EXERCICE 3 : Question BAC de type 2.2 : PRS : Enseignement de Spécialité

Transcription

1 TS1 & TS2 Vendredi 9 Octobre 2015 DST # 1 EXERCICE 3 : Question BAC de type 2.2 : PRS : Enseignement de Spécialité Thème 1 : Atmosphère, Hydrosphère, Climats : du passé à l avenir : Annale Septembre 2013 Métropole { 6 points / 50 min } Les enveloppes fluides de la Terre (atmosphère et hydrosphère) sont en interaction permanente avec la biosphère et la lithosphère, 2 autres enveloppes du globe avec la cryosphère. A partir du corpus documentaire exploité et de vos connaissances, montrer que l activité d êtres vivants a des conséquences sur la composition des enveloppes fluides et sur celle de la lithosphère, à l échelle des temps géologiques. NB : sont attendus : une courte introduction pertinente, une problématique dégagée en vert, un développement argumenté logique, si possible structuré avec plan apparent, intégrant la démarche «PCI» (Présentation/Constats/Interprétations) pour chaque document dont les numéros seront cités d une autre couleur. Vous chercherez bien leur statut, leurs liens pour une réponse optimale et n oublierez pas la synthèse finale récapitulative répondant à votre problématique, reformulation de la consigne Document 1 : organisation des stromatolites Les stromatolites (du grec «stroma» tapis, et «lithos» pierre) sont des structures en couches qui résultent de l activité de microorganismes photosynthétiques appelés Cyanobactéries et d un piégeage de particules sédimentaires. Ils se forment dans différents sites mondiaux en milieu marin côtier. 1

2 Document 2 : processus chimiques à l origine de la croissance des stromatolites La croissance en couches successives d un stromatolite, outre le dépôt et le piégeage mécanique de particules sédimentaires par les filaments bactériens, est la conséquence : - de la solubilisation du dioxyde de carbone atmosphérique dans l eau (1) - de la dissolution du dioxyde de carbone qui donne des ions hydrogénocarbonates (HCO3-) (2) - de la précipitation biochimique du carbonate de calcium (CaCO3) formant un ciment calcaire à partir des hydrogénocarbonates (HCO3-) et des ions calcium (Ca2+) (3) - de la photosynthèse des cyanobactéries (4) Document 3 : les formations de fers rubanés et l apparition du dioxygène atmosphérique Avant 2 milliards d années (-2 Ga), l océan contenait des ions ferreux Fe2+ provenant de l érosion des continents qui réagissaient avec le dioxygène dissous dans l eau pour former des oxydes de fer à l origine des fers rubanés. Depuis un peu moins de 2 Ga, l océan est dépourvu d ions ferreux car ils se combinent avec le dioxygène atmosphérique pour former des oxydes de fer sur les continents. 2

3 TS1 & TS2 Vendredi 9 Octobre 2015 Corrigé du DST # 1 La biosphère s est développée aux interfaces avec deux enveloppes fluides (atmosphère et hydrosphère) et une solide, la géosphère avec lesquels elle a été et est en interaction permanente. Nous allons principalement étudier l impact qu à pu avoir le développement de Cyanobactéries photosynthétiques appelées aussi «Algues bleues» sur la formation de deux roches de la géosphère. Les Cyanobactéries sont des Procaryotes photosynthétiques. Par leurs pigments chlorophylliens (la chlorophylle a et la phycocyanine notamment), l énergie lumineuse est captée et convertie en énergie chimique. que l on pourra simplifier ici en 6 CO2 + 6 H2O > C6H12O6 + 6 O2 Dioxyde de Carbone Eau Glucose Dioxygène Le glucose produit est ensuite converti en diverses molécules organiques : glucides complexes, lipides, acides aminés. Nous allons constater que la réalisation de cette photosynthèse ici bactérienne va avoir des conséquences moins connues que la production de diverses matières organiques et de dioxygène.. Le document 1 montre l organisation des stromatolites. Ces structures calcaires sont formées de l accumulation du bas vers le haut, souvent en forme de boule, de couches successives formées journellement. Un tapis de bactéries en colonies filamenteuses qui se sont multipliées pendant la nuit supporte une couche où se mêlent de nouvelles bactéries et des cristaux de carbonate de calcium (CaCO3) mêlés à des particules sédimentaires. La séquence se répète les 24h suivantes. Si l on peut comprendre la présence de bactéries photosynthétiques en milieu marin côtier (profondeur quasi-nulle à faible, donc bonne pénétration de l énergie lumineuse), comment expliquer la présence de ces éléments calcaires? Le document 2 précise les processus chimiques à l origine de la croissance des stromatolites La création des dépôts calcaires se fait en 3 étapes : - solubilisation du dioxyde de carbone atmosphérique dans l eau. On sait que ce gaz est très soluble dans l eau, contrairement au dioxygène (1) - dissolution du dioxyde de carbone qui donne avec l eau des ions hydrogénocarbonates (HCO3-) et des protons H+ (2) - précipitation biochimique du carbonate de calcium (CaCO3) formant un ciment calcaire à partir des (HCO3-) et des ions calcium solubilisés, présents dans l eau de mer (Ca2+) (3) La photosynthèse des cyanobactéries (4) qui prélève du CO2 dans le milieu marin déplace l équilibre vers le bas (réaction 1) et la droite (réactions 2 et 3). Ainsi donc, à proximité immédiate des Cyanobactéries, la photosynthèse -et sa consommation de CO2 tend à générer du carbonate de calcium qui s accumule avec des particules sédimentaires sur le tapis bactérien, d autant que celui-ci est couvert d une sorte de mucus. On parle de calcaire biogénique. On connaît bien sûr l abondance des calcaires biogéniques d origine animale (à Nummulites, à Mollusques ) ou végétale (Algues Coccolithophoridés créatrices de la craie). Mais la photosynthèse est paradoxalement aussi à l origine des principaux minerais de Fer connus sur Terre et appelés «Fers rubanés». Le document 3 permet de comprendre la période et les mécanismes de leur formation. Avant deux milliards d années, l oxygène était encore quasiment absent. On rappelle que la quasi-totalité de l oxygène présent sur Terre dans les enveloppes fluides est d origine biologique, photosynthétique. Cette absence d oxygène rendait l atmosphère et l eau de mer fortement «réductrices» (sur un plan chimique oxydo-réducteur). Le cycle de l eau arrachait aux continents alors dépourvus de toute vie des ions ferreux Fe2+ qui étaient véhiculés jusqu aux océans eux aussi réducteurs.sauf en certains endroits où des Cyanobactéries constituaient des oasis de vie encore localisées. Le dioxygène libéré par cette photosynthèse procaryotique réagissait avec les ions ferreux, ce qui donnait de l hématite Fe2O3 où l oxygène est sous sa forme ferrique Fe3+(mais aussi de la magnétite Fe3O4 où l oxygène est seulement partiellement sous forme ferrique Fe3O4=Fe2O3 et son fer ferrique +FeO et son fer ferreux). Le graphique montre effectivement que la création des premiers fers rubanés est quasiment contemporaine de l apparition des stromatolites. On notera que dans les fers rubanés, l alternance se fait entre des couches ferriques et des couches siliceuses et qu aucun être vivant n est directement impliqué comme dans les Stromatolites). Avec la prolifération sur Terre, en milieu côtier, des stromatolites, les formations de fers rubanés se sont étendues. Reste à expliquer la disparition de leur genèse après deux milliards d années. On peut sans doute faire l hypothèse que la photosynthèse s est fait de plus en plus intense sur Terre, les cellules Eucaryotes sont apparues. La photosynthèse procaryotique et eucaryotique a enrichi progressivement l atmosphère en oxygène qui est alors devenue oxydante. Ainsi donc les ions ferreux libérés -notamment par l érosion continentale- étaient désormais oxydés sur les continents. On sait que l ion ferrique est très peu soluble. Se sont donc formés des oxydes de fer continentaux, non rubanés. La pénurie d ions ferreux arrivant dans les océans aurait tari la création des fers rubanés. La concentration en oxygène atmosphérique, nulle encore à - 2Ga, qui augmente progressivement à partir de cette date semble aller dans le sens de cette hypothèse. Ainsi donc l activité d êtres vivants comme les Cyanobactéries a des conséquences sur la composition des enveloppes fluides et sur celle de la géosphère, à l échelle des temps géologiques. Nous venons de démontrer que la photosynthèse a conduit à la formation de calcaires biogéniques et de fers rubanés. Ces éléments s ajoutent à la production d oxygène et de matières organiques. On pourra aussi préciser que les matières organiques photosynthétiques peuvent, si elles ne sont pas totalement dégradées, générer après enfouissement, élévation de la température et de la pression, des roches carbonées (telles que charbon, pétrole, gaz) si importantes pour l homme. Les êtres vivants chlorophylliens interagissent considérablement avec leur milieu. 3

4 Quelques remarques : définir les mots-clefs du sujet à l évaluateur : lithosphère (partie superficielle du globe : croûte + petite partie du manteau supérieur), enveloppes fluides = atmosphère (somme de strates verticales de gaz entre la lithosphère et l espace), hydrosphère (océans et eaux douces), biosphère (ensemble des êtres vivants) NB : Stromatolithes et gisements de fer rubané appartiennent à la géosphère et les Cyanobactéries appartiennent à la biosphère. On cherche donc à établir les répercussiosndes activités des 1ers êtres vivants de la biosphère sur les états et compositions des litho/hydro/atmosphères. Introduction (ne pas l écrire sur la copie, mis là pour rendre plus clair la relecture, idem pour problématique, développement, conclusion ) : L atmosphère initiale de la Terre était très différente de l actuelle. Sa transformation est la conséquence des interactions entre les compartiments précédents ainsi que la cryosphère et notamment du développement de la vie et l histoire de cette transformation est en particulier inscrite dans les roches sédimentaires. Les Cyanobactéries en ont été les instigatrices premières. Problématique : En quoi la biosphère a influencé les teneurs en 02 et CO2 de l hydrosphère et de l atmosphère et la composition de la lithosphère? Développement : I / ACTION DE LA BIOSPHERE SUR LA LITHOSPHERE A/ la biosphère à l origine de roches calcaires Le document 3 nous informe que les plus anciens stromatolithes (roches sédimentaires carbonatées, faisant effervescence à HCl) sont datés de -3,8 Ga (donc preuve de vie à cette époque, voir document 3, la flèche). Le document 1 montre ces édifices à lamelles calcaires superposées matérialisant une croissance en couches (stratification) : la surface de ces formations présente un tapis bactérien dont les plus remarquables sont les Cyanobactéries qui les construisent, unicellulaires Procaryotes chlorophylliens photosynthétiques en filaments enrobés d un mucus qui piège les particules sédimentaires minérales et produit un dépôt calcaire de carbonate de calcium CaCO3 soudant entre elles ces particules, formatant une néolamelle. Le document 2 montre le rôle des Cyanobactéries dans la précipitation carbonatée : à partir de CO2 et H20, elles synthétisent des matières organiques (des ions HCO3- solubles sont disponibles pour elles dans l eau et cela aboutit selon l équilibre donné des carbonates solides or le document 1 nous montre les filaments de bactéries coincées dans la couche minérale. Elles meurent et sur ce substrat, les subsistantes s installent en une nouvelle association à l origine d une néolamelle. Le principe d actualisme nous permet d affirmer que depuis - 3 Ga des êtres vivants ont participé à former des édifices calcaires car les stromatolites actuels et passés ont la même organisation et on le suppose le même fonctionnement schéma possible : reprendre la structure verticale des édifices avec une dynamique explicative (on annote le document 1 en le mettant en relation avec le document 2) B/ la biosphère l origine de minérais de fer Le document 3 indique que les gisements de fer rubané se sont formés (uniquement par oxydation des ions ferreux Fe2+ voire ferrique pour donner des oxydes de fer : hématite très largement Fe203 et parfois magnétite Fe3O4) entre - 3,5 et 1,9 Ga et sont aujourd hui les gisement exploités. L atmosphère n ayant alors pas d 02 ou très peu de -2 à - 1,9 Ga, ils sont exclusivement marins et l océan contenant des ions ferreux Fe2+ issu de l érosion continentale, ce qui suppose aussi tectonique des plaques. Des oxydes ferriques Fe2O3 (hématite) ne sont possibles qu en milieu oxydant avec de l O2, ce qui ne peut être possible que si de l O2 dans l eau de mer est présent. L atmosphère n en ayant pas, il n a pas diffusé depuis ce compartiment. Seule la photosynthèse des Cyanobactéries peut expliquer cela, seuls photosynthétiques d alors. Ainsi, indirectement, les Cyanobactéries ont donc contribué à la formation de roches sédimentaires de la lithosphère (carbonates et minerais de Fer) : ainsi, la biosphère a bien influencé l évolution de la composition de la paléogéosphère. II / BIOSPHERE ET ENVELOPPES FLUIDES (ATMOSPHERE ET HYDROSPHERE) le document 3 confirme que pendant 2 Ga depuis sa naissance, la Terre avait une atmosphère primitive dépourvue de dioxygène apparu seulement il y a 2 Ga avant d augmenter rapidement les 500 Ma du dernier milliard d années où son dégagement a été dès lors également continental. hypothèse explicative : photosynthèse océanique avec dissolution dans l eau puis diffusion des gaz à l interface eau/air. NB : la diffusion à l interface air/eau dans l eau des gaz (CO2 et O2 ici) est d autant plus élevée que la température est basse (lien température / coefficient de solubilisation des gaz) A/ la hausse du taux de dioxygène Dès - 2 Ga, la présence de 02 océanique (par photosynthèse procaryotique et des Eucaryotes apparus) et atmosphérique (voir document 3 : formation des Red Bells, mêmes oxydes de Fer que cités avant mais continentaux) implique une production cyanobactérienne plus grande que sa consommation par oxydation de matériel minéral. 4

5 rappel : on rappellera l équation-bilan de la photosynthèse : 6 CO H2O > C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O Il y a encore production de Fer rubané quand l O23 atmosphérique est déjà là, ce qui suggère que tout le Fer océanique n est pas oxydé et ne peut donc être une explication directe plausible de la diffusion de l O2 de l hydre à l atmosphère B/ la baisse de celui de dioxyde de carbone les stromatolites, pièges à CO2 sous forme de carbonates ont contribué à la baisse de son taux atmosphérique qui était élevé et participait à un effet de serre (avec le CH4) contrebalançant un Soleil à brillance faible et aurait du empêcher par englacement une hydrosphère (océans liquides), ont dégagé du dioxygène pour les enveloppes fluides que sont l hydro et atmosphères. Nous n avons pas ici d information quantitative pour juger de leur importance pour expliquer la brusque hausse de 02 après - 1 Ga. Bilan / conclusion : Les stromatolites sont une belle illustration montrant comment des Procaryotes photosynthétiques, les Cyanobactéries ont modifié lithosphère, atmosphère et hydrosphère, en solubilisant le CO2 davantage dans les océans puis en entraînant celle de l O2 dans l atmosphère par une photosynthèse plus quantitative (procaryotique et eucaryotique, les Eucaryotes à photosynthèse ayant sûrement incorporé et conservé des procaryotes et donc leurs chloroplastes, c est la théorie endosymbiotique) elles-mêmes en interaction permanente. En effet, dès - 3,8 Ga, les Cyanobactéries ont modifié les taux de CO2/O2 atmosphérique et hydrosphérique et en favorisant au sein de la lithosphère la précipitation d oxydes de fer océaniques (BIFs : Banded Iron Formations) puis continentaux (Red Bells) et en participant indirectement à celle de carbonates de calcium au sein d édifices sédimentaires, les stromatolithes 5