1 PREPABAC - NOVEMBRE 2015 PARTIE I : QUESTION N 1 : Introduction: Au début du 20 éme siècle, le géologue Suess défend la théorie de la contraction terrestre pour expliquer l'existence des continents et des océans. Pour lui, et de nombreux géologues, la surface de la Terre s'est contractée comme une pomme créant des creux et des bosses, les zones continentales et les zones océaniques. Comment les connaissances actuelles sur la croûte terrestre permettent d invalider le modèle proposé en 1907? 1er argument: Composition chimique de la croûte terrestre La croûte continentale est constituée de granite alors que la croûte océanique est composée de gabbros et basaltes. Or le modèle de 1907 suppose que la croûte terrestre a une composition uniforme. Le granite est une roche magmatique plutonique grenue dont la densité (2,7) est inférieure à celle de la péridotite, du basalte et du gabbro (roches constitutives de la lithosphère océanique). On peut observer plusieurs types de minéraux comme le quartz, la biotite (ou mica noir) et les feldspaths (orthose, plagioclase). 2eme argument: Épaisseur de la croûte terrestre La croûte océanique et la croûte continentale n ont pas la même épaisseur, la seconde étant plus épaisse que la première: 30 km de profondeur en moyenne pour la croûte continentale pour 7km d'épaisseur en moyenne pour la croûte océanique. Or le modèle de 1907 suppose que la croûte terrestre a une épaisseur uniforme. Par l'étude des ondes sismiques P et PmP (sismique réflexion), on peut estimer la profondeur de la discontinuité de mohorovicic (Le Moho est l'interface entre la croûte et le manteau lithosphérique) sous les continents. Sa profondeur moyenne est de 30 km et peut atteindre plus de 60 km par endroits sous les chaînes de montagnes. Ainsi au relief que sont les chaînes de montagnes (Alpes, Pyrénées, Himalaya) correspond en profondeur une importante racine crustale. 3eme argument: Age de la croûte terrestre La croûte océanique a un âge de moins de 200 ma car elle disparaît par subduction. Or le modèle de 1907 suppose que la croûte terrestre ne disparaît pas (en particulier par subduction). Conclusion: Comme la croûte terrestre est composée de 2 croûtes ayant une composition chimique, une épaisseur et un âge différents, on peut donc dire que les connaissances actuelles invalident le modèle proposé en QUESTION N 2 : Les différentes étapes qui mènent à la formation d une chaîne de montagnes de collision, telle que les Alpes ou l Himalaya sont: 1) Disparition par subduction de la lithosphère océanique qui séparait initialement les 2 lithosphères continentales. Cette subduction est attestée sur le terrain par la présence d'ophiolite et de sédiments marins qui sont les vestiges métamorphisés des successions des roches de la lithosphère océanique ancienne. Présence aussi d anciennes marges continentales passives : ces blocs basculés anciens sont identifiables dans les Alpes et peuvent être recouverts de sédiments pré-rifts, syn-rifts et post-rifts. 2) Collision de ces 2 lithosphères continentales qui s'accompagne d'un épaississement qui résulte d un raccourcissement et d un empilement des matériaux de la partie supérieure de la croûte continentale: il se forme en surface un relief positif, la chaîne de montagnes. Raccourcissement et empilement sont attestés par: - des indices tectoniques : plis, failles, nappes de charriage Les failles de type inverses sont un indice de déformation cassante des roches. Elles traduisent un raccourcissement local. Les plis affectent les séries (couches) sédimentaires et témoignent d une déformation souple. Les chevauchements et nappes de charriage : au niveau de certaines failles inverses, les contraintes sont telles que les blocs finissent par se superposer : c est un chevauchement. La formation de chevauchement d une taille de l ordre du kilomètre correspond à une nappe de charriage.

2 - des indices pétrographiques : le métamorphisme qui se caractérise par: Dans les chaînes de montagnes, on trouve également des roches métamorphiques témoignant d un enfouissement et de de la lithosphère. Le métamorphisme se caractérise par: - une orientation des minéraux due à un étirement : l'alternance de petits lits clairs et de fins niveaux plus sombres par exemple chez le gneiss. - des transformations minéralogiques à l état solide en fonction des conditions de pression et de température: apparaissent des minéraux dont le domaine de stabilité correspond à des pressions importantes : Glaucophane, grenat, Jadéite et coésite. Dans certains cas, l enfouissement est tel que l on peut observer des traces de fusion partielle (anatexie). C est le cas de la migmatite qui est le résultat de la fusion partielle d un gneiss. 3) Subduction continentale : l une des deux lithosphères continentales, celle autrefois fixée à la croûte océanique en subduction subduit sous l autre lithosphère continentale. L'empilement de nappes dans la zone de contact entre les deux plaques provoquent une augmentation de la pression: apparition de minéraux de UHP (Coésite). Les matériaux océaniques et continentaux montrent les traces d'une transformation minéralogique à grande profondeur au cours de la subduction: - Lors de la subduction la pression augmente plus fortement que la température. Apparaissent des minéraux dont le domaine de stabilité correspond à des pressions importantes : Glaucophane, Grenat, Jadéite et coésite. Pour la subduction océanique, apparaissent les métagabbros à glaucophane (ou schistes bleus ) et métagabbros à grenat et jadéite (éclogite ). Pour la subduction continentale apparaissent la coésite, forme de très haute pression témoin du blocage de la subduction continentale et de la suture entre les 2 plaques continentales. Tandis que l'essentiel de la lithosphère continentale continue de subduire, la partie supérieure de la croûte s'épaissit par empilement de nappes dans la zone de contact entre les deux plaques. PARTIE II-1/

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4 PARTIE II-2 obligatoire Introduction : Par l étude de la propagation des ondes sismiques des enveloppes de la Terre, a été mis en évidence le MOHO : c est une interface entre la croûte et le manteau lithosphérique. On a longtemps pensé que ce Moho ne pouvait être à une profondeur supérieure à 30 km sous les continents. Quels sont les deux arguments qui amènent à montrer que la croûte continentale puisse avoir une épaisseur supérieure à 30km? Analyse doc.1 : ce document présente une carte de l Est de la France montrant les isobathes du Moho en km sous les Alpes et les Pyrénées (=de la transition croûte-manteau.). On observe au niveau des alpes : Au niveau de la zone d Ivrée, le Moho a une profondeur de 60 km Au niveau des Pyrénées, le Moho peut atteindre 40 km de profondeur. Le massif de Dora Maira se situe dans une zone où le Moho a une profondeur de 50km. Conclusion : Le Moho, zone de transition entre la croûte et le manteau, se trouve à des profondeurs supérieures à 30 km sous les Alpes. Analyse doc.2 : l observation microscopique de la quartzite du massif de Dora Maira prélevée en surface montre : - Qu il y a 3 minéraux présents : le grenat, le quartz, la coésite - Que la disposition de ces minéraux est particulière : Le quartz forme une auréole autour de la coésite. Ce quartz peut se transformer en coésite : la formation du quartz est donc antérieure à celle de la coésite. Les cristaux de grenat dans lequel se trouve l'inclusion mixte de quartz et de coésite présentent de nombreuses fractures rayonnant autour des inclusions. La formation du quartz est postérieure à celle du grenat. La coésite est une inclusion dans le grenat : sa formation est postérieure au grenat. Cela nous montre que l ordre d apparition des minéraux est la suivante : grenat, quartz et coésite. Analyse doc.3: ce diagramme présentant la Pression/température et le domaine de stabilité de certains minéraux montrent que : Le quartz est stable pour des températures inférieures à 800 C, pour une pression de 25kb, ce qui correspond à une profondeur de 100km La coésite est un minéral stable pour des températures pouvant aller jusqu à et une pression de 25 à 125 kb pour un profondeur allant de 150 à 400 km de profondeur. De plus, on sait que les conditions de stabilité du grenat ne se trouve que dans des conditions de forte pression supérieur à, ce qui correspond à une profondeur de plus de de profondeur. Ainsi, si on retrouve dans une roche de la coésite, cela signifie que cette roche sédimentaire a pu se trouver à une profondeur de plus de 50km. On constate donc que les conditions de pression et de température subies par la quartzite ont évolué. La transformation chimique ce celleci à l état solide a permis l apparition du quartz, stable à plus haute pression et température, en inclusion dans le grenat. Puis ce quartz se transforme en un autre minéral, la coésite stable dans des conditions de pression et de température encore plus élevées. Cette augmentation de la pression permet d identifier les profondeurs auxquelles la quartzite a été portée : la roche se situait à une profondeur de 50 km puis allant à 100km puis à une profondeur jusqu'au moins 140 km. Cette roche sédimentaire a donc subit un enfouissement, lors de la subduction continentale, jusqu à 150 km de profondeur. Conclusion : Les 2 arguments qui amènent à montrer que la croute continentale puisse avoir une épaisseur supérieure à 30km sont : Argument bathymétrique : dans les Alpes, le Moho se trouve à une profondeur allant jusqu à 60 km

5 Argument pétrographique : si on retrouve dans une roche des minéraux de hpbt (grenat, coésite), cela signifie que la roche sédimentaire s est retrouvée au-delà de 50 km de profondeur. Donc que le Moho a eu une profondeur supérieure à 30km de profondeur. La roche a été retrouvée en surface, il faut penser à présenter un trajet de retour à la surface pour la roche: en remontant, la pression et la température diminuent: la coésite se transforme en quartz puis on a de nouveau du grenat. Schéma bilan montrant où c'est formé la coésite et l'emplacement du MoHo lors d'une subduction continentale: PARTIE II-2/ SPECIALITE Tout système vivant échange de la matière et de l'énergie avec ce qui l'entoure. Il est le siège de couplages énergétiques. - La cellule chlorophyllienne des végétaux verts effectue la photosynthèse grâce à l'énergie lumineuse. Le chloroplaste est l'organite clé de cette fonction. La phase photochimique produit des composés réduits RH2 et de l'atp. La phase chimique produit du glucose à partir de CO2 en utilisant les produits de la phase photochimique. - La plupart des cellules eucaryotes (y compris les cellules chlorophylliennes) respirent : à l'aide de dioxygène, elles oxydent la matière organique en matière minérale. Petit récapitulatif des notions du cours: La phase photochimique et la phase non photochimique de la photosynthèse doivent être bien connues en particulier les interactions entre les deux phases. Si la phase photochimique permet l'entrée d'énergie dans les cellules grâce à la chlorophylle et sa conversion en énergie chimique (sous forme d'atp), elle s'accompagne aussi d'un ensemble de réactions d'oxydo-

6 réduction à l'origine de la production de dioxygène mais aussi d'un composé réduit RH2. C'est donc en présence de lumière qu'il y a dégagement de dioxygène. L'ATP va fournir l'énergie chimique nécessaire à l'incorporation du dioxyde de carbone au cours du cycle de Calvin. Cette incorporation s'accompagne d'une réduction des molécules d'acide phosphoglycérique APG. Cette réduction est couplée à l'oxydation du RH2 fourni par la phase photochimique. Le cycle de Calvin, correspondant à la phase dite non photochimique, dépend donc de la phase photochimique. - Prendre le temps de lire l'ensemble des documents. Cela vous permet de cerner rapidement le contexte et de bien distinguer dans ce sujet les différences entre le métabolisme des plantes en C3 (cycle de Calvin) et le métabolisme des plantes CAM (cycle avec le malate suivi du cycle de Calvin), métabolisme que vous n'avez pas étudié en cours. Certaines notions vous sont rappelées: le rôle des stomates est précisé. Toutefois ces structures sont déjà connues puisque vous les avez étudiées dans la partie spécifique du programme (tronc commun). Prendre le temps de rédiger une courte introduction avant de vous lancer dans l'étude des documents: de quoi parle-ton? quel est le contexte et enfin reformuler le problème posé. Méthodologie : intro + pb + étude doc + synthèse avec évidemment la réponse au pb Toutes les plantes ont un crucial besoin d eau, brique minérale de base pour élaborer leur matière organique et molécule essentielle pour maintenir leur turgescence et leur port érigé («hydrosquelette»). Elles ont pourtant su coloniser des milieux d une aridité extrême et rester fixées et vivantes dans des conditions désertiques. Nous allons étudier ici comment une variante du métabolisme traditionnel en C3, nommée CAM, a joué un rôle capital dans cette adaptation. Le premier document montre que la plante en C3 Peperomia a un taux d absorption du CO2 positif, de l ordre 1 micromole/m2 feuille/s pendant la journée, à la lumière. La nuit, elle a un taux négatif ce qui signifie qu elle rejette du CO2 mais en quantité moindre. Le second document montre que cette plante ouvre ses stomates le jour et les ferme presque complètement de nuit. Ceci peut s interpréter par la respiration nocturne de la plante en C3 qui ne peut réaliser de photosynthèse faute de lumière. Cette respiration subsiste le jour mais est alors masquée par une puissante photosynthèse. Le premier document pour la plante CAM Kalanchoe montrent à l inverse une forte absorption du CO2, de l ordre 5 micromole/m2 feuille/s pendant la nuit et au contraire un rejet de CO2 pendant la journée. Les échanges gazeux sont donc inversés par rapport à une plante CAM. Le document 2 montre aussi un comportement inverse avec une ouverture des stomates nocturnes et une fermeture diurne. Les stomates sont des structures qui permettent de réguler efficacement les échanges gazeux : les pertes d eau (transpiration) mais aussi les absorptions ou les dégagements de CO2 et d O2 qui sont les deux gaz-clé de la photosynthèse et de la respiration. Les plantes en C3 ont de l eau à disposition en quantités importantes grâce à sa disponibilité dans le sol et à l efficacité du système racinaire. Le jour, elles captent l énergie lumineuse et ouvrent leurs stomates pour permettre la pénétration de CO2. Ceci provoque une transpiration importante mais celle-ci ne pose pas problème car l eau transpirée est remplacée par de l eau absorbée et la transpiration permet même une efficace circulation des sèves. Les plantes CAM ne peuvent ouvrir en grand leurs stomates le jour sous peine de se déshydrater très rapidement et de mourir. Elles les ouvrent de nuit et les referment de jour, pendant les grandes chaleurs, et conservent ainsi leur précieux capital en eau. C est aussi de nuit qu elles captent le CO2 atmosphérique. Se pose

7 alors la question : comment les plantes CAM font-elles pour réaliser la photosynthèse dont les deux phases sont normalement couplées et simultanées? Il nous faut ici rappeler quelques connaissances importantes concernant la photosynthèse. La photosynthèse a pour équation-bilan globale : 6CO H2O C6H12O6 + 6O2 + 6H20 Dans le métabolisme C3 étudié en terminale S, l énergie de la lumière permet la photolyse de l eau et la genèse de molécules énergétiques au cours d une première phase de la photosynthèse, au niveau des thylakoides des chloroplastes. Dans une seconde phase qui se situe dans le stroma des chloroplastes, l énergie chimique crée permet, après la carboxylation (fixation du CO2) sur un glucide en C5, la réduction chimique du corps et la genèse de glucides, premiers matières organiques créées («cycle de Calvin»). Les deux phases se déroulent pour les plantes en C3 le jour, simultanément, avec des échanges gazeux de CO2, d O2 et d H2O au niveau des stomates. Pour revenir aux plantes CAM, il y a donc découplage entre la présence de lumière pourvoyeuse d énergie chimique et la fixation du CO2. Comment font-elles? Les deux derniers documents nous permettent de comprendre un peu mieux le métabolisme CAM. Le document 3 confirme bien que le dégagement d oxygène et donc la photolyse de l eau a bien lieu pour ces Cactées de jour, à la lumière puisque le dégagement d oxygène se fait bien de jour, comme pour les plantes en C3. La nuit, elles consomment de l oxygène par métabolisme respiratoire, tout comme les plantes en C3. Le document 4 montre que la teneur en amidon augmente de jour et diminue de nuit. Alors que le malate augmente de nuit et diminue de jour. On peut donc faire l hypothèse que le malate résulte de la captation nocturne de CO2. Il permettrait un stockage de CO2, la nuit, quand les stomates sont ouverts. Le jour, les stomates sont fermés et les échanges gazeux très faibles. En interne, au sein de la feuille, le CO2 du malate serait utilisé et permettrait la genèse de sucres qui s accumulent ensuite sous forme d amidon. Les molécules énergétiques nécessaires seraient, comme dans le métabolisme C3, produites au niveau des thylakoides chloroplastiques dotés de pigments qui captent l énergie lumineuse. Les plantes ont réussi à s adapter aux conditions extrêmes très arides des déserts par un métabolisme différent des plantes en C3. Alors que les plantes en C3 réalisent toutes les étapes de jour, les plantes CAM captent la nuit le CO2 et captent le jour l énergie lumineuse. La production de glucides en C6 et d amidon se fait bien de jour comme la photolyse de l eau. La possibilité de garder leurs stomates fermés de jour et de les ouvrir la nuit est l adaptation clé qui leur a permit de coloniser les déserts où les plantes en C3 ne peuvent vivre.