TP1 L évolution de l atmosphère THEME 2 spécialité Chapitre 3/ Fiche sujet candidat Mise en situation et recherche à mener L'atmosphère primitive ne contenait pas d'o2 contrairement à l'atmosphère actuelle (21%). Des fossiles très anciens, les stromatolites, suggèrent que vers -3,5 Ga, des êtres vivants procaryotes, proches des cyanobactéries actuelles, étaient présents sur la Terre. Ces êtres vivants étaient capables de réaliser la photosynthèse et donc de dégager du dioxygène. Mais, les géologues se sont longtemps affrontés sur le lien entre ces êtres vivants procaryotes et ces formations calcaires nommées stromatolites. On a découvert assez récemment des stromatolites actuels. Ils se mettent en place en milieu marin et sont associés à des filaments de cyanobactéries, bactéries photosynthétiques. On se propose de montrer qu il existe une relation entre l activité photosynthétique des cyanobactéries et la formation des dépôts calcaires appelés ʺstromatolitesʺ. Ressources - Matériel réel : Des cyanobactéries actuelles cultivées en milieu riche en ions bicarbonate HCO 3 - depuis au moins 3 jours ; Matériel envisageable : de laboratoire (verrerie, instruments ) d observation (microscope, loupe binoculaire ) de mesure et d expérimentation (balance, chaine ExAO ) informatique et d'acquisition numérique Document 3 Les cyanobactéries sont des organismes constitués de cellules procaryotes possédant de la chlorophylle a et des pigments protéiques colorés bleus ou rouges. La précipitation de la calcite des carbonates suit la réaction:2 HCO 3 - + Ca 2+ CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Au microscope, en lumière polarisée analysée (LPA) les cristaux de calcite montrent une irisation nette dans le jaune, orange, rouge La calcite est mise en évidence par un dégagement de CO 2 avec l'acide chlorhydrique ("effervescence") selon la réaction : 2 HCl + CaCO 3 CO 2 (gaz) + Ca 2+ + 2Cl - + H 2 O
Étape 1 : concevoir une stratégie pour résoudre un problème scientifique (durée max 10 min) 4pts Proposer une démarche d investigation permettant de répondre au problème posé. Appeler l examinateur pour vérifier la proposition et obtenir la suite du sujet. Votre proposition peut être écrite au brouillon et/ou énoncée oralement Liste des critères de réussite : Stratégie de résolution rigoureuse, réalisable au laboratoire en accord avec le problème. Le candidat précise ce qu il s attend à obtenir A(4) B(3) C(1) D(0) Étape 2 : Mettre en œuvre un protocole de résolution pour obtenir des résultats exploitables 8pts Mettre en œuvre le protocole (fiche protocole) Appeler l examinateur pour vérifier le résultat et éventuellement obtenir une aide. Demander la fiche réponse-candidat Liste des critères de réussite : Le candidat met en œuvre le protocole de manière satisfaisante, seul ou avec une seule aide mineure (maîtrise le matériel, respecte les consignes et gère correctement son poste de travail). Il obtient des résultats exploitables. Étape 3 : Présenter les résultats pour les communiquer 5pts Présenter vos résultats sous la forme de votre choix. (fiche réponse candidat.) Répondre sur la fiche-réponse candidat, appeler l'examinateur pour vérification de votre production. Barême A(8) B(6) C(3) D(0) Liste des critères de réussite : Le candidat présente un résultat compréhensible, complet et exact, qui respecte les règles de communication. Ici celles du A(5) B(3) C(1) D(0) Étape 4 : Exploiter les résultats obtenus pour répondre au problème posé 3pts Exploiter les résultats pour répondre au problème posé. Répondre sur la fiche-réponse candidat Liste des critères de réussite : Le candidat utilise de manière satisfaisante (pertinente, complète, exacte et critique) les informations tirées des résultats obtenus pour apporter une réponse au problème posé. A(3) B(2) C(1) D(0) Matériel disponible et protocole d'utilisation du matériel Fiche protocole Matériel à disposition : Matériel biologique : - Une suspension de cyanobactéries - Une suspension de cyanobactéries cultivées en milieu riche en ion bicarbonate HCO 3 - depuis au moins 3 jours Matériel pour la mesure : - Une chaîne d acquisition ExAO comportant une sonde à dioxygène et une enceinte avec dispositif d agitation et éclairage - Un logiciel d acquisition et sa fiche technique - Une pipette et du papier absorbant Protocole expérience Paramétrage des mesures et réalisation du montage - Paramétrer une mesure (ExAO) de 5 minutes du taux de dioxygène dans la solution de cyanobactéries à agitation constante et modérée Protocole d acquisition des mesures - Après avoir lancé la mesure, faire varier l intensité de l éclairement à intervalles réguliers. Protocole d observation des dépôts cristallins et de mise en évidence de leur nature - Réaliser une préparation microscopique de filaments de cyanobactéries (cultivées en milieu riche en ion bicarbonate depuis 3 jours). Milieu de montage : eau. - Observer cette préparation. - Puis observer la disparition de la calcite (CaCO 3 ) avec de l HCl entre lame et lamelle selon le protocole suivant : Utiliser la pipette pour déposer HCl sur le bord de la lamelle. Sans modifier la position de la lame sur la platine du microscope, faire diffuser HCl en suivant le protocole schématisé ci-
Matériel pour l observation : - Microscope polarisant - Lames de verre - Lamelles couvre objet - Eventuellement, du matériel d acquisition et de numérisation d images macroscopiques et microscopiques - Un flacon compte-goutte d HCl dessous.
Étape 3 : Présenter les résultats pour les communiquer Fiche réponse candidat Étape 4 : Exploiter les résultats obtenus pour répondre au problème
Correction Question 1 Niveau A = niveau B auquel on ajoute : résultats attendus = activité photosynthétique des cyanobactéries ; mise en évidence de la calcite (HCl ou cristaux) Niveau B = niveau C auquel on ajoute : mise en évidence de la photosynthèse (donc de l utilisation du CO 2 déplaçant la réaction vers la précipitation de CaCO 3) et mise en évidence de CaCO 3 la précipitation biochimique de minéraux, par exemple liée à l'activité photosynthétique. Dans ce cas, la précipitation se fait par le couplage des deux réactions suivantes : la photosynthèse (effectuée par les cyanobactéries) : CO 2 + H 2 O = "CH 2 O" + O 2 ; la précipitation des carbonates : 2 HCO 3 - + Ca 2+ = CaCO 3 + CO 2 + H 2 O. Dans un système où des ions carbonates (ou hydrogénocarbonates) existent en solution, on voit donc que, si on soustrait du CO 2 au système, l'équation des carbonates est déplacée vers la droite, c'est-à-dire vers la précipitation de carbonates. La photosynthèse consomme du CO 2, si bien qu'elle induit localement la précipitation de carbonates. D'autres actions chimiques (par exemple modifications du ph liée à la présence de matière organique) peuvent aussi déplacer cet équilibre et causer la précipitation de carbonates. Résultats protocole - Évolution de la concentration en 0 2 en présence de cyanobactéries ayant été exposées à la lumière - Indications relatives à l observation microscopique des cyanobactéries avant action de l HCl (filament, dépôt de calcite) - indications relatives à l observation microscopique après action de l HCl (filament, disparition du dépôt cristallin)