Sciences de la vie et de la terre

Sciences de la vie et de la terre Terminale Enseignement de spécialité Corrigé des exercices et des activités Rédaction : Isabelle Maléjac Mickaël Lebreton Coordination : Yannick Gaudin Ce cours est la propriété du Cned. Les images et textes intégrés à ce cours sont la propriété de leurs auteurs et/ou ayants droit respectifs. Tous ces éléments font l objet d une protection par les dispositions du code français de la propriété intellectuelle ainsi que par les conventions internationales en vigueur. Ces contenus ne peuvent être utilisés qu à des fins strictement personnelles. Toute reproduction, utilisation collective à quelque titre que ce soit, tout usage commercial, ou toute mise à disposition de tiers d un cours ou d une œuvre intégrée à ceux-ci sont strictement interdits. Cned-2013

Séquence 1 Glycémie et diabète Corrigé des exercices séquence 1 SN03 3

C orrigé du chapitre prérequis Exercice 1 Exercice 2 Préciser le rôle du glucose dans la cellule Dans le milieu oxygéné, au cours de l expérience on observe une consommation de dioxygène et de glucose, un dégagement important de dioxyde de carbone et une augmentation du nombre de levures. Dans le milieu non oxygéné, la consommation de glucose est identique mais la production de dioxyde de carbone et l augmentation du nombre de levures sont plus faibles. De plus on observe une production d éthanol. Dans le milieu oxygéné, les levures respirent alors que dans le milieu non oxygéné, elles fermentent. La respiration est une oxydation complète du carbone du glucose produisant une forte quantité d énergie. La dégradation totale d une molécule de glucose aboutit dans une cellule à la synthèse de 1840kJ. Cette forte quantité d énergie permet une reproduction rapide des cellules. La fermentation est une dégradation partielle du glucose, elle conduit à la formation de composés organiques intermédiaires comme ici l éthanol. La fermentation produit moins d énergie que la respiration. La dégradation partielle d une molécule de glucose par fermentation alcoolique produit 155 kj. C est pourquoi la population de levures augmente moins rapidement. Réaliser un schéma d expérience Corrigé des exercices séquence 1 SN03 5

Exercice 3 Préciser la notion de boucle de régulation Une activité intense du nerf parasympathique provoque une diminution de la fréquence cardiaque et de la pression artérielle. Ce nerf est un nerf cardiomodérateur. Une activité intense du nerf sympathique provoque une augmentation de la fréquence cardiaque et de la pression artérielle. Ce nerf est un nerf accélérateur. La pression artérielle varie de la même façon que la fréquence cardiaque : une augmentation de fréquence cardiaque provoque une augmentation de la pression artérielle et inversement. Une augmentation de pression au niveau du sinus carotidien provoque une diminution de la fréquence cardiaque. Une diminution de pression au niveau du sinus carotidien provoque une augmentation de la fréquence cardiaque. Question 3 Schéma fonctionnel de la boucle nerveuse de la régulation de la pression artérielle Récepteurs stimulés Augmentation de la pression artérille Activité nerveuse intense Diminution de la pression artérille Activité nerveuse faible Diminution de la fréquence cardiaque Activité nerveuse intense 6 Corrigé des exercices séquence 1 SN03

Question 4 Schéma fonctionnel de la boucle nerveuse de la régulation de la pression artérielle Récepteurs non stimulés Diminution de la pression artérille Activité nerveuse faible Augmentation de la pression artérille Activité nerveuse intense Augmentation de la fréquence cardiaque Activité nerveuse faible Question 5 Bilan capteurs Voies nerveuses sensitives Centre nerveux intégrateur Voies nerveuses motrices Effecteurs barorécepteurs Nerfs de Héring et de Cyon Bulbe rachidien Nerf sympathique et nerf parasympathique cœur Exercice 4 Tester ses connaissances à propos de la relation entre la mutation d un gène, la structure et la fonction d une protéine Le document 1 localise le gène CFTR sur le chromosome 7. Ce gène présente deux allèles qui peuvent être nommés «allèle sain» et «allèle muté». Les nucléotides 1522/1523/1524 (TTT) de l allèle sain sont absents au niveau de l allèle muté. La protéine CFTR normale possède alors une phénylalanine en 508 ème position, cet acide aminé est manquant sur la protéine CFTR résultant de l expression de l allèle muté. Corrigé des exercices séquence 1 SN03 7

Le document 2 nous indique que la protéine CFTR est une protéine membranaire des cellules épithéliales, son rôle est de permettre un flux d ions chlorure vers le milieu extracellulaire afin de fluidifier le mucus. Cette protéine ne fonctionne pas chez les individus atteints de mucoviscidose. Le document 3 présente les symptômes de la mucoviscidose. L absence d ions chlorure dans les voies respiratoires provoque un épaississement du mucus qui devient difficile à évacuer et qui est le siège de multiplications bactériennes. Ainsi une mutation au niveau d un gène (ici le gène responsable de la synthèse de la protéine CFTR) est à l origine d une modification de la structure dite primaire de la protéine (la structure primaire d une protéine est la séquence d acides aminés qui la compose). La structure primaire de la protéine est modifiée, la protéine est détruite et ne peut donc pas remplir sa fonction de canal d ions chlorures. 8 Corrigé des exercices séquence 1 SN03

Corrigé des activités du chapitre 2 Pour débuter Question 3 Question 4 La glycémie chez cette personne est de 1,16 g.l 1 ou 6,44 mmol.l 1 Les valeurs de référence sont 0,70 à 1,10 g.l 1 ou 3,88 à 6,11 mmol.l 1. Ces valeurs correspondent à des limites supérieure et inférieure, une glycémie comprise entre ces valeurs de référence est une concentration dite «normale». La masse molaire du glucose est de 180g. Règle de proportionnalité : 180g 1 mol 1,16g? mol Calcul : 1,16/180 = 0,00644 mol = 6,44 mmol Si la glycémie dépasse les valeurs de référence, l organisme présente des symptômes qui peuvent être très graves voir mortels. Ce paramètre doit être relativement stable donc être régulé. *: Remarques (non attendue dans la réponse) A long terme, une hyperglycémie prolongée provoque la glycation de certaines protéines c est à dire une modification structurale de ces protéines les rendant peu ou pas fonctionnelles. La glycation de certaines protéines constitutives des parois vasculaires leur fait perdre une partie de leurs propriétés mécaniques. Les parois vasculaires s épaississent de façon irréversible ce qui est à l origine d une vasoconstriction (diminution du diamètre des vaisseaux sanguins) et de thrombose (formation de caillots dans les vaisseaux), la circulation sanguine est alors amoindrie. Cet épaississement est renforcé par des dépôts d agrégats protéiques à l intérieur des vaisseaux sanguins. Ces épaississements diminuent fortement les échanges intercellulaires et les échanges entre les cellules et le sang. Ainsi, la glycation dans les vaisseaux sanguins est l un des facteurs responsables de l altération des vaisseaux appelée angiopathie diabétique et du vieillissement vasculaire. Au niveau des yeux, la fragilisation de la paroi des vaisseaux de la rétine provoque un risque d hémorragie pouvant entraîner une détérioration progressive de la vision voire la cécité. Au niveau des reins, la détérioration des capillaires sanguins peut conduire à une insuffisance rénale nécessitant un traitement par dialyse. Corrigé des exercices séquence 1 SN03 9

Cette mauvaise irrigation sanguine endommage les nerfs des membres inférieurs. Cela a pour effet de ralentir la conduction nerveuse. Une blessure au pied n est parfois plus ressentie (danger d aggravation). Sa guérison est très ralentie par faute d une bonne irrigation sanguine. Activité 1 Comprendre l action d une enzyme digestive sur un aliment Le nom de la substance responsable de l hydrolyse de l amidon dans la bouche est l amylase. Protocole expérimental permettant de mettre en évidence les caractéristiques des deux types d hydrolyse. Expérience 1 : L hydrolyse de l amidon par l acide chlorhydrique ; Dans deux tubes à essai on verse de l amidon en solution. Le premier sert d expérience témoin : on ne rajoute pas d acide chlorhydrique ; Dans le second on rajoute de l acide chlorhydrique. Les deux tubes sont placés à 10 C par exemple. On teste au fur et à mesure du temps (toutes les 5 minutes par exemple) la solution avec l eau iodée pour voir si l amidon disparaît et à la liqueur de Fehling pour voir si le maltose apparaît. Cette expérience est renouvelée à d autres températures de 20 C à 100 C. Expérience 2 : L hydrolyse de l amidon par l amylase. On réalise la même expérience mais en remplaçant l acide chlorhydrique par l amylase. Question 3 Expérience de l hydrolyse acide de l amidon (voir image en couleur sur le campus). Schéma de l expérience de l hydrolyse acide de l amidon : Interprétation : Pour le test à l eau iodée : la coloration noire dans le tube 1 signifie la présence d amidon la coloration jaune dans le tube 10 signifie l absence d amidon L amidon a progressivement disparu. 10 Corrigé des exercices séquence 1 SN03

Pour le test à la liqueur de Fehling : la coloration bleue dans le tube 11 signifie l absence de sucres réducteurs (glucose) la coloration rouge-orangée dans le tube 20 signifie la présence de sucres réducteurs (glucose). Les sucres réducteurs (glucose) ont progressivement apparu. Dans le tube «T1», le test à l eau iodée reste positif et dans le tube «T2» le test à la liqueur de Fehling reste négatif tout au long de l expérience : il n y a pas d hydrolyse de l amidon en absence d acide chlorhydrique. Au cours de l expérience on observe une hydrolyse progressive de l amidon par l acide chlorhydrique en sucres réducteurs. L hydrolyse totale est réalisée en 70 minutes environ à une température avoisinant les 85 C. Expérience de l hydrolyse de l amidon par l amylase (voir image en couleur sur le cned.fr) Première série de tests Schéma de l expérience Corrigé des exercices séquence 1 SN03 11

L évolution de la couleur de la liqueur de Fehling dans le tube 3 au cours du temps montre qu il y a eu hydrolyse de l amidon. Au bout de 12 min, l amidon a presque disparu. Le test à la liqueur de Fehling est positif en fin d expérience, les sucres réducteurs sont apparus. Cette hydrolyse de l amidon par l amylase a eu lieu à 37 C. Expérience de l hydrolyse acide de l amidon par l amylase. Première série de tests Le test à l eau iodée reste positif dans les tubes 1 et 2. Il n y a pas eu hydrolyse de l amidon dans le tube 1 car il n y a pas d agent catalyseur de l hydrolyse. Il n y a pas eu hydrolyse de l amidon dans le tube 2, l amylase préalablement bouillie ne peut pas hydrolyser l amidon. L hydrolyse de l amidon par l amylase est beaucoup plus rapide que l hydrolyse de l amidon par l acide chlorhydrique. Deuxième série de tests Schéma de l expérience (voir image en couleur sur cned.fr) 6 minutes après Le test à l eau iodée est négatif, l amidon a donc été hydrolysé. L amylase est restée active, l hydrolyse précédente n a pas altéré la molécule enzymatique. Q4) De même que l acide chlorhydrique, l amylase hydrolyse l amidon. Mais l amylase agit beaucoup plus vite à une température plus basse. L amylase est encore active après plus d une demi-heure. Ces caractéristiques correspondent aux caractéristiques d un biocatalyseur. Activité 2 Découvrir la spécificité enzymatique et les conditions d action des enzymes Dans un tube à essai, on place de l amidon et de la pepsine dans les conditions de l estomac (37 C et ph acide). Puis on teste assez rapidement (10 min) à l eau iodée pour voir si l amidon disparaît ou non. Un tube témoin contenant uniquement de l amidon serait testé de la même façon. Un résultat positif à l eau iodée signifie que l eau iodée vire au noir donc que la solution testée contient de l amidon. Un résultat négatif à l eau iodée signifie que l eau iodée ne change de couleur donc que la solution ne contient pas d amidon. 12 Corrigé des exercices séquence 1 SN03

Question 3 Question 4 Question 5 L expérience 5 est l expérience qui permet de savoir si l amylase poursuit son action dans l estomac car le tube 5 contient de l amidon et de l amylase et il est placé dans les conditions régnant dans l estomac : 37 C et ph acide 2. Le résultat étant positif, l amidon n a pas disparu contrairement au tube 2 : l action de l amylase ne se poursuit pas dans l estomac. Le tube 3 contient de l amidon et de la pepsine. Il est placé dans les conditions régnant dans l estomac. Le test à l eau iodée est positif : l amidon n a pas disparu. L hydrolyse de l amidon n a pas eu lieu en présence de pepsine. Cette étude nous apprend que l activité enzymatique dépend très étroitement du ph du milieu et que toutes les enzymes n ont pas le même ph optimal. Bilan : La pepsine n hydrolyse pas l amidon dans l estomac. On peut en déduire que chaque enzyme agit sur une molécule précise. C est ce qu on peut appeler la spécificité enzymatique de substrat. L amylase agit sur l amidon à ph 7, alors qu elle n agit pas à ph 2. Une enzyme a une activité maximale à un ph précis qu on peut appeler ph optimal. Activité 3 Question 3 Question 4 Question 5 Mettre en évidence la régulation de la glycémie Après un repas la glycémie augmente. Cette augmentation est due à l absorption intestinale du glucose après la digestion. Au cours d une activité sportive la glycémie diminue. Cette diminution serait due à la consommation de glucose par les muscles qui font un effort. L énergie nécessaire au muscle provient de la dégradation du glucose en présence de dioxygène au cours de la respiration cellulaire. Au cours de la journée, après chaque augmentation de la glycémie, on observe une diminution. Après chaque diminution, on observe une augmentation. Ces faibles variations suggèrent qu il existe un système de régulation qui, à chaque petite augmentation de la glycémie, agit pour diminuer cette glycémie. Et au contraire, ce système de régulation agit pour augmenter la glycémie à chaque diminution. La valeur de consigne serait la valeur de la glycémie qui serait la limite au delà et en deçà de laquelle le système de régulation est mis en jeu. Activité 4 Découvrir les organes effecteurs de la régulation de la glycémie et leur rôle respectif. Le foie, le tissu adipeux et les muscles présentent un fort taux de radioactivité. Ils semblent être les organes impliqués dans le système de régulation de la glycémie. Corrigé des exercices séquence 1 SN03 13

Question 3 Question 4 Question 5 Grâce à l animation, on peut conclure que le foie est capable de restituer du glucose même après avoir été lavé abondamment. Il contient donc une substance de réserve non soluble dans l eau. document 4e : En période de jeun, la glycémie dans le sang entrant dans le foie par la veine porte hépatique est inférieure à la glycémie dans la veine sus hépatique. Ces mesures confirment que le foie est capable de restituer du glucose dans le sang en période de jeun. Après un repas, la glycémie dans le sang entrant dans le foie par la veine porte hépatique est de 2,5 g.l 1, elle est de 1,3 g.l 1 dans la veine sus hépatique. Le foie est capable de stocker le glucose. Document 4f : Les grains foncés dans les hépatocytes du foie du lapin après un repas montre que le stockage du glucose peut se faire sous la forme de glycogène Bilan : Le foie peut stocker le glucose après un repas. On observe un précipité blanc dans le tube contenant le broyât de muscle : les cellules musculaires contiennent du glycogène. Par contre, il n y a pas de précipité blanc dans le tube contenant le broyât de tissu adipeux, les cellules adipeuses ne contiennent pas de glycogène. Ce glucose 6 phosphate ne peut être libéré dans le sang car il ne peut traverser la membrane cellulaire. Les cellules musculaires ne possèdent pas la glucose 6 phosphatase permettant de transformer le glucose 6 phosphate en glucose. Les cellules musculaires ne peuvent donc pas libérer le glucose mis en réserve sous forme de glycogène. Activité 5 Question 3 Question 4 Question 5 Découvrir le système de régulation de la glycémie L organe participant à la régulation de la glycémie mis en évidence dans cette expérience est le pancréas car l ablation de cet organe provoque des variations de la glycémie. Cette expérience confirme la réponse précédente car si on retire le greffon, la glycémie s élève. Il n est pas nécessaire que le pancréas soit en place pour agir sur la glycémie. Le greffon étant relié à l organisme par des capillaires sanguins, on peut supposer que le pancréas agit sur les organes effecteurs par voie sanguine donc hormonale. L insuline provoque immédiatement une baisse de la glycémie une heure après l injection la glycémie retrouve la valeur de consigne (ici environ 1g.L 1 ). L insuline est hypoglycémiante. Le glucagon provoque une augmentation de la glycémie. Son effet cesse à la fin de la perfusion, la glycémie retrouve la valeur de consigne. Le glucagon est hyperglycémiant. Ce document 5f permet de comprendre que l insuline et le glucagon sont des hormones et que les hormones se fixent sur des récepteurs membra- 14 Corrigé des exercices séquence 1 SN03

Question 6 naires spécifiques de certaines cellules appelées cellules cibles. La fixation de l hormone sur son récepteur modifie le métabolisme de la cellule. Le document 5g illustre la fixation de l insuline sur son récepteur. On observe une complémentarité des formes hormone/récepteur. Le récepteur est donc spécifique bien à «son» hormone. Le document 5h nous permet de voir que l insuline radioactive est présente sur les membranes des cellules hépatiques, musculaires et adipeuses. Ces trois types de cellules possèdent le récepteur spécifique de l insuline, ce sont donc les cellules cibles de l insuline. Par contre le glucagon radioactif n est présent que sur la membrane des cellules hépatiques, seules les cellules hépatiques possèdent le récepteur au glucagon, ce sont les cellules cibles du glucagon. Le document 5i nous montre que en présence d insuline les cellules musculaires prélèvent plus de glucose dans le milieu et qu elles contiennent plus de glycogène. L insuline favorise donc l absorption du glucose et la glycogénogenèse. L effet de l insuline est le même sur les hépatocytes. Par contre au niveau des adipocytes, on observe le même effet au niveau du glucose prélevé mais une augmentation de la teneur en triglycérides. Ici la lipogenèse est stimulée. Le document 5j nous montre qu en présence de glucagon, la teneur des hépatocytes en enzymes impliquées dans la dégradation du glycogène augmente. Le glucagon stimule donc le glycogénolyse. Activité 6 Découvrir le contrôle des sécrétions hormonales du pancréas Document 6a : La sécrétion d insuline par les cellules ß est très largement supérieure lorsque le milieu contient du glucose : les cellules ß sont sensibles à la concentration du milieu extracellulaire en glucose. Une augmentation de la concentration en glucose dans le milieu extracellulaire stimule la sécrétion d insuline par les cellules ß. Document 6b : La sécrétion de glucagon par les cellules ß dépend de la concentration en glucose du milieu extracellulaire. Plus la concentration en glucose du milieu extracellulaire augmente, plus la sécrétion de glucagon diminue. Lorsque l organisme subit une légère augmentation de la glycémie après un repas par exemple, les cellules ß sont stimulées, l insuline hypoglycémiante agit sur ses cellules cibles afin de diminuer la glycémie. Lorsque l organisme subit une légère baisse de glycémie pendant un effort physique par exemple, les cellules sont stimulées, le glucagon hyperglycémiant agit sur ses cellules cibles afin d augmenter la glycémie. Corrigé des exercices séquence 1 SN03 15

Corrigé des activités du chapitre 3 Activité 1 Identifier les sujets diabétiques Les patients 1 et 4 sont diabétiques car leur glycémie à jeun est supérieure à 1,26 g.l 1 (7 mmol.l 1 ) à deux reprises, ce qui n est pas le cas des deux autres patients. Une remarque à propos du patient 3 : Sa glycémie est relativement élevée : il faudrait surveiller l évolution de sa glycémie car il est peut-être diabétique «débutant». Le patient 2 ne semble pas avoir de problème particulier concernant sa glycémie. Activité 2 Rechercher les caractéristiques des différents types de diabète Après ingestion d une solution de glucose, le patient 1 présente une glycémie élevée atteignant au bout de 90 min une valeur supérieure à 3 g.l 1. Au bout de 180 mn, sa glycémie a à peine baissé, elle est d environ 2,8 à 2,9 g.l. L insulinémie est nulle au cours de cette expérience. Chez le patient 4, au cours de l expérience, la glycémie évolue de façon similaire : elle dépasse 4 g.l 1 au bout de 90 min et baisse très légèrement ensuite. Par contre, chez le patient 4, on constate qu il y a une production importante d insuline. L insulinémie n évoluant pas de la même façon chez ces deux patients, l origine de leur diabète respectif est différente. Chez le patient 1 : Hypothèse 1 : l absence d insuline plasmatique pourrait être due à un mauvais fonctionnement des cellules des îlots de Langerhans. Hypothèse 2 : Il y aurait absence des cellules des îlots de Langerhans. Hypothèse 3 : L insuline pourrait être «fabriquée»normalement par les cellules mais pourrait ne pas être déversée dans les vaisseaux sanguins. Chez le patient 4 : Il semble que l insuline produite ne soit pas efficace. Pour que cette molécule ne soit plus efficace, on peut émettre plusieurs hypothèses : sa forme spatiale a été modifiée (elle ne peut plus se fixer sur son récepteur spécifique) ou bien le récepteur membranaire spécifique a été modifié (il ne «reconnaît» plus la molécule d insuline) ou n existe plus. 16 Corrigé des exercices séquence 1 SN03

Activité 3 Question 3 Question 4 Rechercher l origine de diabète de type 1 Puisque ce patient ne produit pas (ou très peu) d insuline, il serait intéressant de voir si son pancréas présente des cellules au niveau des îlots de Langerhans. Le pancréas d un individu atteint de diabète de type 1 ne présente pas d îlots de Langerhans, par contre on y observe des acini pancréatiques et des canaux collecteurs normaux Cette observation confirme l hypothèse correspondant à une absence des cellules des îlots de Langerhans. Le document 3c montre que l injection des lymphocytes T d une souris diabétique à une souris non diabétique, provoque l apparition du diabète en quelques jours : Les lymphocytes pourraient être la cause de cette apparition du diabète de type 1. Les lymphocytes seraient responsables de la destruction des cellules ß des îlots de Langerhans. Le diabète de type 1 ne semble se déclarer que si les deux types de lymphocytes T8 et T4 sont présents. Les expériences 3d et 3e montrent que les lymphocytes cytotoxiques sont localisés au niveau des cellules ß des îlots de Langerhans. Les lymphocytes T4, pivots des réactions immunitaires, stimulent les lymphocytes T8 ce qui favorise la cytolyse des cellules ß des îlots de Langerhans. La destruction progressive de ces cellules provoque une diminution de la sécrétion d insuline puis un arrêt de la sécrétion lorsque toutes les cellules sont détruites. Activité 4 Rechercher l origine de diabète de type 2 Le document 4a montre que l enchaînement des acides aminés de l insuline normale est le même que l enchaînement des acides aminés de l insuline d un individu atteint de diabète de type 2. Les deux insulines ont la même structure primaire, donc la même forme spatiale. Ce n est pas la forme de l insuline qui est mise en cause. Le document 4b montre que chez un individu sain, une augmentation de la concentration d insuline dans le milieu de culture des adipocytes stimule l absorption de glucose. Par contre les adipocytes semblent beaucoup moins sensibles à l insuline dans le cas d un individu diabétique DT2. L inefficacité de l insuline pourrait être due aux récepteurs. Le document 4c montre que chez un sujet diabétique les récepteurs à insuline fixent aussi bien l insuline que chez les individus sains : les récepteurs ont une forme «normale», la structure des récepteurs n est pas mise en cause. Le document 4d montre que l activité du récepteur est beaucoup plus faible chez un individu diabétique que chez un individu sain. Corrigé des exercices séquence 1 SN03 17

Au final chez un individu atteint de diabète de type 2, l insuline ne produit plus l effet qu elle produit chez in individu sain : elle se fixe sur le récepteur «normalement» mais cette fixation ne modifie pas comme elle le devrait le métabolisme cellulaire. Elle devrait provoquer une stimulation de l absorption de glucose et une stimulation de la mise en réserve sous forme de triglycérides pour les adipocytes (et de glycogène pour les hépatocytes et les cellules musculaires), ce qui n est pas le cas. En fait, l insuline n active plus l absorption de glucose et sa mise en réserve au niveau des cellules cibles. Activité 5 Découvrir les facteurs déclenchant du diabète de type 1 Le document 5a montre que plus on est proche génétiquement d un individu atteint de diabète de type 1, plus on a de risque de déclarer ce type de diabète. Le document 5b montre que des combinaisons allèliques prédisposent au diabète de type 1 comme la combinaison DR3 / DR4. La déclaration d un diabète de type 1 dépendrait de facteurs génétiques. Dans le document 5c, on observe que la protéine P2C du Coxsackie virus et la GAD humaine présente dans les cellules des îlots de Langerhans ont une séquence d acides aminés commune :.. «Pro-Glu-Val-Lys-Glu-Lys»... Le système immunitaire reconnaissant comme étrangère la protéine P2C pourrait reconnaître comme étrangère la protéine GAD. Le système immunitaire détruisant la P2C pourrait aussi détruire la GAD et donc les cellules. Le facteur déclenchant serait ici la présence de virus. Le document 5d montre que 1) le nombre de cas de DT1 déclaré avant 10 ans est d autant plus important que le pourcentage d enfants nourris au sein est faible. Il semblerait qu être nourri au sein «éviterait» de déclarer un DT1. 2) les enfants qui ont un taux d anticorps antibsa élevé (>5 u.a.) ont déclaré un diabète de type 1 alors que les enfants dont le taux d anticorps antibsa est faible (< 5 u.a.) ne déclare pas de diabète. Être nourri au lait de vache au cours de la prime enfance apporterait une protéine bovine la BSA. Celle-ci provoquerait une réaction immunitaire et donc la production d anticorps antibsa. Cette production d anticorps favoriserait la déclaration d un diabète de type 1. La déclaration du diabète de type 1 dépendrait donc de divers facteurs environnementaux tels que la présence de certains virus ou l alimentation. 18 Corrigé des exercices séquence 1 SN03

Activité 6 Découvrir les facteurs déclenchant du diabète de type 2 Le document 6a montre que plus on est proche génétiquement d un individu atteint de diabète de type 2, plus on a de risque de déclarer ce type de diabète. Ici aussi, le facteur génétique intervient dans le déclenchement de ce type de diabète. Le document 6b montre qu une augmentation de la masse et une inactivité augmentent le risque de survenue du diabète de type 2. Corrigé des exercices séquence 1 SN03 19

Corrigés des exercices du chapitre 2 Exercice 2 Vrai ou faux les lettres correspondent aux réponses fausses. 1: b,d. 2 : a,c,e. 3 : a,b,d. 4 : a. 5 : b.6 : b,d. Exercice 3 Bilan hépatique en mg.min 1 Temps en minutes Bilan hépatique 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 41,6 42 40 43,2 10-5,2-13,5-27 -23,2-24 -19,6-15 -20,8 0 Représentation graphique : Bilan hépatique en fonction du temps Bilan hépattique en mg de glucose par minute 50 40 30 20 10 0-10 -20-30 -40 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Perfusion de glucose Temps en minutes Un bilan positif indique que GV est supérieur à GA : le foie produit du glucose, il est en glycogénolyse. Un bilan négatif indique que GV est inférieur à GA : le foie stocke le glucose : il est en glycogénogenèse. De 0 à 30 minutes, l animal est à jeun, le foie libère du glucose, ceci compense les prélèvements cellulaires et maintient la glycémie stable. De 30 à 70 minutes, le bilan hépatique diminue. L animal est perfusé. La libération du glucose diminue jusqu à ce que le bilan devienne négatif où le foie stocke de plus en plus de glucose. Le foie est en glycogénogenèse. De 70 à 120 minutes, La glycogénogenèse est globalement stable, adaptée à la quantité de glucose perfusée. 20 Corrigé des exercices séquence 1 SN03

De 120 à 130 minutes, l animal n est plus perfusé, la glycogénogenèse diminue. Exercice 4 Le document 1 est la représentation graphique de la variation de la glycémie suite à l injection en intraveineuse d insuline chez un animal à jeun sain. On observe que la glycémie chute suite à l injection d insuline. L insuline est une hormone hypoglycémiante. Le document 2 représente la libération d insuline par un pancréas isolé et perfusé en fonction de la concentration en glucose de la solution perfusée. On observe qu une modification de la concentration de glucose de la solution perfusée agit sur la sécrétion d insuline par le pancréas. Les cellules sécrétrices d insuline sont sensibles à la concentration de glucose. Une augmentation de la glycémie provoque une sécrétion d insuline alors qu une diminution de la glycémie provoque une diminution de la sécrétion d insuline. Le document 3 représente la variation du bilan hépatique chez le chien normal à jeun à qui on injecte une dose d insuline. Le bilan hépatique diminue après injection d insuline. Ces résultats montrent que : les cellules du foie sont sensibles à l insuline, ce sont des cellules cibles à l insuline. l insuline stimule la glycogénogenèse hépatique. Le document 4 relate le comportement du tissu musculaire vis à vis du glucose présent dans le milieu de culture avec ou sans insuline ainsi que la teneur des cellules en glycogène. On observe que, en présence d insuline, les cellules musculaires ont prélevé plus de glucose et que leur teneur en glycogène est plus importante. On peut en déduire que les cellules musculaires sont sensibles à l insuline, ce sont des cellules cibles à l insuline. L insuline a ici le même effet que sur les cellules du foie : elle favorise l absorption du glucose et sa mise en réserve sous forme de glycogène. L information 3 nous apprend que les cellules adipeuses sont aussi sensibles à l insuline et que l insuline agit sur ces cellules en stimulant la mise en réserve du glucose sous forme de lipides. Bilan : Le rôle de l insuline est d abaisser la glycémie en favorisant l absorption du glucose et sa mise en réserve sous forme de glycogène ou de lipides. Elle agit sur trois types de cellules : les cellules du foie, les cellules musculaires et les cellules adipeuses. Sa sécrétion par les cellules ß des îlots de Langerhans du pancréas est déclenchée par une augmentation de la glycémie. Corrigé des exercices séquence 1 SN03 21

Corrigé des exercices d apprentissage du chapitre 3 Exercice 2 Quelles sont les caractéristiques du diabète de type 1 A- B- C- D- E- F- Q2) Quelles sont les caractéristiques du diabète de type 2 A- B- C- D- E- F- Exercice 3 Le document 1 localise les populations d indiens Pima : les indiens Pimas de Maycoba sont installés au Mexique et les indiens Pimas de Gila River sont installés aux États -Unis. Le document 2 représente les résultats d une étude sur les risques de diabète de type 2 en fonction de l IMC et de la situation familiale. On observe que plus l IMC est élevé, plus le risque d être atteint est élevé. Être enfant de deux parents diabétiques présente un risque plus élevé qu être enfant d un seul parent diabétique. Être enfant de parents non diabétiques présente un risque relativement faible. On peut donc conclure de ce document que l apparition du diabète de type 2 dans cette population des indiens Pima dépend d un facteur génétique et d un facteur environnemental lié à l alimentation. Le document 3 confirme l existence d un lien entre le pourcentage élevé de diabète de type 2 et un IMC élevé puisque 69 % de la population est obèse. Ce document met aussi en évidence l influence du mode de vie puisque la population la plus atteinte a un mode de vie sédentaire. Bilan L apparition du diabète de type 2 chez les indiens Pima habitants aux États-Unis a une origine multifactorielle. Facteurs génétiques, obésité et sédentarité sont à l origine de l apparition du diabète de type 2 dans cette population. Exercice 4 Au début de la maladie (stade 1 et 2) le pancréas sécrète une forte quantité d insuline puis à partir du stade 3 jusqu au stade 5 la sécrétion d insuline par le pancréas diminue et devient inférieure à la normale. 22 Corrigé des exercices d apprentissage séquence 1 SN03

Au stade 2 la glycémie est encore peu élevée car la faible utilisation du glucose est compensée par une très forte sécrétion d insuline. Au stade 5, la faible utilisation du glucose par les organes n est plus compensée par une forte sécrétion d insuline (la sécrétion d insuline en 5 est inférieure à la normale), la glycémie n est plus contrôlée : on observe une hyperglycémie d environ 3.6 g.l 1. Corrigé des exercices d apprentissage séquence 1 SN03 23

Séquence 2 Énergie et cellule vivante Corrigé des exercices séquence 2 SN03 25

C orrigé du chapitre Prérequis Exercice 1 Exercice 2 Question 3 Exercice 3 La composition de la matière vivante La matière minérale ici représentée par la Terre (dans sa globalité) et le granite (roche abondante dans les couches superficielles de la Terre) est essentiellement constituée par des atomes d oxygène, de fer, de silice et de magnésium. Par contre, la matière vivante ici représentée par le blé et l homme est essentiellement composée d atomes d oxygène, de carbone, d hydrogène et d azote. La composition chimique de ces quelques molécules organiques confirme bien la richesse de la matière organique en atomes d oxygène, de carbone, d hydrogène et d azote. Effectivement, les formules chimiques attestent de cette richesse. Pourquoi l essence peut-elle s enflammer alors que l eau minérale ne le peut pas? L eau minérale Contient uniquement des molécules d eau. Est riche en carbone et en hydrogène. Ne contient que très peu de molécules organiques. Ne contient pas de molécules organiques. L essence Est riche en molécule d eau. Contient des molécules caractérisées par leur richesse en carbone et en hydrogène. Est riche en ions minéraux. Est pauvre en ions minéraux. L essence est source d énergie car : Elle contient des corps oxydables c est-à-dire susceptibles de réagir chimiquement avec le dioxygène. Elle contient plus de matière organique que d eau. Elle est riche en ions minéraux. Le flux d énergie au sein d une chaîne alimentaire On observe que la quantité d énergie diminue tout au long de la chaîne alimentaire. Chez chaque organisme, une partie de l énergie reçue n est pas utilisée et une partie de l énergie est dispensée par la respiration. En fait, la production de matière représentant de l énergie est infime par rapport à la quantité d énergie que l organisme a à sa disposition. Corrigé des exercices séquence 2 SN03 27

Question 3 Question 4 Exercice 4 Exercice 5 Au sein de la chaîne alimentaire, la quantité d énergie diminue car, à chaque niveau, une grande partie de l énergie est perdue soit par nonutilisation, soit par respiration. Chaîne alimentaire 1 : (32,5.10 4 /5,4.10 9 ) 10 2 = 6.10 3 % Chaîne alimentaire 2 : (8,4.10 4 /41,6.10 9 ) 10 2 = 2.10 4 % Pour chaque chaîne alimentaire, la part d énergie incidente solaire retrouvée chez l homme est très faible. Elle est d autant plus faible que la chaîne alimentaire est longue. Organisme Rendement de production Hêtre 0,36 % Chenille 5,37 % Musaraigne 1,54 % Le rendement est très faible pour le hêtre, la quantité d énergie non utilisée est très élevée. La photosynthèse a un rendement faible. Le rendement de la chenille est plus élevé que le rendement de la musaraigne. La différence s explique par la quantité d énergie dispensée par la respiration : elle est beaucoup plus élevée chez la musaraigne. La musaraigne doit effectivement dépenser beaucoup plus d énergie pour rechercher sa nourriture que la chenille. Du raisin au vin Pasteur met en contact ses cultures de levures avec plus ou moins d air et teste la présence d éthanol. Il veut donc tester l hypothèse : «La présence d air influence la production d alcool au sein d une culture de levures.» On observe que la concentration d éthanol augmente de façon significative à partir du moment où il n y a plus de dioxygène. L hypothèse est en partie validée : ce n est pas l air qui influence la production d alcool au sein de la culture de levures mais la présence ou l absence de dioxygène dans l air. Les facteurs influençant le métabolisme cellulaire La lignée 1 et la lignée 2 diffèrent par leur patrimoine génétique. La lignée 2 a subi des mutations. Dans un milieu aérobie (en présence de dioxygène), on observe que la lignée 1 consomme moins de glucose que la lignée 2. Les conditions étant les mêmes, on peut dire que la consommation de glucose, donc le métabolisme cellulaire, dépend ici du patrimoine génétique. Observons le métabolisme de la lignée 1 dans deux conditions différentes : milieu aérobie et milieu anaérobie (en absence de dioxygène). En milieu aérobie, les cellules absorbent moins de glucose qu en milieu anaérobie. Ces cellules qui ont le même patrimoine génétique réagissent différemment selon le milieu. Leur métabolisme dépend bien de conditions du milieu. 28 Corrigé des exercices séquence 2 SN03

Exercice 6 Question 3 La compétition entre les organes % du débit sanguin Repos Effort intense Effort extrême Muscles 21,8 72,2 90 Organes digestifs 25,4 3,5 1,1 Plus l effort est intense, plus le pourcentage du débit sanguin des muscles est élevé et plus le pourcentage du débit sanguin des organes digestifs est faible. On peut donc expliquer le terme «effet de vol» : on pourrait assimiler le grand débit sanguin dans les cellules musculaires comme un vol de sang aux cellules des organes digestifs qui, elles, se retrouvent avec très peu de sang. Une cellule animale ne peut vivre que si elle a un apport en nutriments et en dioxygène pour produire l énergie indispensable à son fonctionnement. Le sang apporte à chaque cellule ce dont elle a besoin. Si le débit sanguin est vraiment très faible, ce qui est le cas pour un effort extrême, les cellules n ont pas assez de nutriments ni de dioxygène pour produire leur énergie : elles meurent. Corrigé des exercices séquence 2 SN03 29

Corrigé des activités du chapitre 2 Activité 1 Mettre en évidence la synthèse de matière organique à différentes échelles Chloropaste ne présentant pas de coloration brune Paroi Une cellule de mousse de Java en absence de CO 2 Chloropaste présentant de coloration brune Paroi Une cellule de mousse de Java en présence de CO 2 Stroma Membrane externe Membrane interne Espace intermembranaire Membrane thylakoïdienne Lumen Granum Grain d amidon* Schéma synthétique d un chloroplaste Globule lipidique ADN Question 3 Document 1 : Les feuilles de pélargonium décolorées à l alcool et placées dans une solution de lugol se colorent en brun foncé à noir. Le lugol est un réactif permettant de mettre en évidence l amidon (substance organique) : d une coloration jaune à orangée, il passe à une coloration brun très foncé à noire en présence d amidon. Les résultats montrent une synthèse d amidon au niveau de la feuille exposée à la lumière et dans les parties chlorophylliennes. Cette expérience montre la synthèse de matière organique au niveau de l organe en présence de lumière et de chlorophylle. 30 Corrigé des exercices séquence 2 SN03

Question 4 Document 2 : Les cellules de mousse de Java placées à la lumière, en présence de dioxyde de carbone et traitées au lugol, présentent des taches brunes. Les cellules de mousse de Java placées à la lumière, en l absence de dioxyde de carbone et traitées au lugol, ne présentent pas de taches brunes. Ces deux expériences montrent que la synthèse d amidon a lieu dans la cellule chlorophyllienne. Document 4 : Les cellules de mousses de Java placées à la lumière, en présence de dioxyde de carbone (document 2), observées au microscope électronique, présentent des organites, les chloroplastes, riches en grains d amidon. En absence de dioxyde de carbone, les chloroplastes ne présentent pas de grains d amidon. En présence de lumière, de chlorophylle et de dioxyde de carbone, la synthèse d amidon (matière organique) a lieu au niveau de l organite (le chloroplaste). Le document 1 permet de mettre en évidence la nécessité de lumière et de la chlorophylle pour la synthèse d amidon [(C 6 H 10 O 5 ) n, glucide polymère de glucose C 6 H 12 O 6 ]. Le document permet de mettre en évidence la nécessité du dioxyde de carbone pour la synthèse d amidon. Sachant que l eau est indispensable au développement des végétaux, on peut donc écrire à ce stade l équation de la photosynthèse : Chlorophylle 6CO2+ 6H2O C 6H Énergie solaire 12O6+ 6 O2 Activité 2 Rechercher les particularités de la feuille favorisant la photosynthèse Annotation du document 8a : Limbe Nervure principale Nervure secondaire Pétiole Feuille observée à l œil nu Corrigé des exercices séquence 2 SN03 31

Annotation du document 8b : Cellule épidermique Stomate ( 40) Observation microscopique d épiderme foliaire de polypode ( 40) Cellule épidermique Ostiole Deux cellules stomatiques Stomate ( 600) Observation microscopique d épiderme foliaire de polypode ( 400) 32 Corrigé des exercices séquence 2 SN03

Annotation du document 8c : Épiderme supérieur Cellule chlorophyllienne Parenchyme palissadique Parenchyme lacuneux Chambre sous-stomatique Ostiole Stomate Trajet du CO 2 Lumière Trajet du O 2 Schéma d interprétation d une coupe transversale de feuille Activité 3 La feuille : est riche en cellules chlorophylliennes, présente des stomates (structures permettant les échanges gazeux entre l atmosphère et les cellules), est plate et fine d environ 1 mm (la lumière peut donc facilement atteindre les cellules). parenchyme lacuneux qui augmente la surface d échange entre les cellules des feuilles et l air. Montrer que la photosynthèse correspond globalement à une réaction d oxydoréduction Le document 9b permet de découvrir l origine de l élément «oxygène» contenu dans le dioxygène rejeté. La proportion en 18 O (en %) des molécules de dioxygène produites est identique à la proportion en 18 O (en %) des molécules d eau. L élément «oxygène» du dioxygène produit provient de l eau. Les molécules d eau ont donc subi une oxydation. Le document 10 permet de connaître le devenir des éléments du dioxyde de carbone absorbé. Corrigé des exercices séquence 2 SN03 33

Le carbone et l oxygène du dioxyde de carbone absorbé (CO 2 ) sont retrouvés dans les molécules d amidon (C 6 H 10 O 5 )n. D après le document 11, le carbone du dioxyde de carbone passe d un nombre d oxydation de +4 à 0 dans les molécules de glucose. Le carbone a donc été réduit. L oxygène de l eau passe de 2 à 0 dans le dioxygène. L oxygène a été oxydé. Cette réaction est bien une réaction d oxydoréduction. Réduction du C (no : de +4 à 0) Chlorophylle 6CO2+ 6H2O C 6H Énergie solaire 12O6+ 6 O2 Oxydation de O (no : de 2 à 0) Activité 4 Caractériser la phase photochimique et chimique de la photosynthèse L oxydation de l élément oxygène de l eau provoque un dégagement de dioxygène. Le dégagement de dioxygène n a lieu qu à partir du moment où la lumière est allumée et où le réactif de Hill est rajouté. L oxydation n a lieu qu en présence de lumière et d un accepteur d électrons (un oxydant). Le milieu ne contenant pas de dioxyde de carbone, on peut conclure que le dioxyde de carbone n est pas indispensable à l oxydation de l élément oxygène de l eau. L oxydation de l oxygène de l eau et la réduction du carbone du dioxyde de carbone sont deux réactions distinctes. Entre T1 et T2, avec de la lumière, mais sans accepteur d électrons (réactif de Hill), il n y a pas de production de dioxygène. Par contre, en présence de lumière et d un accepteur d électrons, il y a production de dioxygène. 2 H 2 O O 2 + 4 H + + 4 e = oxydation de l oxygène de l eau Fe 3+ + 1 e Fe 2+ = réduction de l oxydant (réactif de Hill) Bilan de cette réaction d oxydoréduction : Réduction 3+ + 2+ 2H2O + 4Fe O2 + 4H + 4Fe Question 3 Oxydation L oxydation de l oxygène de l eau doit avoir lieu dans les thylakoïdes car, dans l expérience de Hill, les chloroplastes sont broyés, les thylakoïdes sont restés intacts. 34 Corrigé des exercices séquence 2 SN03

Question 4 Le document 13 correspond à des résultats d expériences permettant de suivre le devenir de l élément carbone du CO 2 et l élément oxygène de l eau. Expériences 1 et 2 : l élément «oxygène» du dioxygène provient de l oxydation de l eau en présence de lumière. Expériences 3 et 4 : l élément «carbone» du dioxyde de carbone absorbé se retrouve dans les molécules d amidon à la lumière. Sans lumière : pas de carbone radioactif dans l amidon. Par contre, si les cellules ont été préalablement placées à la lumière, l amidon présente du carbone radioactif. Cela montre que la phase photochimique (oxydation de l eau) précède la phase chimique où le dioxyde de carbone est absorbé et où le carbone du dioxyde de carbone est incorporé dans la matière organique produite. Document 14 : Aucune radioactivité des glucides n est mesurée si les thylakoïdes sont seuls en présence de lumière et de dioxyde de carbone. Cela signifie que l incorporation du dioxyde de carbone ne se fait pas au niveau des thylakoïdes. Une faible radioactivité est mesurée si le stroma est laissé à l obscurité en présence de dioxyde de carbone marqué. L incorporation du dioxyde de carbone a donc lieu dans le stroma. Les conditions de l expérience 2 ne semblent pas optimales au regard des résultats obtenus dans l expérience 3. Dans l expérience 3, le stroma est dans l obscurité en présence de dioxyde de carbone marqué mais, auparavant, les thylakoîdes ont été éclairés. Au final, il semble que la phase photochimique soit indispensable à l incorporation du dioxyde de carbone. La lumière n est pas directement indispensable à l incorporation du dioxyde de carbone. Bilan de l exploitation des résultats : Phase photochimique : produits formés : O 2 + un oxydant réduit (équivalent au réactif de Hill) ; lieu de réalisation : les thylakoïdes ; conditions indispensables à la réalisation : énergie lumineuse + présence d un oxydant (R) +eau. Phase chimique : produits formés : C 6 H 12 O 6 (glucose) ; lieu de réalisation : le stroma ; conditions indispensables à la réalisation : présence de dioxyde de carbone et des produits de la phase photochimique. Corrigé des exercices séquence 2 SN03 35

Question 5 Chloroplaste Cytosol Membrane thylakoïdienne Granum Thylakoïde Stroma Phase photochimique 2H 2 O O 2 6CO 2 Phase chimique C6 H 12 O 6 +6H 2 O H 2 O O 2 CO 2 C 6 H 12 O 6 H 2 O Activité 5 Rechercher le lien entre la phase photochimique et la phase chimique Cette molécule doit pouvoir accepter les électrons libérés par l oxydation de l eau. Elle est produite par les chloroplastes éclairés. 2 H 2 0 4 e + 4 H + + 0 2 2 R + 4 e + 4 H + 2 RH 2 2H2O+ 2R 2RH2 + O2 Question 3 Le transfert d électrons doit se faire dans le sens du potentiel redox le plus élevé vers le plus faible. Dans ce système biologique, ce transfert n est possible que si cette réaction est couplée avec une réaction qui libère de l énergie. On peut émettre l hypothèse suivante : la lumière est la source d énergie nécessaire à ce transfert d électrons. L énergie lumineuse est transformée en énergie utilisable par la cellule pour permettre l oxydation de l eau. Activité 6 Comprendre le rôle des pigments photosynthétiques Le solvant appelé aussi éluant permet la migration des différentes espèces déposées vers le bas de la bande de papier : plus l espèce est soluble et plus elle migre haut. La chlorophylle brute se compose de plusieurs pigments correspondant chacun à une espèce chimique. La chlorophylle brute se compose de quatre pigments : deux pigments verts : la chlorophylle a et la chlorophylle b ; deux pigments jaune-orangé : les xanthophylles et les caroténoïdes. 36 Corrigé des exercices séquence 2 SN03

Question 3 Question 4 Activité 7 QCM On observe des bandes sombres au niveau des radiations rouges et bleu-violet, la solution de chlorophylle brute a donc absorbé ces radiations. La solution de chlorophylle brute apparaît verte car elle absorbe toutes les radiations sauf les radiations vertes. Le spectromètre mesure le pourcentage d absorption des radiations en fonction de la longueur d onde pour une solution, ici la chlorophylle brute. On observe que les radiations situées autour de 450 nm (bleues) et 650/680 nm (rouges) sont fortement absorbées, contrairement aux radiations autour de 550 nm (vertes). Ces résultats confirment les observations faites au spectroscope. Le document 23 représente les pourcentages d absorption des radiations pour chaque pigment chlorophyllien. On observe que seules les chlorophylles a et b absorbent les radiations bleues et rouges. Les caroténoïdes et les xanthophylles absorbent les radiations bleues uniquement. Le document 24 montre que les bactéries avides de dioxygène se placent dans les zones proches de l algue verte pour les radiations autour de 450 nm et de 650 nm. Ces radiations sont les radiations absorbées par les pigments chlorophylliens ; elles correspondent aux zones où la production de dioxygène est la plus intense. On peut donc faire le lien entre l absorption de ces radiations et l intensité de la photosynthèse. Les pigments chlorophylliens peuvent être qualifiés de pigments photosynthétiques. Comprendre les mécanismes qui conduisent à la formation des composés réduits et d ATP au cours de la phase photochimique Les pigments photosynthétiques sont insérés : dans la membrane interne des chloroplastes. dans la membrane externe des chloroplastes. dans la membrane interne des thylakoïdes. La chlorophylle a : est excitée par les photons des radiations vertes, ce qui provoque une émission d électrons. est excitée par les photons des radiations bleues et rouges, ce qui provoque un gain d électrons. est excitée par les photons des radiations bleues et rouges, ce qui provoque une émission d électrons. Le centre réactionnel est composé : de la chlorophylle a. de la chlorophylle b. des caroténoïdes. des xanthophylles. Corrigé des exercices séquence 2 SN03 37

C est l oxydation de la chlorophylle a qui permet : l oxydation de l eau. l oxydation du dioxyde de carbone. la réduction de l eau. la réduction du dioxyde de carbone. La synthèse d ATP au niveau des ATPsynthases est possible car : il existe un gradient de protons entre le cytosol et le stroma. il existe un gradient de protons entre le cytosol et le lumen. il existe un gradient de protons entre le stroma et le lumen. Activité 8 Comprendre l ordre de formation des molécules organiques incorporant le CO 2 L observation du chromatogramme obtenu après une exposition au 14 C des chlorelles pendant 2 secondes permet d établir que la première molécule formée est un composé à 3 atomes de carbone, la molécule notée APG (la plus grosse tache). Il semble donc logique d envisager une molécule acceptrice de CO 2 formée de 2 atomes de carbone. Cependant, les autres chromatogrammes ne révèlent pas la présence de composés formés de 2 atomes de carbone. L observation du chromatogramme obtenu après une exposition au 14 C des chlorelles pendant 15 secondes permet d établir l apparition d une nouvelle molécule, C5P2 (molécules à 5 atomes de carbone) notée R sur le chromatogramme. L apparition de cette molécule est suivie de l apparition d une molécule à 6 atomes de carbone, la molécule notée HP sur le chromatogramme. On peut donc envisager les réactions suivantes : RuBP (C5P2) + CO 2 C6 (HP) 2 molécules en C3 (APG) Question 3 c. APG TP HP R Activité 9 Mettre en évidence un cycle de réactions L expérience 30a présente la radioactivité de l APG et du RuBP chez des chlorelles exposées à la lumière puis placées à l obscurité. À la lumière, la radioactivité totale de l APG et du RuBP est identique, ce qui signifie que nous avons autant d APG que de RuBP. À la suite du transfert à l obscurité, la radioactivité totale du RUBP diminue. Celui-ci est utilisé mais n est pas régénéré. À la suite du transfert à l obscurité, la radioactivité totale du composé APG augmente. Les molécules d APG s accumulent. Elles ne sont donc plus utilisées. L expérience 30b présente la radioactivité de l APG et du RuBP chez des chlorelles exposées à la lumière placées dans une atmosphère contenant du CO 2 (1 %) puis dépourvue de CO 2. En absence de CO 2, le RuBP s accumule, ce qui signifie qu il n est pas utilisé alors que l APG diminue, ce qui signifie qu il n est pas régénéré. 38 Corrigé des exercices séquence 2 SN03

Au vu de ces résultats, on peut réaliser une ébauche de cycle de réactions : RH 2 + ATP APG RuBP CO 2 Activité 10 Comprendre le cycle de Calvin et Benson Document 31 : Cycle de Calvin simplifié +3C 3 CO 2 3 composés en C6* 15C 3 RuBP (C5) 6 APG 18C 6 ATP 3 ADP 15C 3 ADP 5 trioses phosphate (C3P) 6 trioses phosphate (C3P) 6 ADP 6 trioses phosphate (C3P) 6 ATP 6 R 6 ADP 18C 18C 3C 1 triose phosphate (C3P) Gain net de la photosynthèse Glucose Amidon Atomes de phosphate Atomes de carbone Enzyme (rubisco) Corrigé des exercices séquence 2 SN03 39

Les 3 molécules de dioxyde de carbone incorporées à 3 molécules à 5 carbones (RuBP) sont à l origine de 6 molécules à 3 carbones (APG). Sur ces 6 molécules à 3 carbones : 5 serviront à régénérer les 3 molécules à 5 carbones (RuBP) ; 1 sera «éliminée» du circuit, elle servira à la synthèse de matière organique. Cette molécule éliminée du circuit est un triose phosphate (C3P). L incorporation du dioxyde de carbone a permis de produire ce triose phosphate : on peut considérer que cette molécule est un gain net de la photosynthèse. 40 Corrigé des exercices séquence 2 SN03

Corrigé des activités du chapitre 3 Activité 1 Rechercher les caractéristiques des deux types de métabolisme grâce à des expériences Les deux expériences consistent à mesurer la concentration de dioxygène et de dioxyde de carbone au sein de deux cultures de levures ayant été au préalable bien oxygénées de façon à épuiser leur réserves. Au cours de ces mesures, on ajoute une solution de glucose dans le bioréacteur. Celui-ci est hermétiquement fermé afin d éviter les échanges gazeux entre le milieu de culture et l atmosphère. Au niveau de la culture bien oxygénée du montage 1, après injection d un millilitre de solution glucosée, la concentration de dioxygène diminue et la concentration de dioxyde de carbone augmente. En présence de dioxygène dans le milieu, les levures absorbent du dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone. Ces échanges gazeux caractérisent le métabolisme de la respiration. Au niveau de la culture non oxygénée du montage 2, après injection d un millilitre de solution glucosée, la concentration en dioxygène diminue et devient nulle très rapidement. Au cours de ce bref moment, la concentration de dioxyde de carbone augmente légèrement. Puis, à partir du moment où il n y a plus de dioxygène dans le milieu, la concentration de dioxyde de carbone augmente rapidement. En absence de dioxygène, les levures rejettent du dioxyde de carbone. Ces échanges gazeux caractérisent le métabolisme de la fermentation. À T0 pour la suspension A : 18 levures par grand carré, il y a 9 grands carrés pour 1 µl, soit 18 9 = 162 levures pour 1 µl. Cette solution est diluée au centième, donc la solution mère est à 16 200 levures par µl, soit 1,62 10 10 levures par litre. Concentration de levures en nombre de levures par litre à T0 Concentration de levures en nombre de levures par litre à T0 + 48 h Métabolisme : «respiration» (suspension A) Métabolisme : «fermentation» (suspension B) 1,62 10 10 1,62 10 10 3,06 10 10 1,98 10 10 Corrigé des exercices séquence 2 SN03 41

Question 3 Question 4 Question 5 Question 6 Question 7 Question 8 Pour un métabolisme «respiration», la multiplication cellulaire est beaucoup plus importante que pour un métabolisme «fermentation». On pourrait émettre que la production d énergie est moindre en mode «fermentation» qu en mode «respiration». Au début de l expérience, on note une coloration mauve qui correspond à une forte concentration de glucose. Au bout de 48 h, la coloration est rose, ce qui correspond à une absence de glucose. Les levures consomment du glucose pour les deux types de métabolisme. Le tube contenant un extrait de la suspension A (respiration) reste orangé en présence de bichromate de potassium. Le tube contenant un extrait de la suspension B (fermentation) vire au vert en présence de bichromate de potassium. La suspension B contient de l alcool alors que la suspension A n en contient pas. Bilan : Respiration (milieu aérobie): Absorption de glucose et de dioxygène Rejet de dioxyde de carbone Augmentation importante de la population (beaucoup d énergie produite). Fermentation (milieu anaérobie) : Absorption de glucose Rejet de dioxyde de carbone, production d alcool Augmentation faible de la population (peu d énergie produite). Respiration (milieu aérobie) Glucose + O 2 CO 2 + beaucoup d énergie Fermentation (milieu anaérobie) : Glucose CO 2 + alcool + peu d énergie 42 Corrigé des exercices séquence 2 SN03

Activité 2 Rechercher les structures cellulaires liées au métabolisme respiratoire a Membrane externe Espace intermembranaire 1 2 Membrane interne 1 b ATPsynthase Crête mitochondriale Matrice 2 Schéma annoté d une mitochondrie (document 11) Membrane externe Membrane interne Espace intermembranaire Crête mitochondriale Ribosome Matrice Les deux levures présentent un noyau, des vacuoles, du réticulum endoplasmique. Par contre, seule la levure provenant du milieu oxygéné présente des mitochondries bien développées. La respiration et la présence de mitochondries sont liées. Le mode fermentation ne nécessite pas de mitochondries. De plus, la présence de nombreuses enzymes suggère l existence de réactions chimiques. L ATP est une molécule riche en énergie. Par contre, l absence de glucose pose problème car, au cours de la respiration, la cellule consomme du glucose (vu précédemment). Or on ne retrouve pas de glucose dans la mitochondrie qui serait l organite de la respiration! Corrigé des exercices séquence 2 SN03 43

Activité 3 Question 3 Question 4 Rechercher le devenir du glucose absorbé par la cellule L ajout du glucose ne provoque pas de variation de la concentration du dioxygène dans le milieu, les mitochondries ne respirent pas. L ajout de pyruvate provoque une diminution de la concentration de dioxygène dans le milieu, les mitochondries respirent. La cellule absorberait le glucose et le transformerait en pyruvate dans le cytosol. Seul le pyruvate serait absorbé par la mitochondrie. On observe qu au temps T1, le glucose extracellulaire pénètre dans la cellule. On retrouve le glucose au 14C radioactif dans le cytosol. Au temps T2, il n y a plus de glucose dans le cytosol, la radioactivité se retrouve dans les molécules de pyruvate. Le glucose a été transformé en pyruvate dans le cytosol. On retrouve progressivement le pyruvate dans la matrice mitochondriale. L hypothèse précédente est confirmée. Au temps T3 et T4, la radioactivité est retrouvée dans les molécules de dioxyde de carbone émises dans le milieu extérieur. glucose glucose Milieu extérieur CO 2 pyruvate pyruvate Cytosol Mitochondrie Matrice mitochondriale Activité 4 Identifier les conditions permettant la réoxydation des coenzymes et la synthèse d ATP Les sphères pédonculées pourraient être les ATPsynthases. R H 2 FMN QH 2 cyt 2+ cyta 3+ O 2 R FMNH 2 Q cytc 3+ cyta 2+ H 2 O Question 3 On cherche à montrer comment sont réoxydés les coenzymes R H2 produits pendant la glycolyse et l oxydation du pyruvate au cours du cycle de Krebs ainsi que l origine de l ATP produit. Le document 23 montre que, en présence de dioxygène, la réoxydation des coenzymes réduits peut avoir lieu sans les sphères. Par contre, il n y a pas dans ce cas de production d ATP. On peut en déduire que la réoxy- 44 Corrigé des exercices séquence 2 SN03

dation des coenzymes réduits a lieu au niveau de la membrane interne et que la production de l ATP a lieu au niveau des sphères pédonculées. La remarque permet de dire que la synthèse d ATP est liée à la réoxydation des coenzymes réduits. Le document 24 montre que, au niveau de la mitochondrie, la réoxydation des coenzymes réduits et la production d ATP sont liées à une modification du ph. Dans un premier temps, les mitochondries libèrent brusquement des protons dans le milieu, en présence de dioxygène. Ces protons retournent ensuite rapidement dans les mitochondries. On montre que, parallèlement, du dioxygène est consommé et des coenzymes réduits sont oxydés. Si, à la place des mitochondries, on utilise des particules submitochondriales, on observe au contraire une augmentation de ph puis une diminution. Ces données permettent de préciser les transports de protons. Quand la respiration est activée par la présence d un substrat à oxyder et de dioxygène, les protons sont d abord transférés de la matrice vers l espace intermembranaire puis le milieu d incubation. Dans un second temps, ils retournent dans la matrice. Au final, les coenzymes réduits vont être réoxydés grâce à une chaîne d oxydoréduction localisée dans la membrane interne de la mitochondrie. L accepteur final est le dioxygène et on note une formation de molécules d eau. Cette chaîne d oxydoréduction transfère des protons de la matrice vers l espace intermembranaire créant ainsi un gradient de ph. Les protons retourneront dans la matrice au niveau des ATPsynthases produisant de l ATP par phosphorylation de l ADP. MATRICE ADP+PI ATP R H 2 R O 2 H 2 O Membrane interne CI CII CIII CIV H + H + H + ESPACE INTERMEMBRANAIRE MEMBRANE EXTERNE Transporteurs d électrons et protons = chaîne respiratoire ATP synthase Trajet des électrons H 2 O O 2 Corrigé des exercices séquence 2 SN03 45

Activité 5 Calculer le rendement énergétique de la respiration et de la fermentation Lieu dans la cellule Cytosol Matrice mitochondriale Membrane interne mitochondriale Nom du phénomène s y déroulant Glycolyse : oxydation du glucose en pyruvate Cycle de Krebs : oxydation du pyruvate Réoxydation des composés R H 2 dans la chaîne respiratoire Quantité d ATP produite ATP total Quantité d ATP produite 2 2 2 Phase inexistante 32 Phase inexistante 36 ATP total 2 En présence de dioxygène, au cours de la respiration, 36 ATP sont synthétisés, ce qui correspond à une énergie de 36 30,5 = 1 098 kj. Une oxydation d une molécule de glucose libère 2 830 KJ. Le rendement de la respiration est donc de (1 098 100)/2 830 = 38,8 %. Cela signifie que 38,8 % de l énergie chimique disponible dans une molécule de glucose est convertie en ATP, molécule directement utilisable par la cellule pour ses activités. En absence de dioxygène, au cours de la fermentation alcoolique (par exemple), 2 ATP sont formés, ce qui correspond à une énergie de 2 30,5 = 61 kj. Le rendement de la fermentation à partir d une molécule de glucose est de (61 100)/2 830 = 2,15 %. Le rendement est très faible par rapport à celui de la respiration. Cette production d énergie permet à des cellules de vivre en absence de dioxygène. 46 Corrigé des exercices séquence 2 SN03

Corrigé des activités du chapitre 4 Activité 1 Découvrir l organisation structurale du muscle squelettique Le muscle est constitué de cellules allongées d une épaisseur d environ 20 µm. L aspect de ces cellules leur donne le nom de fibre. On peut dire que le muscle est constitué de fibres musculaires. Vaisseaux sanguins Faisceau de fibres Paroi conjonctive alternance de stries sombres et de stries claires Noyau Tendon Membrane cellulaire Le muscle La fibre musculaire Question 3 Schéma de l ultrastructure d une myofibrille Myofilament de myosine Bande claire Bande sombre Myofilament d actine Myofibrille Sarcomère Strie Z Corrigé des exercices séquence 2 SN03 47

Activité 2 Comparer une fibre musculaire au repos et une fibre musculaire contractée Question 3 1 : Bande sombre de largeur inchangée pendant la contraction 2 : Bande claire raccourcie pendant la contraction sarcomère raccourci Schéma d une myofibrille à l état contracté 48 Corrigé des exercices séquence 2 SN03

Question 4 Activité 3 Pour expliquer le raccourcissement du sarcomère, et donc de la fibre musculaire entière, on peut imaginer un glissement des molécules d actine par rapport aux molécules de myosine. Mettre en évidence l importance de l ATP et des ions calcium pour la contraction musculaire Bernard Weber décrit dans son livre Le père de nos pères la rigidité cadavérique correspondant à un état gestuel figé. Les myofilaments sont liés entre eux sans pouvoir se détacher car ce détachement demande de l énergie sous forme d ATP que l organisme ne peut plus produire par manque d apport de dioxygène (rappel du chapitre 3 sur la phosphorylation oxydative au niveau des mitochondries). Analyse et interprétation de l expérience 1 de l étude expérimentale : à t1 : l ajout d ATP sur des fibres musculaires isolées ne provoque pas de contraction, donc seul l ATP n est pas suffisant pour provoquer la contraction musculaire ; à t2, l ajout d ions calcium permet la contraction musculaire : les ions calcium sont indispensables à la contraction musculaire ; à t3, le fait d ajouter un fixateur des ions calcium (EDTA) provoque un arrêt de la contraction musculaire, ce qui confirme la nécessité des ions calcium pour la contraction musculaire. Analyse et interprétation de l expérience 2 de l étude expérimentale : à t1, l ajout d ions calcium sur des fibres musculaires isolées ne provoque pas de contraction, donc seuls les ions calcium ne sont pas suffisants pour provoquer la contraction musculaire ; à t2, l ajout d ATP provoque la contraction musculaire : l ATP et les ions calcium ensemble sont bien indispensables à la contraction musculaire ; à t3, le fait d éliminer l ATP provoque un non-relâchement des fibres musculaires, les fibres restent contractées. Cela montre que l ATP permet aux muscles de se relâcher, ce qui rejoint ce qui a été dit sur la rigidité cadavérique : le manque d ATP provoque un durcissement des muscles car ils restent contractés. L ATP et les ions calcium sont donc indispensables à la contraction musculaire. Corrigé des exercices séquence 2 SN03 49

Activité 4 Étape 1 : Fixation des ions calcium sur la troponine Étape 2 : démasquage du site de fixation de l actine sur la myosine Étape 3 : formation du complexe actine-myosine (fixation de la tête de myosine sur l actine ) Étape 4 : hydrolyse de l ATP en ADP + Pi Étape 5 : basculement de la tête de myosine Étape 6 : glissement de la myosine par rapport à l actine et raccourcissement du sarcomère Étape 7 : libération de la molécule d ADP et fixation d une nouvelle molécule d ATP sur la tête de myosine Étape 8 : suppression de la liaison actine-myosine relâchement (repos) Activité 5 Découvrir les aspects de la régénération de l ATP dans la cellule musculaire L étude de la composition chimique du muscle du document 13 montre que la quantité d ATP est stable avant et après la contraction : l ATP est donc régénéré très rapidement. Le document 14 permet de calculer la quantité d ATP et d énergie correspondante dans un kilogramme de muscle et chez un individu de 70 kg. ATP musculaire (en mmol) Quantité d énergie (en kj) Par kilo de muscle 3 à 5 0,126 à 0,21 Pour un individu de 70 kg, 30 kg de muscle 90 à 150 3,78 à 6,30 Par rapport aux valeurs de dépenses énergétiques pour quelques activités physiques données dans le document 15, on voit que les réserves en ATP sont largement insuffisantes pour exercer ces activités physiques pendant un certain temps. 50 Corrigé des exercices séquence 2 SN03

Exemple de la course à pied à 15 km.h 1 : Cet exercice demande 1 190 J.sec 1 soit 1,19 kj.sec 1, les 30 kg de muscles d un homme de 70 kg contiennent 3,78 à 6,30 kj. Si cet ATP est la seule source d énergie, il serait donc possible de pratiquer cette activité uniquement pendant : 3,78/1,19 = 3,17 secondes à 6,30/1,19 = 5,3 secondes Exemple de la course à pied à 36 km.h 1 : il serait donc possible de pratiquer cette activité uniquement pendant : 3,78/13 = 0,29 seconde à 6,30/13 = 0,48 seconde Exemple de la course à vélo à 50 km.h 1 : il serait donc possible de pratiquer cette activité uniquement pendant : 3,78/2,09 = 1,80 seconde à 6,30/2,09 = 3,01 secondes La pratique de ces activités peut se faire sur un temps beaucoup plus long. Cela prouve que l ATP doit être régénéré au fur et à mesure de sa consommation. On observe que la quantité de glycogène baisse après la contraction (document 13). On peut émettre une hypothèse : la régénération de l ATP se ferait à partir du glycogène. (On sait que le glycogène est source de glucose par glycogénolyse voir chapitre «Régulation de la glycémie» et que le glucose est source d ATP phénomène de la respiration et de la fermentation vus précédemment.) Cette hypothèse est confirmée par les mesures présentées dans le document 16 où on observe que la consommation de glucose est fortement augmentée au cours d un effort prolongé. Dans cette étude, deux sources possibles de régénération sont suggérées : glycogénolyse glucose respiration ou fermentation ATP glucose sanguin respiration ou fermentation ATP Activité 6 Rechercher les différentes voies métaboliques productrices d ATP Dans l activité 5, deux sources possibles le glycogène musculaire et le glucose sanguin peuvent être à l origine de la régénération de l ATP. Les voies métaboliques aboutissant à la production d ATP ne sont pas établies. Le document 17 suggère l existence d un complément alimentaire appelé la «créatine» comme étant une source d énergie musculaire lorsqu elle est à l état phosphorylé. Le document 18 mesure, grâce à la technique de résonnance magnétique nucléaire, le taux de composés phosphorylés présents dans le muscle au cours d un effort de 8 minutes. On observe qu au cours de l effort la quantité d ATP est constante (les trois pics d ATP ont la même amplitude au cours de l effort). On observe un taux important de phosphocréatine (créatine phosphorylée) au début de l effort, ce taux diminue rapidement. Parallèlement, le taux de phosphate inorganique, faible au départ, augmente au cours de l effort. Corrigé des exercices séquence 2 SN03 51

On peut supposer que l hydrolyse de la phosphocréatine est une source d énergie pour la production d ATP. Le document 19 résume les ressources énergétiques du muscle durant un exercice. Dans l ordre globalement chronologique, l énergie nécessaire provient de : l hydrolyse de l ATP existant dans le muscle (la réserve est faible et donc rapidement épuisée ; l hydrolyse de la phosphocréatine, molécule énergétique présente dans le muscle en faible quantité mais permettant de produire rapidement de l ATP, et donc un effort intense de courte durée. (On comprend à présent pourquoi le supplément alimentaire «créatine» est source d énergie pour les efforts intenses.) C est la filière anaérobie alactique ; la filière anaérobie lactique où, par glycolyse et fermentation, la production d ATP est possible ; la filière aérobie où, par glycolyse et respiration, la production d ATP est possible. Les documents 20, 21 et 22 présentent les deux types de fibres musculaires et leurs caractéristiques. Les fibres de type I sont riches en mitochondries, en myoglobine et sont bien irriguées. Au cours de l effort, les fibres musculaires de type I réalisent les réactions chimiques de la respiration grâce à leurs mitochondries. Une oxydation totale du glucose peut ainsi avoir lieu. Elle est génératrice d une grande quantité d ATP, dont le nombre de molécules reste stable au cours d un effort prolongé. Les fibres de type II sont beaucoup moins bien équipées que les fibres de type I pour réaliser de façon rapide et intense la synthèse de nouvelles molécules d ATP au fur et à mesure de la contraction. Peu irriguées et pauvres en myoglobine, elles manquent rapidement d oxygène. Elles fonctionnent alors selon un mode fermentaire (oxydation incomplète du glucose), beaucoup moins rentable en d ATP, dont elles se trouvent rapidement démunies. Elles ne peuvent pas faire face à une contraction intense et prolongée. Les fibres de type II n ayant pas les mêmes performances métaboliques que les fibres de type I, elles ne sont pas en mesure d assurer les mêmes performances mécaniques. Au final, pour se contracter, le muscle utilise tout d abord la faible réserve d ATP présente dans le cytosol. Ensuite, trois voies métaboliques de régénération sont possibles, pour lesquelles on peut résumer les caractéristiques dans un tableau. 52 Corrigé des exercices séquence 2 SN03

Filière anaérobie alactique Filière anaérobie lactique Filière aérobie Substrat utilisé : la phosphocréatine présente dans le cytosol Mobilisation très rapide de l énergie Production d énergie peu durable (quelques secondes) Toutes les fibres musculaires Effort intense de courte durée Substrat utilisé : le glycogène présent dans la cellule et le glucose sanguin Mobilisation plus lente de l énergie Production d énergie plus durable (quelques minutes) Fibres de type II Effort intense de durée plus importante Substrat utilisé : le glycogène présent dans la cellule et le glucose sanguin + dioxygène Mobilisation lente de l énergie Fibres de type I Production d énergie durable (quelques minutes à plusieurs heures) Effort intense sur une longue durée Corrigé des exercices séquence 2 SN03 53

Corrigé des exercices d apprentissage du chapitre 2 Exercice 1 Voir question 2, activité 1. Grain d amidon Membrane externe Membrane interne Thylakoïde Granum Stroma Globule lipidique Espace intermembranaire Question 3 Voir question 5, activité 4. Voir document 32 du cours «Les deux phases de la photosynthèse sont couplées». Exercice 2 Question 3 Question 4 Question 5 Les pigments chlorophylliens sont localisés dans la membrane des thylakoïdes. Les pigments chlorophylliens captent l énergie des radiations lumineuses. Cette énergie permet la réalisation de réactions d oxydoréduction où l eau est oxydée en dioxygène et des composés oxydés R sont réduits en RH 2. Il en résulte un gradient de protons à l origine de la phosphorylation de l ADP et donc de la production d ATP. La réaction de Hill permet de montrer que, en l absence de CO 2, mais en présence d un accepteur d électrons (le réactif de Hill) et de lumière, il y a production de dioxygène. L oxydation de l eau est bien dissociée de la réduction du CO 2. On peut montrer que la phase photochimique est indispensable de la phase chimique en réalisant les expériences d Arnon (voir activité 4, question 4). Pour un triose phosphate : Bilan matériel : 3 CO 2 + 6 H 2 O C 3 H 6 O 3 + 3 O 2 + 3 H 2 O Bilan énergétique : 24 photons ( 6 RH 2 + 9 ATP) 54 Corrigé des exercices séquence 2 SN03

Exercice 3 On cherche à établir les relations existant entre le mécanisme de conversion d énergie lumineuse et l incorporation du dioxyde de carbone dans la matière organique. Document 1 : Ce document représente la quantité d ATP produit par des chloroplastes en fonction de la présence de lumière ou non et en fonction de la présence ou non d ADP et de phosphate (Pi). On observe qu à l obscurité et sans ajout d ADP et de Pi, il n y a pas de production d ATP. Le fait d allumer la lumière provoque une très légère augmentation de la production d ATP. Cette augmentation n est pas vraiment significative. L ajout d ADP et de Pi en présence de lumière provoque une augmentation significative de la production d ATP. Le retour à l obscurité provoque un arrêt de la production d ATP. On peut en conclure que l énergie lumineuse est transformée en énergie chimique sous forme d ATP s il y a présence d ADP et de Pi au niveau de chloroplastes entiers et fonctionnels. Document 2 : Il n y a production de dioxygène qu à partir du moment où les chloroplastes sont à la lumière et en présence du réactif de Hill, puissant oxydant. Le dioxyde de carbone n est pas indispensable à la production de dioxygène. Document 3 : La partie X correspond au stroma. La partie Y correspond aux thylakoïdes du chloroplaste. Cette expérience correspond à l expérience d Arnon : voir correction activité 4, question 4. Bilan et mise en relation des documents : L énergie lumineuse est transformée en énergie chimique sous forme d ATP par les chloroplastes. En présence de lumière et d un oxydant, il y a oxydation de l eau. Ces deux premiers documents mettent en évidence la phase photochimique de la photosynthèse qui peut être résumée par l équation : Lumière + H 2 O + ADP + Pi + R O 2 + ATP + RH 2 L expérience d Arnon montre que l incorporation du dioxyde de carbone a lieu dans le stroma en présence uniquement d ATP (molécule produite grâce à la lumière) et d un composé réduit (RH 2 ). C est la phase chimique qui peut être résumée par l équation : CO 2 + ATP + RH 2 triose phosphate + ADP + Pi + R Exercice 4 Les pigments de l algue absorbent 80 % des longueurs d onde comprises entre 400 et 650 nm. Entre 600 et 620 nm, l absorption est un peu plus faible (de l ordre de 60 %). Au-delà de 650 nm, l absorption est très faible. En comparant le spectre d absorption et l intensité de la photosynthèse (spectre d action), on observe que les longueurs d onde actives pour la photosynthèse sont comprises entre 500 et 600 nm. Corrigé des exercices séquence 2 SN03 55

Seules les longueurs d onde moyennes (environ 560 nm) atteignent des profondeurs de plusieurs mètres. Les pigments extraits des chloroplastes des Porphyra ont la particularité de capter ces longueurs d onde, ce qui donne la possibilité à ces algues de se développer assez profondément dans la mer. (C est une adaptation aux profondeurs permettant de coloniser un milieu qui ne serait pas colonisé par des végétaux chlorophylliens ayant des pigments photosynthétiques sensibles aux longueurs d onde autour de 450 et 650 nm.) 56 Corrigé des exercices séquence 2 SN03

Corrigé des exercices d apprentissage du chapitre 3 Exercice 1 Membrane cellulaire Cytosol Glucose Glycolyse R R H 2 ADP+Pi ATP Mitochondrie Membrane externe Matrice Membrane interne Pyruvate Pyruvate O 2 R CO 2 Krebs R H 2 ADP+Pi ATP Phosphorylation oxydative ATP ADP+Pi H 2 O Exercice 2 Les résultats : À l obscurité, la concentration de dioxygène du milieu diminue aussi bien pour 16 O 2 que pour 18 O 2. À la lumière, la concentration de dioxygène 18 O 2 diminue alors que la concentration de dioxygène 16 O 2 augmente. À l obscurité, les chlorelles absorbent autant de dioxygène 16 O 2 que de 18 O 2. Leur concentration respective diminue de la même façon. À la lumière, les chlorelles respirent et font leur photosynthèse. Elles absorbent autant de 16 O 2 que de 18 O 2 mais la photosynthèse provoque un rejet très important de dioxygène. Le dioxygène rejeté par photosynthèse provient de l eau absorbée et l eau du milieu est H 2 16 O. L augmentation de la concentration de 16 O 2 est due à la photosynthèse. On notera que la plante absorbe très peu de 16 O 2 pour sa respiration par rapport à la quantité de 16 O 2 qu elle va rejeter par photosynthèse. La Corrigé des exercices séquence 2 SN03 57

concentration mesurée est le bilan entre une absorption de 16 O 2 faible et un fort rejet de 16 O 2. Exercice 3 Exercice 4 Document 1 : Les deux cultures réalisées dans la même boîte de Pétri et dans les mêmes conditions montrent la taille des colonies. C est une référence. Document 2 : Les levures G présentent de nombreuses mitochondries bien développées (avec crêtes mitochondriales). Les levures P présentent très peu de mitochondries sans crête mitochondriale. On peut déjà supposer que les levures G sont capables de respirer car elles possèdent des mitochondries avec crêtes mitochondriales, ce qui n est pas le cas des levures P dont les mitochondries sont très peu développées. Document 3 : Le triphényl-tétralozium prend le rôle du dioxygène et devient rouge lorsqu il est réduit. Les colonies G en présence de triphényl-tétralozium deviennent rouges, elles ont réduit cette substance à la place du dioxygène. Elles ont respiré et produit une grande quantité d ATP, d où une multiplication importante des cellules, d où la taille des colonies. Les colonies P n ont pas utilisé le triphényl-tétralozium à la place du dioxygène parce qu elles n ont pas la capacité de respirer, leur mitochondries ne sont pas développées. Ces levures vont fermenter, produire peu d énergie et donc peu se multiplier. Les colonies sont de petite taille. La diminution de la concentration de dioxygène en t1 est due : à l absence de glucose. à l absence de dioxygène. l épuisement du glucose par les mitochondries. à l épuisement du pyruvate dans les mitochondries. Les mitochondries ne consomment pas de glucose (la présence ou l absence de glucose ne modifie pas le métabolisme de la mitochondrie) ; il y a du dioxygène dans la solution. La stabilisation de la concentration de dioxygène entre t1 et t2 montre que : les mitochondries sont mortes. les mitochondries ne respirent plus. la glycolyse est arrêtée par inhibition de certaines enzymes cytoplasmiques. la glycolyse est possible par stimulation de certaines enzymes cytoplasmiques. Les mitochondries ne sont pas mortes car, en t3, elles consomment de nouveau du dioxygène ; la glycolyse n a pas lieu dans la mitochondrie. 58 Corrigé des exercices séquence 2 SN03

L ajout du pyruvate en t3 provoque une diminution de la concentration de dioxygène car : le pyruvate absorbe le dioxygène. le pyruvate est transformé en éthanol en présence de dioxygène. le dioxygène provoque une oxydation du pyruvate dans la matrice mitochondriale. le pyruvate est utilisé par les mitochondries pour produire de l ATP en présence de dioxygène. Une molécule «n absorbe pas» une autre molécule : mauvais vocabulaire. Au mieux, une molécule réagit avec une autre au cours d une réaction chimique. En présence de dioxygène, le pyruvate est entièrement déshydrogéné et décarboxylé. Le dioxygène est l accepteur final de la chaîne d oxydoréduction de la chaîne respiratoire. En t4 et t5, l ajout d adénosine diphosphate et de phosphate inorganique provoque une diminution de la concentration en dioxygène car : la respiration mitochondriale est un ensemble de réactions d oxydoréduction où la phosphorylation de l ADP est couplée avec l oxydation du dioxygène. la respiration mitochondriale est un ensemble de réactions d oxydoréduction où la phosphorylation de l ATP est couplée avec la réduction du dioxygène. la respiration mitochondriale est un ensemble de réactions d oxydoréduction où la phosphorylation de l ADP est couplée avec la réduction du dioxygène donnant des molécules dioxyde de carbone. la respiration mitochondriale est un ensemble de réactions d oxydoréduction où la phosphorylation de l ADP est couplée avec la réduction du dioxygène donnant des molécules d eau. Une oxydation est une déshydrogénation : le dioxygène ne peut pas être déshydrogéné. La réduction du dioxygène aboutit à la formation de l eau et non du CO 2. Le CO 2 est produit au niveau du cycle de Krebs. En observant la variation de la concentration de dioxygène après ajout de cyanure, on peut déduire que le cyanure : bloque la respiration mitochondriale car la concentration de dioxygène dans le milieu est stable. stimule la respiration mitochondriale car la concentration de dioxygène dans le milieu est stable. Le cyanure bloque la respiration car, en t6, après l ajout de cyanure, la consommation de dioxygène est stoppée. Corrigé des exercices séquence 2 SN03 59

Corrigé des exercices du chapitre 4 Exercice 1 Questions 1 et 2 Sarcomère Bande claire Bande sombre Strie Z Myofilament d actine Myofilament de myosine Myofibrille Myofilament d actine Myofilament de myosine Disposition 1: Uniquement des filaments d actine Disposition 2: Filaments d actine et de myosine Disposition 3: Uniquement des filaments de myosine Exercice 2 Grâce aux documents proposés, on cherche à expliquer le rôle des sphères pédonculées mitochondriales et à proposer une hypothèse sur l origine de la fatigue liée à la prise d antibiotiques. Document 1 À t = 0, sans ATP, la contraction musculaire est : maximale. croissante. décroissante. nulle. 60 Corrigé des exercices séquence 2 SN03

L ajout de l ATP à t1 permet : un arrêt de la contraction musculaire. une contraction musculaire. un affaiblissement de la contraction musculaire. L addition d une substance inhibant l hydrolyse de l ATP : provoque un arrêt de la contraction musculaire. permet d augmenter la contraction musculaire. stabilise la tension de la myofibrille. L ATP : est toxique pour la contraction musculaire. n est pas indispensable pour la contraction musculaire. est nécessaire pour la contraction musculaire. Document 2 La concentration d ATP et la quantité d énergie correspondantes sont : trop faibles dans la cellule et ne permettent pas la réalisation de l exercice physique. suffisantes dans la cellule et permettent la réalisation de l exercice physique. trop importantes pour permettre la réalisation de l exercice physique. Le stock d ATP dans la cellule musculaire est : important et renouvelé quand la cellule est au repos. juste suffisant pour l exercice demandé. faible et doit être renouvelé en permanence au cours de l effort. Document 3 La production d ATP est réalisée : au niveau des particules submitochondriales sans sphères et en absence de composés réduits R H2. au niveau des particules submitochondriales sans sphères et en présence de composés réduits R H2. au niveau des sphères mitochondriales en présence de composés réduits R H2. Exercice 3 Le document 1 donne des informations sur la présence des mitochondries dans la cellule musculaire. La présence de mitochondries dans les cellules musculaires indique que, que ce soit chez un individu entraîné ou non, la production d ATP est possible par respiration mitochondriale. On notera que la proportion de mitochondries et leur activité enzymatique sont plus importantes chez des individus entraînés. Cela suppose que la respiration mitochondriale sera facilitée chez des individus entraînés. Le document 2 propose les modifications des paramètres sanguins de part et d autre d un muscle. On observe une consommation de dioxygène et de glucose, une production de dioxyde de carbone et d acide lactique. Corrigé des exercices séquence 2 SN03 61

Ces observations confirment la possibilité de production d ATP grâce à la respiration mitochondriale évoquée précédemment. La production d acide lactique est une fermentation, autre possibilité pour le muscle de produire de l énergie quand la demande en ATP est importante et la ressource en dioxygène trop faible. Le document 3 indique la production d acide lactique et la consommation de dioxygène chez un individu non entraîné et chez un individu entraîné pour un exercice de puissance donnée. On observe que, pour un exercice de puissance donnée, chez un individu entraîné, la consommation de dioxygène est bien plus importante que chez un individu non entraîné. On observe également que la production d acide lactique chez un individu entraîné est très inférieure à celle d un individu non entraîné. On peut en déduire que l entraînement améliore nettement la capacité de l organisme à absorber le dioxygène, ce qui permet aux muscles de produire l énergie nécessaire par respiration plutôt que par fermentation. Bilan : Ces trois documents ont permis de découvrir que la production d ATP par la cellule musculaire est possible par deux voies métaboliques : La respiration mitochondriale. La fermentation lactique. L entraînement permet : d augmenter la proportion de mitochondries cellulaire ; d augmenter la consommation de dioxygène au cours de l effort. L entraînement favorise donc la respiration (productrice de beaucoup plus d ATP) à la fermentation (productrice de peu d ATP). Exercice 4 La quantité d ATP reste constante au cours de l effort (trois pics d amplitude identique), la quantité de phosphocréatine diminue : on peut donc conclure que la phosphocréatine est à l origine de la régénération de l ATP consommé par le muscle au cours de l effort. phosphocréatine ADP créatine ATP régénéré Au cours de la récupération, la quantité d ATP reste aussi constante, la contraction musculaire a cessé. Par contre, la quantité de phosphocréatine augmente et la quantité de phosphate inorganique diminue. La réserve de phosphocréatine est régénérée à partir du phosphate inorganique et de la créatine. phosphocréatine créatine + Pi 62 Corrigé des exercices séquence 2 SN03

Séquence 3 Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir Corrigé des exercices séquence 3 SN03 63

C orrigé du chapitre Prérequis Exercice 1 Questions 1 et 2 La situation de la Terre dans le système solaire Document 1 : Tableau présentant quelques caractéristiques des planètes du système solaire Mercure Vénus Terre Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune Distance au Soleil en U.A. 0,4 0,7 1 1,5 5,2 9,5 19,6 30 Distance au Soleil en km 60.10 6 105.10 6 150.10 6 225.10 6 780.10 6 1425.10 6 2940.10 6 4500.10 6 Masse / à la Terre 0,055 0.815 1 0,107 318 95 14 17 Densité 5,4 5,2 5,5 3,93 1,33 0,7 1,27 1,65 Présence d une non oui oui ténue oui oui oui oui atmosphère Présence de vie non non oui non non non non Densité 6 Mercure 5 4 3 2 1 0 0 La Terre Vénus Mars Jupiter Uranus Neptune Saturne 5 10 15 20 25 30 35 Distance au soleil en U.A. Le premier groupe est constitué des planètes ayant une densité élevée, c est-à-dire supérieure à 3,9 et proches du Soleil. On y trouve donc Mercure, Vénus, la Terre et Mars. Ce sont des planètes appelées planètes telluriques. Le second groupe contient les planètes dont la densité est inférieure à 2 et plutot éloignées du Soleil. Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune constituent ce groupe. On les appelle les planètes géantes gazeuses. Corrigé des exercices séquence 3 SN03 65

Question 3 La Terre est située à une unité astronomique du Soleil, ce qui la place dans une zone, appelée zone habitable, où la température est compatible avec la vie. De plus, la présence d une atmosphère, explicable par la masse importante de la planète qui permet de retenir les gaz, rend également possible la présence d eau liquide indispensable à l apparition de la vie. La convergence de ces facteurs est sans doute à l origine de la présence de la vie sur Terre. Remarque : Mars possède également ces facteurs mais dans les limites extrêmes. La vie est peut-être présente ou a été présente et les recherches d indices de vie actuelle ou passée restent encore aujourd hui d actualité. Exercice 2 La structure interne de notre planète Pour plus de clarté, il faut nommer les points remarquables de l exercice, ainsi A correspondra à la station de tir, B à la station de réception, C au point de réflexion de l onde réfléchie sur le Moho et D au point équidistant de A et B situé à la verticale de C. Station de tir A Station d enregistrement des ondes sismiques B D SOL C MOHO On cherche donc ici la distance CD qui correspond à la profondeur du Moho de la région. Notre réflexion doit s inscrire dans le triangle rectangle ADC. On connaît la mesure de AD puisque D est équidistant de A et B et que AB mesure 10 km. Donc AD mesure 5 km. Il faut établir la mesure de AC. On sait que l onde, en parcourant le trajet A-C-B, a mis 13,15 secondes. Si nous connaissons la vitesse de cette onde, on pourra définir la distance de ce trajet. Cette vitesse peut être calculée grâce à l onde directe qui circule dans le même milieu homogène en utilisant la formule énoncée. Vitesse (km.s 1 ) = Distance (km) / Temps (s) = 10 / 1.85 = 5,4 La vitesse de propagation de l onde sismique dans ce milieu = 5,4 km.s 1. 66 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

Question 3 Connaissant maintenant cette vitesse, on peut calculer la distance du trajet A C B. Distance (km) = Vitesse (km.s 1 ) Temps (s) = 5.4 13,15 = 71 La distance du trajet A C B est donc de 71 km. C étant équidistant de A et de B, on peut établir la distance AC qui est donc de 35,5 km. On peut alors calculer, grâce au théorème de Pythagore, la distance CD. AC 2 = CD 2 + AC 2 35.5² = 5² + CD² d où CD² = 1260,25 25 = 1235,25 et CD = 1235,25 = 35,14 Dans cette région, le Moho s établit à environ 35 km de profondeur. Rappelons que la profondeur moyenne à laquelle on trouve le Moho habituellement est de 30 km. On constate que la différence entre les distances AC et CD n est que de 500 m. Sur le schéma, cette différence semble plus importante, on peut donc dire que le schéma n est pas à l échelle et que, même s il facilite notre compréhension, il ne reflète pas exactement la vérité. Il faudrait le refaire à l échelle pour qu il soit véritablement authentique. Croûte océanique Croûte continentale Asthénosphère Discontinuité du Moho Lithosphère Manteau Discontinuité du Gutenberg Discontinuité du Lehman Corrigé des exercices séquence 3 SN03 67

Exercice 3 Question 3 Le déplacement des plaques lithosphériques On se sert de nouveau de la formule V = D / T mais les unités ne sont pas les mêmes puisque la vitesse s exprime en cm.an 1 pour le déplacement des plaques lithosphériques d où Vitesse (cm.an 1 ) = Distance (cm) / Temps (an). Grace à l échelle présente sur le document, on peut trouver une distance de 3 000 km entre le volcan Hawaii actif actuellement et le Kinmel âgé de 42 Ma. Vitesse = 300.10 6 / 42.10 6 = 7,14 La vitesse moyenne de déplacement de la plaque pacifique sur les derniers 42 Ma est de 7,14 cm.an 1. On voit sur le document qu il existe dans cet alignement volcanique une cassure angulaire entre l alignement des monts de l Empereur et l alignement d Hawaii. Cet angle est la marque d un changement de direction dans le mouvement de la plaque pacifique. De 70 Ma à 42 Ma, le déplacement de cette plaque avait un mouvement de déplacement allant globalement vers le Nord. Depuis 42 Ma, cette plaque se déplace vers le ONO (Ouest-Nord-Ouest). L utilisation des anomalies magnétiques : en connaissant l âge des inversions magnétiques et leur distance par rapport à la dorsale, on peut calculer cette vitesse de déplacement. L utilisation des premiers sédiments en contact avec les basaltes de la croûte océanique permet de connaître l âge de formation des basaltes. En mesurant la distance entre le lieu de carottage et la dorsale, on peut ensuite calculer la vitesse de déplacement de la plaque. Les données GPS (Global Positioning System) permettent de connaître en temps réel la position de balises placées partout sur le globe. Ainsi, on peut aisément calculer la vitesse de déplacement. Exercice 4 Production primaire et énergie fossile Pour former des hydrocarbures, il faut préalablement qu une partie de la biomasse échappe à la décomposition grâce à un enfouissement rapide. Au cours de cet enfouissement, la température croît petit à petit et permet la maturation des hydrocarbures par enrichissement en carbone et en hydrogène. Entre 2 et 3 km de profondeur correspondant à des températures comprises entre 60 et 90 C. Une zone particulière appelée fenêtre à huile marque l endroit où a lieu la genèse du pétrole. Pour former le gaz, les conditions sont moins particulières. Le phénomène permettant de faire entrer de la matière organique dans la biosphère est la photosynthèse. Ce phénomène réalisé par les organismes chlorophylliens permet, à partir d eau et de dioxyde de carbone, de former du glucose et du dioxygène en présence de lumière et de sels minéraux. Lumière 6 CO 2 + 12 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 6 H 2 O Sels minéraux 68 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

Exercice 5 Le cycle de l eau Les phénomènes présentés sur ce schéma sont : A : Évaporation B : Précipitation C : Évapotranspiration D : Ruissellement E : Infiltration et Résurgence. Document : Schéma du cycle de l eau B Atmosphère A B C Biosphère Hydrosphère D LIthosphère E Question 3 Question 4 Le moteur principal du cycle de l eau est l énergie solaire qui permet l évaporation et enclenche donc le cycle. L énergie que l on tire du cycle de l eau est l énergie hydroélectrique. Cette énergie est généralement récupérée par des barrages qui retiennent l eau. La libération de cette eau à l intérieur de turbines permet de générer de l électricité. Les autres énergies renouvelables sont issues de l énergie solaire que l on peut récupérer par l utilisation de panneaux photovoltaïques qui transforment directement l énergie solaire en courant électrique, et l énergie éolienne qui permet de transformer l énergie du vent en énergie utilisable par l Homme. L utilisation de la force des marées est aussi une énergie renouvelable dans les zones du globe à fort marnage. Leur principal intérêt est leur absence d émission de gaz à effet de serre tel que le CO 2. Ainsi, les rejets anthropiques sont limités par le dévelop- Corrigé des exercices séquence 3 SN03 69

pement de ces énergies et l impact possible sur le réchauffement climatique se réduit. La protection de l environnement est aussi à prendre en compte. En effet, l extraction des énergies fossiles peut engendrer des transformations environnementales importantes et néfastes. C est le cas au Canada avec l exploitation des sables bitumineux mais également sur les côtes du monde entier lors des échouages des bateaux transportant du pétrole ou des résidus de fabrications. Exercice 6 La répartition mondiale des climats Proche de l équateur Zone tempérée Proche du Pôle Nord Question 3 Si la section des rayons à l origine de ces taches lumineuses est identique, la quantité d énergie qu ils transportent est la même. On peut donc affirmer qu à proximité de l équateur l énergie reste concentrée sur une petite surface, donc les températures seront élevées. Dans les zones tempérées, l énergie se répartit sur une surface un peu plus grande, donc les températures seront moins élevées. Enfin, au niveau du pôle Nord, l énergie se répartit sur une très grande surface, d où des températures plus faibles. Grâce à ces informations, on peut voir que la répartition des climats est latitudinale. Légende : Climats polaires Climats tempérés Climats équatoriaux et tropicaux Les climats polaires sont caractérisés par des températures très froides où, même durant le mois le plus chaud de l année, la température ne dépasse pas les 10 C. 70 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

Les climats tempérés sont situés entre 30 et 50 de latitude, ils présentent des températures modérées et des précipitations plus ou moins importantes. Le climat tropical est un climat non aride où la moyenne des températures d un mois ne descend pas sous les 18 C. Il peut présenter des saisons sèches et humides. Le climat équatorial ne présente qu une saison avec de fortes précipitations et dont la moyenne des températures se situe autour de 26 C. Exercice 7 Expérience de formation d une roche sédimentaire On observe des cristaux de sels sur la paroi et au fond du verre. La solution est au départ saturée en sel. Quand l eau s échauffe, elle commence à s évaporer et l eau qui reste sous forme liquide ne peut contenir le sel qui était dissous dans l eau qui s est évaporée. Ce sel en excès cristallise donc, donnant ainsi naissance au sel gemme qui est une roche sédimentaire. Ces roches sédimentaires qui se forment après évaporation et saturation des eaux, entraînant la cristallisation des éléments préalablement dissous, sont appelées les évaporites. Dans notre expérience, nous avons formé du sel gemme ou halite mais d autres évaporites existent comme le gypse (CaCO 3 ) et la potasse (KOH). Corrigé des exercices séquence 3 SN03 71

Correction des activités du chapitre 2 Activité 1 Question 3 Montrer que la structure la Terre est issue d une accrétion météoritique et d une différenciation secondaire La première atmosphère de la Terre, appelée atmosphère primordiale, était constituée des gaz les plus présents dans le système solaire, à savoir l hydrogène et l hélium : H et He. Cette atmosphère primordiale a été très rapidement chassée par les vents solaires très chauds et très rapides qui soufflaient au voisinage du Soleil. Il n en reste aucune trace aujourd hui, son existence reste donc à l état de forte probabilité. Lorsque l on s intéresse à la formation de la Terre, on constate que notre planète a été constituée à partir de l accumulation de météorites chondritiques. Ainsi, même si la Terre a subi une différenciation secondaire, sa composition chimique globale est bien identique à la composition des météorites chondritiques. Après la période d accrétion homogène, la Terre a été une boule de magma en fusion. Cet état a permis aux différents éléments chimiques de migrer dans le globe terrestre selon leur densité. Il en résulte la structure que l on connaît : une croûte terrestre riche en silicates, un manteau riche en olivines et pyroxènes et un noyau constitué de fer et de nickel. Activité 2 Montrer que la naissance de l atmosphère primitive est issue du dégazage des enveloppes internes de la planète L atmosphère primitive semble s être constituée à partir du dégazage du manteau par volcanisme. On peut encore observer ce dégazage aujourd hui en suivant la concentration de gaz rares dans notre atmosphère : l hélium que l on trouve en forte quantité au niveau du volcanisme des dorsales diffuse rapidement vers l atmosphère et la quitte rapidement du fait de sa trop faible densité. Lorsque le gaz dégagé a une densité suffisante, il reste dans l environnement proche de la planète et constitue son atmosphère. Lorsque l on s intéresse à la composition des gaz volcaniques qui sont à l origine de l atmosphère primitive, on constate qu ils possèdent une forte quantité de H 2 O, du CO 2 et du N 2 en quantité moindre. On peut donc penser que l atmosphère primitive avait également cette composition chimique. On doit donc pouvoir trouver aujourd hui la présence de ces gaz sur notre planète. Ces derniers ne sont pas restés dans l atmosphère mais on peut les retrouver dans les réservoirs des volatils terrestres et on peut constater que leur proportions sont correspondantes : ils ont donc quitté l atmo- 72 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

sphère pour être stockés dans d autres enveloppes terrestres comme la lithosphère ou l hydrosphère. La Terre ayant été formée à partir de chondrite, on doit trouver la même composition chimique des gaz au sein des chondrites. La vérification de cette hypothèse en laboratoire est possible en faisant fondre les chondrites et en analysant la phase gazeuse. Cette analyse vérifie notre hypothèse, ce qui nous permet de déterminer la composition de l atmosphère primitive. Activité 3 Question 3 Montrer que la composition de l atmosphère primitive était nécessaire à la naissance de l hydrosphère À partir de ce document, on peut constater qu au-dessus d une température de 120 C, toute l eau présente ne peut se trouver qu à l état gazeux quelle que soit la température. Durant les 500 premiers millions d années de l histoire de la Terre, la température de surface aurait dû évoluer de 40 C à 35 C. Selon le document 8, l eau aurait alors dû se trouver sous forme de glace. On constate la présence de CO 2 dans les gaz volcaniques terrestres grâce au document 4. Or on sait que ce gaz a un pouvoir effet de serre important. On peut donc supposer que sa présence va permettre une élévation de température induisant un maintien en domaine liquide de l eau, donc de l océan présent à la surface de la Terre. Activité 4 Question 3 Montrer qu il y a eu transfert du CO 2 atmosphérique vers la lithosphère après la formation des océans L équation chimique qui permet le passage du CO 2 de l hydrosphère vers la lithosphère est la suivante : CO 3 2 + Ca 2+ CaCO 3 (précipitation). Les deux réservoirs susceptibles de rejeter d énormes quantités de CO 2 sont les roches carbonatées comme le calcaire et la dolomie, et les roches carbonées qui contiennent de la matière organique fossile. Le transfert de CO 2 vers la lithosphère fait irrémédiablement baisser la concentration atmosphérique de ce gaz. Ce phénomène induit une diminution de l effet de serre qui devrait engendrer une baisse des températures et une glaciation de toute l eau des océans. Cette baisse des températures n a cependant pas eu lieu du fait de l augmentation de l énergie émise par le Soleil. Ainsi, les deux phénomènes se contrebalancent et la température résultante permet le maintien de l eau à l état liquide. Si le CO 2 n avait pas été transféré à la lithosphère, l effet de serre aurait été plus important de par l augmentation de l énergie émise par le Soleil et on peut penser que l océan primitif aurait été vaporisé au fil du temps. Corrigé des exercices séquence 3 SN03 73

Activité 5 Montrer comment se réalise l oxygénation progressive de l hydrosphère et de l atmosphère 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 Temps en milliards d années 1 0,5 0 REDBEDS B.I.F. Océan réducteur Athmosphère réductrice Océan réducteur, des oasis de vie avec oxydation environnante possible Athmosphère réductrice Océan devient oxydant Athmosphère réductrice Océan oxydant Athmosphère oxydante Légende : Type de roche Environnement réducteur Environnement oxydant Question 3 Les cyanobactéries sont les premiers micro-organismes identifiés capables de réaliser la photosynthèse. Ce phénomène physiologique engendre un dégagement de dioxygène dans le milieu et oxyde donc celui-ci. L activité des cyanobactéries est aussi à l origine de structures calcaires bioconstruites appelées stromatolites que l on peut encore observer dans certaines régions du globe. Le document 13 nous indique un tonnage de Fe 2 O 3 supérieur à 10 14 T autour de 2 milliards d années. Cette date correspond à l oxydation du fer en milieu continental. On peut donc en déduire que les plus grandes réserves en fer terrestre sont constituées par les redbeds ou couches rouges. Activité 6 Montrer comment les premières molécules organiques sont apparues sur Terre Les théories présentées dans les documents 14 et 15 nous informent sur l origine possible des premières molécules organiques. L une des théories est favorable à une origine terrestre à partir de la composition de l atmosphère primitive ou au niveau des sources hydrothermales océaniques, l autre théorie émet l idée d une origine extraterrestre grâce à l arrivée de météorites ou d une comète sur Terre. 74 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

Schéma incluant les deux théories : Activité 7 Montrer comment semblent s être formées les premières cellules Les coacervats ont la particularité de présenter une membrane protéique formée d une bicouche dont la perméabilité est sélective et qui permet la réalisation de certaines réactions chimiques. Ces propriétés sont également observables chez les cellules actuelles. De plus, on peut observer des figures de division de coacervats, ce qui est l une des propriétés principales des cellules. Les formations d Isua au Groenland présentent un enrichissement en 12 C qui ne peut être induit que par le phénomène de photosynthèse. Nous pouvons donc dater l apparition de ce phénomène aux environs de 3,8 Ga. Cette datation est en adéquation avec l apparition des premiers BIF sur Terre. Corrigé des exercices séquence 3 SN03 75

Question 3 76 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

Activité 8 Question Montrer que les enveloppes de notre planète ont évolué au cours du temps Composition de l'atmosphère (%) 100 H2O 80 CO2 60 N2 40 O2 20 O3 0 1 4 3 2 1 0 Temps 2 3 4 5 (milliards d'années) 1 2 3 4 5 Apparition de la lithosphère par le refroidissement du sol. Apparition de la atmosphère par dégazage du manteau. Apparition de l hydrosphère par condensation de la vapeur d eau. L atmosphère devient «sèche». Apparition de la biosphère (indice photosynthétique). Enrichissement en calcaire de la lithosphère par précipitation. L hydroshère s oxyde. Oxydation de l atmosphère. Naissance de la couche d ozone dans l atmosphère. Corrigé des exercices séquence 3 SN03 77

Correction des activités du chapitre 3 Pour débuter Question 3 On constate, sur le document 1, que, depuis les années 1960, les anomalies de température par rapport à la température référence de l année 1960 ont tendance à être de plus en plus positives. Autrement dit, la température semble globalement augmenter depuis 1960. Cette augmentation se limite à quelques dixièmes de degré, ce qui peut sembler anecdotique, mais qui cependant engendre des modifications environnementales de tout type. Le document 2 précise une modification environnementale observable : il s agit de l aire de répartition d un papillon dont le développement nécessite une température minimale. On constate que, depuis le début du XX e siècle, cette température a été atteinte dans des pays qui ne la présentaient pas habituellement. L élévation de température permet donc la colonisation du Royaume-Uni par le Tircis qui va concurrencer les espèces endémiques et peut-être même les remplacer. Altitude du front du glacier de Grindelwald (m) 2000 1975 1805 1820 1860 1800 1600 Date (années) 1700 1800 1900 2000 On peut remarquer ici que l année la plus froide est l année 1860, où le front du glacier est descendu le plus bas dans la vallée. Depuis, il ne cesse de remonter vers les sommets pour gagner les hautes altitudes où les températures lui permettent de se maintenir. 78 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

Activité 1 Montrer que l utilisation du 18 O permet la détermination de la température de l atmosphère au moment des précipitations Selon la température, l eau qui s évapore contiendra des proportions différentes de molécules d eau H 2 16 O (eau légère) et H 2 18 O (eau lourde). Une température élevée permettra à plus d eau lourde de s évaporer et la condensation favorisera la précipitation de cette eau lourde. On peut alors calculer le rapport 18 O/ 16 O des échantillons d eau récoltés et les normaliser par rapport à un standard : ( 18 O/ 16 O) SMOW. On obtient le delta 18 O noté δ 18 O qui nous permet ensuite de déterminer la température de l atmosphère à laquelle cet échantillon s est formé (formation d une couche de glace). Le document 6 montre l évolution du δ 18 O en fonction des latitudes, donc de la température. Les calculs sont réalisés grâce à la formule donnée dans le document 5. Stations 90 S 85 S 13 S 53 S 81 N ( 18 O/ 16 O) 1,904.10 3 1,916.10 3 2.10 3 1,984.10 3 1,930.10 3 δ 18 O en 48 42 0 8 35 Température en C 50 42 25 12 30 On peut alors en tirer le graphique de l évolution du δ 18 O en fonction de la température. Courbe présentant l évolution du δ 18 O en fonction de la température δ 18 O (en % o) 0 10 20 30 40 50 50 30 10 0 10 30 Température (en C) Ainsi, lorsque l on s intéresse à un échantillon, on peut mesurer son rapport isotopique et calculer son δ 18 O. Puis, à l aide d un graphique Corrigé des exercices séquence 3 SN03 79

Question 3 comme celui que vous venez de construire, on détermine la température qui régnait au moment de la formation de l échantillon. Durant une période froide, l eau évaporée subit davantage de condensation et arrive donc appauvrie en 18 O au niveau de la zone finale de précipitation (région la plus froide du moment : un pôle). Par conséquent, le δ 18 O sera plus élevé en valeur absolue (car c est une valeur négative). Cela correspond à un écart plus important entre la valeur de référence et le δ 18 O des précipitations dans les régions des hautes latitudes et donc des glaces que ces précipitations forment. Ce δ 18 O pourra être traduit en une température grâce à un graphique de référence. Le même principe peut d ailleurs être utilisé pour le δd. Climat froid dans les hautes latitudes 18 O 16 O Froid : fortes pluies = forte diminution du 18 O dans les nuages = 18 O rare dans les glaces se formant au pôle. 18 O = 10%o 18 O = 40%o 18 O = 60%o 18 O = 0%o Équateur Pôle 80 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

Activité 2 Déterminer les périodes chaudes et les périodes froides à partir des carottes de glaces du forage GRIP (Groenland) et du forage de Vostok (Antarctique) Cette carotte de glace fait 3000 m de long O %0-45 -40-35 Aujourd'hui -30 0 1 2 3 500 10 20 30 O %0-45 -40-35 -30 1500 2000 Le premier graphique montre son analyse de 0 à 1500 m Le deuxième, de 1500 à 3000 m 4 5 6 7 8 9 1000 1500 40 50 70 100 150 250 2500 3000 Age Profondeur (milliers années) (m) Age Profondeur (milliers années) (m) Périodes chaudes On peut alors observer sur le document 9 une autre période où le δ 18 O est supérieur à 35. Cette période, qui s étend de 140 000 à 100 000 ans environ, est nommée Eemien et représente l interglaciaire précédant celui que nous vivions actuellement. Notre interglaciaire se nomme : Holocène. La période glaciaire qui le précède est appelée : Würm. L interglaciaire 140 000 / 100 000 ans : Eemien. La période glaciaire précédente est appelée : Riss ( 250 000 / 140 000 ans). -150 O %0 O %0 20-200 -250 Antarctique D Groenland 18 O 30-300 40-350 -50-40 -30-20 -10 Température ( C) On peut ici observer qu un δ 18 O supérieur à 35 indique une période chaude, c est-à-dire un interglaciaire comme nous le vivons actuellement. Corrigé des exercices séquence 3 SN03 81

Cela correspond à une température moyenne au niveau du Groenland de 32 C, comme le montre la construction réalisée sur le document. D %0-400 -450?? Au delà de 400 000 ans les données manquent L'extraction de carottes de glace n'est pas de tout repos -500 700 000 600 000 500 000 400 000 300 000 200 000 100 000 actuel Temps (années) On remarque sur le document 10 qu il existe également des périodes où le δd est supérieur à 425, correspondant à des époques plus chaudes au niveau du pôle Sud : il s agit donc d interglaciaires. Question 3 On peut alors constater que les deux premiers interglaciaires sont corrélables à ceux observés au niveau du Groenland et par extension les deux périodes glaciaires également. On peut observer qu environ tous les 100 000 ans, il y a une succession de cycles «glaciaires-interglaciaires». D ailleurs, lorsque l on s intéresse aux 700 000 dernières années, on peut repérer sept cycles «glaciairesinterglaciaires», ce qui correspond bien à la moyenne que nous venons de définir. Activité 3 Montrer la relation entre la teneur en CO 2 des bulles d air emprisonnées dans les glaces et les températures de l atmosphère Bulles de gaz atmosphérique emprisonnées lors de la formation de la glace. On peut observer à l intérieur de ce glaçon de petites bulles d air qui ont été emprisonnées lors de la fermeture du système de l eau solide. La composition chimique de ces bulles est la même que celle de l atmosphère qui régnait lors de leur formation. 82 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

Dates des maximums de teneur en CO 2 : actuel, 125 000 ans, 250 000 ans, 320 000 ans, 400 000 ans. Dates des maximums de température : actuel, 125 000 ans, 250 000 ans, 320 000 ans, 400 000 ans. On peut donc en déduire qu il y a une parfaite corrélation entre les maximums des températures et les maximums des teneurs de CO 2 dans l atmosphère. Il en résulte l idée d un lien de cause à effet entre ces deux éléments. Question 3 On sait que le CO 2 est un gaz à effet de serre, c est-à-dire un gaz qui entraîne une augmentation de la température de l atmosphère par conservation et renvoi vers la Terre d une partie de l énergie réémise, sous forme d infrarouge, par notre planète vers l espace. Le CO 2 serait donc responsable de l augmentation de température et expliquerait ces maximums de température. Effectivement, on constate que les maximums des δd correspondent environ aux 5 maximums précédemment repérés. Seul le maximum à 250 000 apparaît décalé puisqu il se situe plutôt à 240 000 sur le graphique du document 10. Pour le δ 18 O, on ne peut repérer que deux maximums sur le document 9, un «actuel» et un daté à 135 000 ans. Ces deux pics de δ 18 O correspondent aux deux premiers maximums énoncés dans la question précédente. Nous avons attesté précédemment l existence d un lien entre la teneur en CO 2 de l atmosphère et la température de cette dernière. Les enregistrements des δd et δ 18 O montrent une parfaite correspondance avec cette observation et valident la méthodologie scientifique employée lors de ces études. Activité 4 Montrer que l étude des foraminifères permet de suivre les variations climatiques du passé et de les corréler avec celles obtenues par les méthodes utilisées en glaciologie Durant les périodes chaudes, peu d 16 O reste prisonnier dans les glaces qui ne s accumulent pas et peuvent même nettement régresser. L océan récupère donc une grande quantité d 16 O, donc le rapport 18 O/ 16 O aura tendance à diminuer, tout comme le δ 18 O. Ainsi, comme les tests des animaux sont construits à partir des éléments dissous sans préférence entre le 16 O et le 18 O, il enregistre le rapport 18 O/ 16 O et le δ 18 O régnant lors de leur formation. On peut donc connaître la température de l atmosphère en calculant le δ 18 O au niveau des tests des foraminifères benthiques. Corrigé des exercices séquence 3 SN03 83

Sur le document 16, on peut lire qu à 450 000 ans correspond un δ 18 O de 1,8. Si on reporte cette valeur sur le graphique du document 15, qui établit la correspondance entre le δ 18 O et la température, on trouve une température atmosphérique égale à 8 C. O %0 3 2 1 0 1 2 3 0 5 10 15 20 25 30 Température ( C) Question 3 Question 4 Durant cette période, on observe une hausse du δ 18 O, qui passe de 1,1 à 1,5, correspondant respectivement à des températures de 20 C et 10 C, ce qui traduit une baisse globale 10 C. On peut donc penser que le volume des glaces aura tendance à augmenter et celui des océans à diminuer pendant ces 40 000 ans. Sur les 400 000 dernières années, on constate une parfaite corrélation entre les variations du δd calculées au niveau des glaces antarctiques de Vostok et les variations du δ 18 O calculées à partir des tests des foraminifères benthiques des carottes sédimentaires océaniques. (Attention, les échelles sont différentes. Il faut relever les dates des maximums et des minimums pour faire cette comparaison.) Le recoupement des deux méthodes donnant des résultats corrélables, on peut ainsi confirmer l authenticité des variations des températures atmosphériques de ces 400 000 dernières années. Activité 5 Montrer que les pollens des tourbières permettent de reconstituer les environnements écologiques passés et de suivre l évolution du climat Grâce aux températures optimales de développement de différentes espèces, on peut connaître la température qui régnait en milieu continental à une époque donnée car les tourbières nous permettent, en conservant leurs grains de pollen ou spores, d estimer le pourcentage de représentativité de ces espèces. Ainsi, quand ce pourcentage est élevé pour une espèce affectionnant les températures froides (voir document 17 : 5 C à 8 C pour l épicéa), on peut estimer que c est cet intervalle de température que subissait le milieu à l époque de l échantillon étudié. Les périodes les plus chaudes correspondent à l épanouissement des chênaies et autres arbres qui se développent à des températures supé- 84 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

rieures à 5 C et 7 C. Sur le diagramme pollinique du document 18, on peut repérer deux périodes plus chaudes qui sont datées de 20 000 ans à l actuel et de 105 000 ans à 65 000 ans. Avec le même raisonnement, on peut délimiter une seule période froide allant de 65 000 ans à 20 000 ans. L époque la plus froide observable sur ce diagramme est située entre 25 000 ans et 20 000 ans où les herbacées sont les plus développées au détriment des arbres qui ne supportent pas les températures trop basses et négatives sur de longues périodes. Activité 6 Identifier différentes périodes climatiques à l échelle géologique Sur le document 19, on peut comptabiliser quatre périodes globalement chaudes. Il faut noter qu à cette échelle du milliard d années, l actuel correspond à une période plutôt froide. À l intérieur de cette période, il y a des variations de plus faible ampleur induisant l alternance de périodes glaciaires et interglaciaires visibles à l échelle du million d années. Les périodes chaudes correspondent à une moyenne des températures égales à 22 C alors qu aux périodes froides cette moyenne s établit autour de 12 C. L écart entre ces deux types de période est donc d une dizaine de degrés en moyenne. Activité 7 Question Montrer que les continents se déplacent Activité 8 Question Identifier des indices d un réchauffement climatique On apprend, grâce au document 23, que la zone de répartition des coraux remonte au-delà des latitudes 30 N et 30 S, ce qui indique une étendue plus importante des zones équatoriales et tropicales par rapport à l actuel. Il faut donc tenir compte de cette observation pour l interprétation des données des autres documents de cette étude. Le document 21 est morcelé en plusieurs cartes où chacune présente la répartition géographique actuelle de roches datées du Crétacé. On peut mettre en relation ce document avec les informations présentées dans le document 22 qui indique les conditions de formations de différentes roches. Corrigé des exercices séquence 3 SN03 85

Concernant les évaporites du Crétacé : on les trouve aujourd hui en Amérique du Sud, en Afrique du Nord et du Sud mais aussi en Inde et en Chine. Ces continents avaient une répartition géographique différente au moment de la formation de ces roches, ils occupaient des latitudes plus hautes. Or le document 22 nous indique que les évaporites se forment en climat aride, ce qui signifie que des climats arides devaient régner au Crétacé aux hautes latitudes, traduisant une époque plus chaude que l actuel. Le même raisonnement peut être mené à l identique pour les autres roches. Leurs conditions de formation sont déterminées par principe d actualisme et l on sait sous quel climat elles se forment. En connaissant la position des continents au Crétacé, donc le lieu de formation des roches, on peut connaître les conditions climatiques qui régnaient à telle latitude à cette période, donc caractériser l étendue des zones climatiques et, par extension, la moyenne des températures terrestres définissant le Crétacé comme une période chaude. Activité 9 Question Montrer qu une modification climatique peut avoir plusieurs causes Document 24 : Description du mouvement des continents au Crétacé : Le début du Crétacé, il y a 130 Ma, est en continuité du phénomène de fragmentation de la Pangée commencée à la transition Trias-Jurassique. On note également le début de la fermeture de la Téthys, océan situé entre le bloc Afrique Inde Australie et l Eurasie. On remarque un début de rupture entre l Amérique du Sud et l Afrique. Une dorsale ouvre un océan entre le bloc Afrique Amérique du Sud et le bloc Antarctique Inde Australie. C était l embryon de l océan Indien. Un peu plus tard, au Crétacé supérieur, soit il y a 100 Ma, la séparation entre l Amérique du Sud et l Afrique devient définitive : une longue mer linéaire avec une dorsale médiane, futur océan Atlantique, divise alors ces deux continents. Au sud, une dorsale en Y entre en fonctionnement, une branche séparant l Inde de l Afrique, une autre séparant le bloc Antarctique Australie de l Inde. C est à la faveur de cette dernière branche que l Inde a commencé sa longue migration vers le nord. Cette migration va se faire entre deux longues failles transformantes. Au nord, la Téthys continue de se refermer. Document 25 : Les facteurs pouvant expliquer l augmentation de température au Crétacé découlent de l histoire tectonique de cette période géologique. Le premier facteur est développé dans le document 25. Il s agit de la teneur en CO 2 de l atmosphère par rapport à la teneur actuelle. On constate que cette concentration atmosphérique est 5 fois plus élevée au Crétacé qu actuellement, ce qui laisse penser que l effet de serre important qui en découle a nécessairement engendré une augmentation des températures. L une des hypothèses concernant ce taux élevé de 86 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

CO 2 est que ce dernier serait issu de l activité volcanique intense des dorsales océaniques. Ainsi, le fractionnement de la Pangée et son accentuation au Crétacé engendre un dégazage de CO 2 dans l atmosphère, lui-même responsable d une augmentation de l effet de serre et, par conséquent une élévation des températures. Document 26 : Le deuxième facteur présenté ici est la mise en place du courant circumpolaire grâce à l ouverture du détroit de Drake, il y a 35 millions d années c est-à-dire après le Crétacé. Ce courant est considéré comme un super-régulateur des températures océaniques mondiales et, par entraînement, un régulateur climatique. Actuellement, il permet le mélange rapide, à l échelle des temps géologiques, des eaux en provenance des trois océans à répartition latitudinale importante. Ce qui a pour effet de niveler les températures dans l espace et dans le temps. Au Crétacé, la liaison entre l Amérique du Sud et l Antarctique, visible sur le document 26, ne permet pas la mise en place d un tel courant. Les eaux de chaque océan ne se mélangent pas et n ont pas le temps de se refroidir en tournant pendant un certain temps aux hautes latitudes soumises à de faibles températures. Il en résulte sans doute une augmentation de la température des océans, ce qui aura également un impact sur la température de l atmosphère. Ces deux phénomènes, servant ici d exemples, ne sont pas exhaustifs et ont même très certainement agi en synergie. Ils sont tous deux induits par la tectonique des plaques qui, en fragmentant la Pangée, transforme la face du monde et l équilibre fragile qui régnait précédemment. Corrigé des exercices séquence 3 SN03 87

Corrigé des activités du chapitre 4 Pour débuter Question 3 Sur ce document 1, trois planètes ne répondent pas à la loi générale de l évolution des températures en fonction de la distance au Soleil représentée par la courbe grisée. Il s agit de Vénus, de la Terre et de Mars. D après le document 1a, une planète qui ne possède pas d atmosphère voit sa température de surface répondre à la loi générale dont la formule mathématique est : Énergie solaire reçue = énergie solaire émise 1/(distance 2 ) Même si la représentation de l effet de serre responsable de l élévation de température est inexacte sur le document 2, on comprend que la présence d une atmosphère est essentielle à la naissance de ce phénomène. Les trois planètes précédemment citées ont bien en point commun la présence d une atmosphère. Sans atmosphère, la température de la Terre serait la même que celle régnant sur la Lune car la distance entre ces deux astres et le Soleil est identique, soit une unité astronomique ou 150 millions de kilomètres. Cette température serait de 18 C, soit 33 degrés de moins que celle affichée en moyenne sur Terre. Les conséquences sur l environnement global, la répartition des climats et sur l évolution générale des êtres vivants sont inévitablement envisageables. Il n est donc pas certain que la vie se soit développée avec autant de possibilités dans des conditions aussi froides et sans atmosphère. Activité 1 Montrer que l effet de serre nécessite un équilibre de flux énergétique entre les différents systèmes D après le document 4, le rayonnement à l origine du réchauffement de notre planète est un rayonnement d infrarouges (IR). Celui-ci est émis par la Terre, qui absorbe le rayonnement solaire incident et réémet cette énergie accumulée sous forme d IR. Le document 6 précise la quantité de rayonnement émise et reçue par les différents éléments terrestres. On constate alors que la surface de notre planète est le principal émetteur d IR avec un pourcentage s élevant à 114,4 % (103 + 11,4). L atmosphère représente une émission d IR également très importante mais environ la moitié de celle-ci s échappe vers l espace et ne participe plus à l augmentation de température. 88 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

Question 3 Système Réception Émission Terre 200 200 Atmosphère 200 200 Espace 100 100 On peut donc voir que chaque système reçoit et émet la même quantité d énergie. Il en résulte un équilibre dans le système et entre les trois systèmes et, par conséquent, une stabilité de la température globale de notre planète. Rayonnement émis 39 W.m 2 Rayonnement émis 197 W.m 2 342 W.m 2 89 W.m 2 Rayonnement réfléchi 17 W.m 2 Rayonnement absorbé 352 W.m 2 65 W.m 2 220 W.m 2 Rayonnement émis Rayonnement absorbé Rayonnement absorbé 171 W.m 2 Rayonnement réfléchi Atmosphère TERRE Système Réception Émission Terre 171 + 220 = 391 W.m 2 352 + 39 = 391 W.m 2 Atmosphère 65 + 352 = 417 W.m 2 197 + 220 = 417 W.m 2 Espace 197 + 39 + 89 + 17 = 342 W.m 2 342 W.m 2 Activité 2 Montrer que l effet de serre est déterminé par les teneurs atmosphériques et les longueurs d onde d absorbance de certains gaz D après le document 8, l ozone O 3 absorbe les longueurs d onde comprises entre 0,1 et 0,3 µm. Si on se reporte à l échelle des longueurs d onde du document 7, on peut en déduire que la zone maximale d absorbance de l ozone correspond au rayonnement de type UV. Cette propriété a permis de protéger les êtres vivants de ce rayonnement létal et, par extension, a favorisé la colonisation du milieu terrestre, comme nous l avons vu dans le chapitre sur l évolution de l atmosphère. Contrairement à une idée répandue, le CO 2 n est pas le gaz qui participe le plus à l augmentation de température : ce rôle doit être attribué à la vapeur d eau qui représente 56 % de l action totale des gaz à effet de serre. Corrigé des exercices séquence 3 SN03 89

Question 3 Quantité du rayonnement UV Rayonnement solaire arrivant sur terre O 3 CO 2 H 2 O VISIBLE Rayonnement terrestre émis INFRAROUGE 0,2 0,5 1 5 15 20 50 Longueur d ondes (en m) Quand on reporte les zones d absorbance de chaque gaz, on observe que la troisième zone d absorbance maximale du CO 2 correspond à la zone où la Terre réémet des IR en très grande quantité. L augmentation de la teneur atmosphérique en CO 2 est donc surveillée car une petite augmentation de concentration peut engendrer une variation remarquable de l effet de serre. Activité 3 Montrer que l effet de serre peut être tributaire de l évolution de paramètres anthropiques, géologiques et astronomiques Sur les documents 10 et 11, on constate une forte augmentation des gaz à effet de serre depuis 1750 qui marque le démarrage de la révolution industrielle. L augmentation suit, dans un premier temps, une pente moyenne puis subit une forte accentuation à partir des années 1920, due à la forte industrialisation. Lorsqu on s intéresse aux carbonates continentaux, on remarque que leur altération consomme une mole de CO 2, donc fait baisser la concentration atmosphérique de CO 2. Ensuite, les ions Ca 2+ et 2HCO 3 issus de cette altération sont transportés jusqu à l océan, où ils vont précipiter sous forme de carbonates en produisant une mole de CO 2. Il en résulte un équilibre entre la production et la consommation de CO 2. En revanche, si on pratique le même raisonnement pour les silicates calciques, on observe que leur altération consomme deux moles de CO 2 et que les ions libérés vont également précipiter en carbonates, ce qui consomme une mole de CO 2. Le bilan de ces réactions aboutit globalement à la consommation d une mole de CO 2 chaque fois qu une mole de CaSiO 3 est altérée. Cela engendre une baisse de la concentration atmosphérique de CO 2, ce qui limite et fait diminuer l action de l effet de serre. On sait que, pendant les périodes de convergence, il se crée des reliefs d abord volcaniques, dus à la subduction, puis d origine crustale, lors de la collision des continents. Dès l apparition de ces reliefs, l altération débute et engendre, par suite des étapes expliquées précédemment, une baisse de l effet de serre. 90 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

Activité 4 Montrer que l albédo est un paramètre qui peut faire varier la quantité d énergie solaire absorbée Comme il est expliqué dans ce document, l albédo correspond au rapport établi entre le rayonnement solaire immédiatement réfléchi par la Terre et le rayonnement incident reçu par celle-ci. Or ce rayonnement réfléchi est fonction du type de matière qui recouvre la surface terrestre. On apprend dans le document 14a que la neige et la glace présentent un très fort albédo. On peut donc en déduire qu aux pôles qui sont recouvert par ce type de matériau l albédo sera très élevé, proche de 0,8. (Le maximum de l albédo étant de 1 pour un matériau qui renvoie 100 % du rayonnement reçu.) Albédo moyen = (0,3 0,8) + (0,3 0,07) + (0,25 0,15) + (0,15 0,78) = Albédo moyen = 0,24 + 0,021 + 0,0375 + 0,117 = Albédo moyen = 0,4155 L albédo de la Terre présentant une surface telle que celle indiquée dans la question 2 serait de 0,4155. L albédo moyen actuel de la Terre est d environ 0,3, donc un albédo de 0,4155 engendrerait une plus forte réflexion qu aujourd hui, d où une conservation moins importante d énergie solaire incidente, par suite, une baisse de l émission d IR par la Terre et donc une baisse de l effet de serre, du réchauffement climatique et de la température moyenne de la planète. Activité 5 Montrer que les prévisions de l évolution du climat sont disparates et peuvent être modifiées par l action de l humanité Les scénarios proposés par les groupes d experts tiennent compte du mode de développement mondial basé sur une consommation plus ou moins importante des énergies fossiles productrices de CO 2, de paramètres sociaux comportementaux et écolo-économiques. On s intéresse ici au scénario A où l on constate une forte production anthropique de CO 2. Il s agit donc d un scénario plutôt pessimiste quant à la possible maîtrise des productions industrielles de gaz à effet de serre. Cette forte production engendre une augmentation de la concentration atmosphérique de CO 2 qui atteindrait 800 ppm au lieu de 375 ppm actuels, comme le montre le document 19b. Cela aurait pour conséquence une augmentation de la température moyenne de 3 C induisant des modifications environnementales importantes comme, par exemple, la montée des eaux d un mètre en moyenne d ici à 2100 (documents 19c et 19d). Plusieurs congrès mondiaux ont théorisé des pistes de maîtrise de production ou de baisse des émissions de gaz à effet de serre : La première, la plus rapide à mettre en place, est la maîtrise de l énergie. En effet, dans notre société de consommation, le gaspillage éner- Corrigé des exercices séquence 3 SN03 91

gétique est très présent, et l évolution des comportements de chacun peut permettre de réduire rapidement les émissions de CO 2 en économisant et en gérant au mieux notre énergie sans qu il s agisse de privation ou d un phénomène de décroissance. La deuxième est actuellement en train d être mise en place à grande échelle. Il s agit de la transition énergétique vers des énergies ne produisant pas de CO 2. La voie que doit emprunter cette transition a d ailleurs fait débat entre les pro-nucléaires et les pro-renouvelables : ces deux formes de productions énergétiques ne produisant pas de CO 2. L Europe, sans prendre parti, a mis en place des objectifs de production d énergie renouvelable (éolienne, hydroélectrique, solaire...) qui doivent atteindre 20 % de l énergie produite pour chaque pays d ici 2020. De plus, depuis les accidents nucléaires de Tchernobyl et de Fukushima, induisant une pollution importante et pérenne, le nucléaire a plutôt mauvaise presse. La troisième piste est le piégeage du CO 2 et des autres gaz à effet de serre produits par l industrie. Les anciens réservoirs d hydrocarbures, gaz et pétrole, peuvent alors servir de lieux de stockages stables dans le sous-sol. Cette technique est actuellement autorisée en France. 92 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

PC orrigé des exercices du chapitre 2 Exercice 1 L atmosphère primitive de notre planète : est issue du dégazage du manteau. L atmosphère primitive avait une composition : identique à la phase gazeuse des météorites chondritiques. L oxydation de la planète : est marquée par la présence de BIF au niveau de l océan. La forte baisse du CO 2 atmosphérique : est liée à la mise en place de l océan primitif. La mise en place de la couche d ozone : permet de protéger les êtres vivants des rayons UV. Exercice 2 La naissance de la Terre : a lieu en même temps que la formation du système solaire. La formation de notre planète s est réalisée : par accrétion homogène. L apparition de la vie sur Terre : ne répond pas à un seul scénario possible. La formation des redbeds : marque l oxydation de l atmosphère après celle de l océan. Les coacervats de Fox : ont des propriétés semblables aux cellules. On date l apparition de la Vie sur Terre : Il y a environ 3,8 Ga. Exercice 3 Il n y a aucune certitude sur la véritable origine de la vie sur Terre. Dans un premier temps, des molécules prébiotiques ont : soit été fabriquées sur Terre à partir des molécules présentes dans l atmosphère ou dans l océan et grâce à un apport énergétique ; soit été apportées par les météorites ou les comètes. Dans le premier cas, on parle d une origine terrestre de la vie ; dans le second, on parle d origine extraterrestre de la vie. Ces molécules prébiotiques se sont sans doute associées pour former des chaînes plus longues permettant la mise en place de bicouches protéiques se repliant sur elles-mêmes. L expérience de Fox, en obtenant Corrigé des exercices séquence 3 SN03 93

des coacervats à partir de chaînes protéiques, nous montre comment a pu s effectuer cette étape. Ces coacervats ont des qualités communes avec les cellules que nous connaissons : ils ont une perméabilité sélective, ils sont capables de se diviser et de favoriser certaines réactions chimiques. On pense que ce sont ces étapes qui se sont succédé pour arriver à la naissance de la vie sur notre planète. Qui sait si elles n ont pas eu lieu ailleurs dans l univers. Exercice 4 Introduction : La composition de l atmosphère actuelle est très différente de celle de l atmosphère primitive. En effet, cette atmosphère primitive était riche en H 2 O et en CO 2 et pauvre en O 2. La compréhension de cette évolution de composition a été rendue possible par la présence d indices laissés dans les archives géologiques. On se propose ici de mettre en relation les phases de l oxydation de l atmosphère et les indices sédimentaires nous permettant de les identifier. Nous relierons les trois périodes présentées dans le document 2 aux différents sédiments indiqués dans les documents 1 et 3. I. Les conditions réductrices de l Archéen. Avant 2,2 Ga, il est possible de trouver de l uraninite dans les sédiments, comme nous l indique le document 1. Or, pour que ce minéral puisse se former, il faut impérativement que le milieu soit dépourvu d oxygène car, si le milieu est oxydant, l uranium se trouve sous sa forme oxydée et U 6+ et s associe avec l oxygène pour constituer une forme soluble dans l eau empêchant la formation du minéral. L oxygène n est donc présent ni dans l eau des océans, ni dans l atmosphère car sa présence dans l une des enveloppes aurait induit l absence de formation d uraninite. On peut donc affirmer qu à l Archéen, les conditions sur Terre étaient globalement réductrices du fait de l absence d oxygène dans l océan et dans l atmosphère. II. Des oasis de vie à l origine du début d oxydation de l océan. On donne l information sur le document 3 que les BIF (Banded Iron Formations), qui sont des formations d alternance de lits de fer et de silice, se forment entre 3,8 et 2 Ga. Ces formations sédimentaires sont en général peu étendues et correspondent à des zones où a eu lieu une oxygénation du milieu. En effet, pour que le fer arraché aux roches par altération puisse précipiter en milieu océanique, il faut qu il reste sous sa forme réduite durant tout le transport en milieu continental, puis qu il arrive en milieu océanique au niveau d une zone oxydante. Ces zones riches en oxygène sont associées à des concrétions calcaires, appelées stromatolites, construites par l activité photosynthétique de cyanobactéries productrices d O 2. 94 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

Ce sont donc ces oasis de vie qui induisent une oxydation parsemée de l océan et qui sont à l origine de la formation des BIF. On peut voir sur le document 2 que, pendant cette période, l atmosphère est toujours réductrice, cela est d ailleurs confirmé par l absence de BIF en milieu continental où les eaux agitées contiennent des gaz atmosphériques dissous. Si de l oxygène avait été présent dans l atmosphère, il l aurait été également dans les eaux continentales et aurait induit la précipitation du fer dissous. Durant cette période, l atmosphère est toujours réductrice et l océan commence à être oxydant par endroit. III. L oxydation progressive de l océan. À partir de 2,4 Ga, on constate sur le document 2 que l atmosphère commence à devenir oxydante. Cela signifie que tout le fer présent dans les océans a été oxydé, que l océan est de plus saturé en O 2 et qu un dégagement d oxygène commence à se faire dans l atmosphère. On remarque également sur le document 3 qu au même moment une grande quantité d oxyde de fer est formé : il s agit de grandes formations continentales appelées couches rouges ou redbeds, marquant l oxydation de l atmosphère et dont le paroxysme a lieu autour de 2 Ga. Pour que ces formations puissent voir le jour, il faut impérativement que l atmosphère soit riche en oxygène, ce qui permet d oxyder le fer en milieu continental. Conclusion : Les formations sédimentaires trouvées dans les archives géologiques nous permettent de comprendre l histoire de l évolution de l atmosphère. Ainsi, la présence d uraninite en milieu océanique implique l absence totale d oxygène dans l atmosphère et dans l océan, les BIF induisent l existence de zones oxydantes en milieu océanique et une absence d oxygène en milieu atmosphérique, enfin les redbeds marquent le début de l oxygénation de l atmosphère jusqu à son paroxysme il y a environ 2 Ga. Schéma bilan : 1 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 Pression O 2 (bars) Atmosphère réductrice Uraninite B.I.F. Zone de transition REDBEDS Atmosphère oxydante B.I.F. 10 13 0 3 2 1 0 Temps (milliards d années) Corrigé des exercices séquence 3 SN03 95

Corrigé des exercices du chapitre 3 Exercice 1 Au niveau des pôles, on peut établir la température qui régnait à une époque donnée : grâce au δ 18 O calculé dans une couche de glace. Le δ 18 O d une couche glace polaire au Groenland : est calculé à partir des mesures des isotopes 16 O et 18 O d un échantillon. La palynologie : permet de déterminer le pourcentage représenté par les espèces à une époque donnée pour une région donnée. Le δ 18 O des foraminifères benthiques : permet d établir le volume de glace polaire du globe. À l échelle du milliard d années, la température qui régnait est déduite : grâce aux roches que l on trouve sur les continents. Actuellement, la Terre se trouve : dans une période froide à l échelle du milliard d années et dans un interglaciaire à l échelle du million d années. Exercice 2 L étude des couches des glaces polaires peut nous permettre de connaître les paléotempératures qui régnaient lors de leur dépôt et nous donne des indications sur le paléoclimat global de notre planète. Pour remonter dans le temps, il nous suffit d aller chercher les couches de plus en plus profondes et de mesurer les isotopes de l oxygène contenus dans une couche pour ensuite calculer le δ 18 O. L extraction de la glace s effectue dans des conditions extrêmes où les températures peuvent atteindre 50 C. Les chercheurs réalisent un forage et retirent de la calotte polaire un carotte longue de plusieurs centaines de mètres. Cette carotte est constituée de très nombreuses couches de glace, chaque couche représentant une année. En surface, les couches sont assez épaisses, et plus les couches se trouvent en profondeur, plus elles sont tassées et fines du fait du poids qu elles supportent. La carotte est ensuite étudiée pour repérer toutes les années, et on peut découper chaque couche annuelle pour mesurer les quantités d isotopes de l oxygène ou les quantités des différents gaz contenus dans les bulles piégées dans la glace. Une fois que la couche de glace intéressante a été découpée de la carotte, on peut mesurer la quantité d 16 O et d 18 O qu elle contient grâce 96 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

à un spectromètre de masse. Cet appareil est capable de dissocier les isotopes de par leur masse différente et ainsi de connaître leur quantité respective dans la couche étudiée. On peut ensuite se servir de la formule ci-dessous pour calculer le δ 18 O : δ 18 O 18 16 = O O 18 16 échantillon 18 O 16 O SMOW O O SMOW 1000 Une fois ce rapport connu, on peut utiliser un graphique de référence du lieu d extraction qui nous permet de connaître la paléotempérature au moment de la précipitation à l origine de la couche de glace. Voici ce graphique pour le Groenland : -20 O %0-30 Groenland 18 O -40-50 -40-30 -20-10 Température ( C) Exercice 3 L exposé du géologue laissait entendre que les terrains carbonifères du Bassin parisien étaient riches en charbon. On peut alors se poser la question de l explication de la richesse en matière organique des terrains de cet âge en comparaison des couches géologiques d autres périodes. Après avoir présenté la situation du nord de la France au Carbonifère, nous verrons qu elles étaient les conditions susceptibles d expliquer la naissance de tels gisements de charbon. I. La situation équatoriale de la France au Carbonifère. Le document 4 nous renseigne sur le positionnement de la France et du futur continent européen au Carbonifère. On peut observer que celui-ci se trouvait à environ 10 de latitude Sud, c est-à-dire dans la zone équatoriale. Grâce au principe d actualisme, on peut supposer que le climat régnant sur cette zone devait donc être proche des particularité du climat équatorial actuel. Corrigé des exercices séquence 3 SN03 97

Le document 1 vient confirmer notre idée puisqu on retrouve des fossiles de fougères arborescentes dans le charbon. Ce type de végétaux pousse actuellement sous des climats chauds et humides de type équatorial. Ces forêts équatoriales sont des zones de forte productivité primaire, elles engendrent la fabrication de sols épais et riches en matière organique. II. La conservation importante de la matière organique. On peut observer sur le document 2 qu autour de 300 millions d années, le taux d O 2 est à son maximal depuis ces 500 millions dernières années, alors que le taux de CO 2 est, lui, au contraire minimal. Or, dans un milieu en équilibre, la dégradation de la matière organique compense les échanges gazeux réalisés lors de la photosynthèse. Donc on ne devrait pas voir ces variations importantes d O 2 et de CO 2 durant cette période. Le document 3 nous permet de comprendre pourquoi le système à cette époque n est pas réellement équilibré et a permis ce taux élevé d O 2 et la faible teneur de CO 2 atmosphérique. En effet, on apprend que les champignons capables de digérer la lignine du bois n existaient pas avant 300 millions d années, ce qui explique que le CO 2 reste piégé dans cette matière organique et que l O 2 qui aurait dû être consommé pour l oxyder se maintienne dans l atmosphère. Conclusion : Une grande partie de la matière organique produite au Carbonifère a été conservée du fait de l absence à cette époque de champignon xylophage. La présence d une forêt équatoriale à forte production de matière organique est révélée par les fossiles que l on trouve dans le charbon et confirmée par la position de la France à cet âge géologique. L enfouissement de cette matière organique a permis de la conserver et de la faire évoluer en charbon. Exercice 4 Le Quaternaire est la période à laquelle nous vivons actuellement, elle est également celle qui a vu naître notre espèce. On se propose ici d étudier les conditions climatiques qui ont accompagné la vie de l Homme depuis son apparition. Nous nous intéresserons, dans un premier temps, aux fossiles de mammifères qui nous permettent de déterminer les périodes froides et chaudes des 360 000 dernières années, puis de travailler sur les informations que nous apporte la tourbière de Sewen sur les derniers 10 000 ans. I. L apport des fossiles de mammifères. Le document 3 nous renseigne sur les fossiles que l on trouve dans l est de la France dans les couches sédimentaires datées de l actuel à 360 000 ans. Il nous indique également quelles étaient les exigences climatiques de ces mammifères. Ces dernières ont été déduites par principe d actua- 98 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

lisme au travers des exigences d espèces actuelles qui sont apparentées ou ont le même comportement vis-à-vis des températures que ces espèces fossiles. Ainsi, on peut associer la découverte d un type de fossile dans une couche de sédiment donnée aux exigences climatiques que présentait cette espèce fossile et en déduire le climat qui régnait à l époque de la formation de cette couche sédimentaire. Par exemple, pour la période située autour de 360 000 ans, on trouve des éléphants antiques, des rhinocéros étrusques et des rhinocéros de Merck. Ces espèces sont associées à des exigences de climats tempéré et chaud. On peut donc affirmer que cette période autour de 360 000 ans était soumise à un climat tempéré à chaud. En appliquant ce raisonnement aux autres périodes, on trouve les climats suivants : Autour de 300 000 ans : climat mitigé et alternant des périodes froides et tempérées. Autour de 120 000 ans : climat froid. Autour de 100 000 ans : climat chaud ou tempéré. Autour de 70 000 ans : climat froid. Autour de 10 000 ans : climat froid Actuel : climat tempéré à chaud. Les indications apportées par les fossiles de mammifères nous renseignent sur des variations climatiques de grande ampleur allant du climat froid au climat tempéré à chaud. II. L étude des 10 000 dernières années grâce aux pollens de la tourbière de Sewen. On peut voir sur le profil pollinique du document 1 qu il est possible de découper les derniers 10 000 ans en trois périodes. La première allant de 10 000 ans à 6 000 ans, la deuxième de 6 000 ans à 500 ans et la dernière de 500 ans à l actuel. On peut alors observer les pollens que l on trouve dans chaque période et se référer au document 2 pour connaître les températures optimales de développement de ces espèces qui ont également été obtenues soit par principe d actualisme pour les espèces fossiles, soit par observations directes pour les espèces non disparues. On constate alors que : sentés, ce qui correspond à des périodes plutôt froides où la moyenne des températures se situe probablement entre 9 C (moyenne pour le Bouleau) et 10 C (moyenne pour le Pin). Noisetier et du Chêne qui ont pour température optimale de développement une gamme allant de 10 C à 15 C. Cette période apparaît donc plus chaude que la période précédente. des pollens trouvés dans la tourbière. Cette observation nous amène Corrigé des exercices séquence 3 SN03 99

à penser que la température moyenne de cette région est de nouveau plus froide puisque le Hêtre se développe plutôt entre 7 C et 11,5 C. Les derniers 10 000 ans sont donc marqués par des variations de températures de faible ampleur, l ensemble étant plutôt situé dans un climat tempéré. Conclusion : Les fossiles de végétaux ou d animaux sont des indices géologiques qui nous autorisent à caractériser les conditions climatiques qui régnaient à l époque où se déposaient les formations sédimentaires permettant leur conservation. Il en résulte des alternances climatiques nombreuses entre des périodes froides et des périodes tempérées à chaudes déduites de l étude des fossiles de mammifères. Certaines périodes peuvent connaître des variations de température de faible ampleur qui peuvent être caractérisées par l étude des pollens. L Homme, au cours de son histoire, a donc dû s habituer à ces fluctuations qui l on conduit à adapter son comportement. Il en sera sans doute de même à l avenir avec le réchauffement climatique annoncé pour le siècle prochain. 100 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

PC orrection des exercices du chapitre 4 Exercice 1 Sur le document ci-dessous, on peut remarquer : que l effet de serre est présent sur plusieurs corps célestes du système solaire. Les gaz à effet de serre présents dans l atmosphère : absorbent une partie du rayonnement émis par la Terre et le Soleil. Le gaz à effet de serre le plus représenté dans l atmosphère terrestre : est la vapeur d eau. La baisse du CO 2 atmosphérique est surtout due : à l altération des silicates calciques. Le matériau couvrant la surface terrestre et présentant le plus fort albédo est : la neige des montagnes et des pôles. Exercice 2 L activité solaire : augmente régulièrement depuis la formation du Soleil. L excentricité : correspond à la forme de l ellipse terrestre par rapport à un cercle parfait. Le réchauffement climatique actuel est dû : au cumul de l activité humaine et de paramètres naturels. L axe principal de lutte contre les émissions de gaz à effet de serre est : la transition énergétique. Le document ci-dessous nous montre : que l atmosphère reçoit autant de rayonnement qu elle en émet. Exercice 3 Le réchauffement climatique est le principal sujet écologique dont la presse se fait l écho dans de nombreux articles. Les Nations unies ont également su se saisir de ce problème et ont mis en place une succession de colloques et de sommets permettant de faire prendre conscience aux dirigeants du monde de l importance du phénomène et de son impact possible sur le quotidien des hommes. La mise en place de solutions pour lutter contre les émissions anthropiques de CO 2 reste encore un vœu pieu car de nombreuses nations restent hermétiques à la responsabilité unique de l activité humaine dans ce réchauffement. Corrigé des exercices séquence 3 SN03 101

Pourtant, il ne fait aucun doute que, depuis la révolution industrielle, les rejets de gaz à effet de serre ont littéralement explosé. Ces rejets de CO 2, de méthane mais aussi de chlorofluorocarbones et le NO 2 ont induit un réchauffement climatique qui a fait débat au sein de la communauté scientifique. L Académie des sciences a d ailleurs émis un rapport en octobre 2010 qui ne nie pas la responsabilité de l Homme dans cette hausse rapide des températures. Jamais, depuis les derniers 700 000 ans, le taux de CO 2 n a dépassé les 280 ppm. Il atteint cependant aujourd hui les 375 ppm. Cette augmentation rapide ne peut être due qu à l activité humaine et, dans le même temps, les observations comme le recul des glaciers ou encore l élévation du niveau des mers sont des preuves du réchauffement global. Ainsi, l Homme est sans doute la première espèce capable de modifier son environnement et d induire un changement climatique d ampleur mondiale. D autres scientifiques tempèrent le raisonnement simpliste qui consiste à penser que l Homme est l unique responsable de l élévation des températures. D autres facteurs doivent évidemment être pris en compte pour évaluer l impact réel de l Homme. L étude des variations des paléoclimats nous indique que les paramètres orbitaux ont une incidence sur la température moyenne de la Terre. L excentricité de l orbite de la planète, c est-à-dire la différence entre la forme de l orbite terrestre et un cercle parfait, fait varier les températures selon une période de 100 000 ans ; l inclinaison de l axe de rotation de la Terre et sa précession induisent également des variations de températures avec des périodes respectivement de 43 000 ans et de 23 000 ans. En fait, la synergie de ces trois paramètres induit des fluctuations de l insolation terrestre, d où les variations climatiques observées dans les archives géologiques. Il faut aussi noter que l activité solaire n est pas identique dans le temps. Depuis sa formation, le Soleil émet globalement de plus en plus de lumière. Il est donc évident que l énergie qui arrive sur Terre est de plus en plus importante au cours du temps. On sait aussi que le Soleil présente des cycles à différentes échelles : on connaît des cycles de l ordre du millénaire (pour exemple, le petit âge glaciaire correspondrait à un minimum d activité à cette échelle de temps) ; il existe aussi des cycles plus courts de onze ans, et nous serions actuellement dans la période d augmentation de l activité solaire, d où l élévation progressive des températures. On peut ainsi conclure qu on ne peut nier l implication de l Homme dans le réchauffement climatique récent, mais il faut aussi prendre en compte d autres paramètres naturels qui ont également une réelle influence sur ce réchauffement. L idée simpliste de l Homme comme seul responsable du phénomène d élévation de température n est pas à vulgariser. Il faut informer la population en lui indiquant que d autres éléments entrent en ligne pour établir la température moyenne de la Terre mais que, si l on souhaite que l équilibre fragile du climat soit préservé, il faut également veiller à limiter les émissions de gaz à effet de serre. 102 Corrigé des exercices séquence 3 SN03

Exercice 4 Certains climatologues pensent qu un petit réchauffement climatique peut entraîner une rétroaction positive engendrant une élévation de température plus conséquente, accentuant donc ce réchauffement. On se propose ici, au travers d une étude documentaire, de montrer la véracité de leur théorie. Pour ce faire, nous étudierons le cas du dégel de l ensemble du permafrost mondial et de ses conséquences possibles sur l augmentation supplémentaire des températures. I. Les gaz à effet de serre et le cycle du carbone. Le document 2 présente le cycle du carbone et, par suite, les échanges qui peuvent avoir lieu entre les différentes enveloppes terrestres. Nous nous intéresserons ici aux échanges entre l atmosphère et la lithosphère et plus particulièrement à ceux qui permettent le retour du carbone vers la lithosphère. En effet, c est l augmentation du carbone atmosphérique, que ce soit sous forme de CO 2 ou sous forme de méthane, qui peut éventuellement induire une augmentation de l effet de serre. Le document 1 nous informe d ailleurs de l importance de ces gaz dans l effet de serre actuel. Nous pouvons alors constater que le CO 2 y contribue à hauteur de 25 % et que le méthane joue également un rôle non négligeable qu on ne peut réellement quantifier puisque sa participation est associée à celle de l oxyde nitreux et de l ozone. En reliant ces informations, on peut aisément comprendre qu en augmentant le rejet de carbone dans l atmosphère, on augmente d autant l effet de serre et le réchauffement climatique. II. Rejet de carbone et dégel du permafrost. Nous apprenons dans le document 3 que le permafrost contient une grande quantité de biomasse congelée. Cette matière organique est constituée d une grande quantité de carbone. Lorsque le sol est congelé, la décomposition de la matière organique est bloquée et il n y a pas de rejet de carbone dans l atmosphère. Cependant, plusieurs scénarios émis par le GIEC font état d une élévation de la température moyenne de 2,5 C ou de 7,5 C. De telles augmentations entraîneraient irrémédiablement une fonte de la partie superficielle du sol et des rejets de carbone compris respectivement entre 30 et 63 MT ou 232 et 380 MT. Cela représente des rejets quatre fois supérieurs aux émissions anthropiques depuis le début de l ère industrielle. Conclusion : Il est alors facile de comprendre que si l élévation de température entraîne le dégel du permafrost et, par suite, la dégradation d une partie de la matière organique qu il contient, une grande quantité de carbone sera libérée dans l atmosphère et augmentera les quantités de gaz à effet de serre. Cet ajout atmosphérique aura pour conséquence le renforcement de l effet de serre et donc augmentera également la température moyenne du globe. Nous pouvons donc voir qu un faible réchauffement peut engendrer une rétroaction positive menant à une augmentation du réchauffement initial. Corrigé des exercices séquence 3 SN03 103