Développement des stromatolites et évolution de l’atmosphère

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Atmosphère, hydrosphère, climats
Type : Pratique du raisonnement scientifique 2 | Année : 2013 | Académie : France métropolitaine
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Développement des stromatolites et évolution de l’atmosphère
 
 

Atmosphère, hydrosphère, climat

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Spécialité

42

CORRIGE

 

France métropolitaine • Septembre 2013

pratique du raisonnement scientifique

Exercice 2 • 5 points

Les enveloppes fluides de la Terre (atmosphère et hydrosphère) sont en interaction permanente avec la biosphère et la géosphère.

> En vous appuyant sur les données des documents et sur vos connaissances, montrez que l’activité d’êtres vivants a des conséquences sur la composition des enveloppes fluides et sur celle de la géosphère, à l’échelle des temps géologiques.

Document 1

Organisation des stromatolites

Les stromatolites (du grec stroma, « tapis » et lithos, « pierre ») sont des structures en couches résultant de l’activité de micro-organismes photosynthétiques appelés cyanobactéries et d’un piégeage de particules sédimentaires. Ils se forment en milieu marin côtier.


 

Les éléments a et b présentent la croissance verticale des filaments de cyanobactéries le jour, avec piégeage de sédiments et précipitation des carbonates. c présente la croissance horizontale des filaments d’autres bactéries la nuit et fixation des particules.

D’après planet-terre.ens-lyon.fr

Document 2

Processus chimiques à l’origine de la croissance des stromatolites

La croissance en couches successives d’un stromatolite, outre le dépôt et le piégeage mécanique de particules sédimentaires par les filaments bactériens, est la conséquence :

  • de la solubilisation du dioxyde de carbone atmosphérique dans l’eau (1) ;
  • de la dissolution du dioxyde de carbone qui donne des ions hydrogénocarbonates (HCO3-) (2) ;
  • de la précipitation biochimique du carbonate de calcium (CaCO3) formant un ciment calcaire à partir des hydrogénocarbonates (HCO3-) et des ions calcium (Ca2+) (3) ;
  • de la photosynthèse des cyanobactéries (4).

 

D’après planet-terre.ens-lyon.fr

Document 3

Les formations de fers rubanés et l’apparition du dioxygène atmosphérique

Avant deux milliards d’années, l’océan contenait des ions ferreux Fe2+ provenant de l’érosion des continents qui réagissaient avec le dioxygène dissous dans l’eau pour former des oxydes de fer à l’origine des fers rubanés. Depuis un peu moins de 2 milliards d’années, l’océan est dépourvu d’ions ferreux car ils se combinent avec le dioxygène atmosphérique pour former des oxydes de fer sur les continents.


 

D’après planet-terre.ens-lyon.fr

Comprendre le sujet

  • Rappelez-vous la définition des enveloppes terrestres : géosphère (partie solide du globe), hydrosphère (mers et autres étendues d’eau liquide), atmosphère (enveloppe gazeuse entourant le globe) et biosphère (ensemble des êtres vivants).
  • Sachant que les stromatolites et les gisements de fers rubanés appartiennent à la géosphère, et que les cyanobactéries sont un élément de la biosphère, vous devez vous interroger : quels documents permettent de dégager les répercussions de l’activité de la biosphère sur la géosphère, et par quels mécanismes ?
  • Expliquez en quoi la biosphère a influencé la teneur en dioxygène de l’hydrosphère et de l’atmosphère.
  • Il est possible d’exploiter les documents suivant l’ordre proposé, mais il est préférable de structurer le devoir en fonction du libellé du sujet : action de la biosphère sur la géosphère, puis action de la biosphère sur l’hydrosphère et l’atmosphère.

Mobiliser ses connaissances

L’atmosphère initiale de la Terre était très différente de l’atmosphère actuelle. Sa transformation est la conséquence, notamment, du développement de la vie et l’histoire de cette transformation se trouve inscrite dans des roches, en particulier sédimentaires.

Corrigé

Introduction

La composition des enveloppes fluides de la Terre (atmosphère et hydrosphère) et la nature des roches de la géosphère ont évolué au cours de l’histoire de la Terre. Les organismes vivants ont contribué à cette évolution, que nous allons appréhender à partir de l’exemple des cyanobactéries.

I. Biosphère et géosphère

1. La biosphère à l’origine de roches calcaires

  • Le document 3 indique que les plus anciens stromatolites sont datés d’environ 3,8 Ga (milliards d’années).
  • Le document 1 montre qu’un stromatolite est constitué de lamelles calcaires superposées. Celles-ci matérialisent une croissance du stromatolite en couches successives. La surface de ces formations présente un tapis formé de bactéries, dont les plus remarquables sont des cyanobactéries qui sont responsables de la construction des stromatolites.
  • Le document 1 indique que les cyanobactéries sont constituées de filaments formés par l’association de cellules procaryotes chlorophylliennes enrobées dans un mucus. Cet ensemble permet de piéger des particules sédimentaires minérales. En outre, les cyanobactéries sont responsables d’un dépôt de calcaire qui soude entre elles les particules minérales, formant ainsi une nouvelle lamelle.
  • Le document 2 permet de comprendre le rôle des cyanobactéries dans la précipitation des carbonates (CaCO3) :
  • les cyanobactéries chlorophylliennes réalisent la photosynthèse qui assure la production de matières organiques à partir de matières minérales (CO2 et H2O) ;
  • dans l’eau où elles vivent, se trouvent du CO2 et des ions HCO3- solubles. En réalisant la photosynthèse, les cyanobactéries appauvrissent l’eau de leur environnement en dioxyde de carbone. Dans cette situation, l’équation proposée se lit de gauche à droite et aboutit à la précipitation des carbonates.
  • Le document 1 indique que les filaments de cyanobactéries emprisonnées dans la couche minérale formée meurent pour la plupart. Sur ce substrat, une nouvelle association bactérienne s’installe et sera à l’origine d’une nouvelle lamelle. Les stromatolites fossiles et les stromatolites actuels ayant la même organisation, on peut, en appliquant le principe de l’actualisme, affirmer que dès - 3 Ga,des êtres vivants ont participé à la formation de roches calcaires.

2. La biosphère à l’origine de minerais de fer

  • Le document 3 indique que les gisements de fers rubanés se sont formés entre - 3,5 Ga et - 1,9 Ga. Ils constituent les principaux gisements de fer mondiaux. Durant leur formation, l’atmosphère ne contenait pas de dioxygène, ou très peu (entre - 2 et - 1,9 Ga). Ils sont exclusivement d’origine marine.
  • Durant toute la période de formation des gisements de fers rubanés, l’océan contenait des ions ferreux (Fe2+) solubles, provenant de l’érosion des continents. La présence de minerais de fer (oxyde ferrique Fe2O3) dans les formations rubanées ne peut s’expliquer que par l’oxydation des ions ferreux en oxydes ferriques Fe2O3insolubles, ce qui implique la présence de dioxygène dans l’eau de mer.
  • L’atmosphère ne contenant pas de dioxygène, la seule source possible est le dioxygène libéré par la photosynthèse des cyanobactéries, seuls organismes photosynthétiques existant à cette époque. Ce dioxygène était immédiatement consommé par l’oxydation des ions ferreux en oxyde ferrique.

3. Bilan

Indirectement, les cyanobactéries, êtres vivants, ont donc contribué à la formation de roches sédimentaires (carbonates et minerais de fer). Ainsi, la biosphère a influencé la composition de la géosphère.

II. Biosphère et enveloppes fluides (hydrosphère et atmosphère)

  • Le document 3 confirme que, pendant les deux premiers milliards d’années, l’atmosphère primitive ne contenait pas de dioxygène. Celui-ci est apparu à partir de - 2 Ga, et sa teneur a considérablement augmenté à partir de - 1 Ga jusqu’à - 0,5 Ga.
  • Ce dioxygène ne peut provenir que d’organismes photosynthétiques. Jusqu’il y a environ 500 millions d’années, ces organismes étaient uniquement aquatiques. Le dioxygène est donc apparu d’abord dissous dans l’eau, et c’est par les mécanismes physiques de diffusion des gaz entre deux milieux (eau et air) qu’il est apparu dans l’atmosphère.
 

Attention

Les documents ne fournissent aucun renseignement sur l’importance quantitative des stromatolites au cours de l’histoire de la Terre, information nécessaire pour tenter d’expliquer la brusque augmentation de la teneur en dioxygène à partir de - 1 Ga.

  • À partir de - 2 Ga, la présence de dioxygène dans l’eau des océans et dans l’atmosphère implique que sa production par les êtres vivants photosynthétiques a été plus grande que sa consommation par oxydation de matériel minéral.
  • L’évolution de la composition de l’atmosphère n’a pas concerné que le dioxygène. L’atmosphère primitive était très riche en dioxyde de carbone, dont la teneur a considérablement diminué : le CO2 a été piégé sous forme de carbonates, et l’exemple des stromatolites montre que des êtres vivants chlorophylliens sont non seulement à l’origine du dioxygène des enveloppes fluides, mais ont aussi, en provoquant la production de carbonates, contribué à la diminution de la concentration en dioxyde de carbone de l’atmosphère.

Conclusion

Cet exemple des stromatolites montre comment des organismes photosynthétiques appartenant à la biosphère ont contribué à modifier à la fois la géosphère, l’hydrosphère et l’atmosphère qui, elles-mêmes, sont en interaction permanente.