SPÉCIALITÉ
Atmosphère, hydrosphère, climat : du passé à l'avenir
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Afrique • Juin 2017
pratique du raisonnement scientifique
Exercice 2 • 5 points
La transformation de l'atmosphère terrestre
L'atmosphère primitive de la Terre, issue du dégazage volcanique au cours du refroidissement du globe, était très différente de l'atmosphère actuelle. La transformation de l'atmosphère au cours du temps est marquée en particulier par un fort enrichissement en dioxygène, ce qui lui a conféré un caractère oxydant.
▶ À partir de l'exploitation des documents et de vos connaissances, reconstituez la chronologie des événements ayant abouti à une atmosphère riche en dioxygène.
document 1 Les formations sédimentaires d'oxyde de fer
a. Les paléosols rouges continentaux ou « red beds »
Les paléosols, ou sols fossiles, se sont formés par altération de roches continentales au contact de l'atmosphère. La couleur rouge de certains de ces sols provient de la forte teneur en hématite, minéral d'oxyde de fer de formule Fe2O3. Le fer y est oxydé sous la forme ionique Fe3+.
ph © Angus McComiskey/Alarmy Stock Photo
Dépôts sédimentaires continentaux de couleur rouge
Blyde River Canyon, Afrique du Sud
b. Les fers rubanés ou B. I. F. (Banded Iron Formations), des formations océaniques
Les fers rubanés sont formés par une alternance de couches d'oxydes de fer (rouges) et de couches siliceuses (grises). Ce sont des roches sédimentaires qui se sont formées en milieu marin par précipitation de fer et de silice en solution dans l'eau de mer.
Les couches rouges contiennent de l'hématite Fe2O3. Le fer y est oxydé sous la forme ionique Fe3+.
Fers rubanés de Barberton, Afrique du Sudph © Pierre Thomas
D'après planet-terre.ens-lyon.fr
c. Extension temporelle
D'après C. Klein, Nature, 1997
Les plus anciens fers rubanés sont datés de 3,8 milliards d'années (fers rubanés d'Isua au Groenland). Les plus anciens sols rouges sont datés de 2,2 milliards d'années (Blyde River). Tous les sols fossiles plus anciens sont dépourvus d'hématite et montrent un appauvrissement en fer que l'on attribue au lessivage des formes solubles du fer par les eaux de pluie.
document 2 Les différentes formes ioniques du fer
Le fer constitue 5 % de la masse de la croûte terrestre. En solution aqueuse, le fer existe à l'état naturel sous deux formes ioniques :
Fe2+, également noté Fe(II)
Fe3+, également noté Fe(III).
La forme Fe3+ est plus oxydée que la forme Fe2+.
Ces deux formes ioniques ne présentent pas la même mobilité dans l'eau.
Comportement des ions fer en solution selon le degré d'oxydation
ph © Kim Christensen / Shutterstock
Protégée de l'action du dioxygène de l'air, une solution de sulfate de fer(II) reste verdâtre et translucide.
Les ions Fe2+ demeurent en solution.
ph © Kim Christensen / Shutterstock
Sous l'action du dioxygène de l'air, la solution de sulfate de fer(II) a formé un précipité rougeâtre.
Les ions Fe2+ ont été oxydés en ions Fe3+ qui ont précipité aussitôt en oxyde de fer(III) Fe2O3 et hydroxyde de fer(III) Fe(OH)3.
document 3 Les stromatolithes
Les stromatolithes sont des formations sédimentaires carbonatées (calcaires) marines constituées d'une superposition de feuillets formant un dôme. L'origine biologique de ces formations a été démontrée pour des stromatolithes de 2,7 milliards d'années. Les plus anciens stromatolithes ont été datés à environ 3,5 milliards d'années.
| Stromatolithe de Pilbara, Australie | Photographie d'une structure retrouvée dans une lame mince de stromatolithe fossile (Pilbara, Australie) |
|---|---|
|
| 1993 by the American Association for the Advancement of Science – J.W. Schopf in Science, 1993, vol. 260, no 5108, pp. 640-646. |
document 4 Les cyanobactéries
a. Caractéristiques des cyanobactéries actuelles
Les cyanobactéries sont des organismes microscopiques procaryotes. Leur cytoplasme contient notamment des pigments chlorophylliens.
Photographie au microscope optique de cyanobactéries actuelles (genre Nostoc)ph © Dr. Robert Calentine/Visuals Unlimited/Getty Images
b. Métabolisme des cyanobactéries actuelles
Une culture de cyanobactéries est placée dans une enceinte hermétique. Les teneurs en dioxygène et en dioxyde de carbone sont relevées en différentes conditions d'éclairement.
Évolution des teneurs en dioxygène et dioxyde de carbone de la culture de cyanobactéries
Les clés du sujet
Comprendre le sujet
Les documents à analyser se rapportent à la succession des phénomènes qui ont conduit à la présence de dioxygène dans l'atmosphère, sachant que l'atmosphère initiale n'en contenait pas.
Le document 2 fournit les données de chimie nécessaires pour exploiter les informations fournies par le document 1. Il n'est pas judicieux d'exploiter ce document isolément, et il est donc préférable de l'associer à l'analyse du document 1.
Il faut bien se rappeler qu'il y a un équilibre entre le dioxygène dissous dans l'eau et le dioxygène atmosphérique. Si les eaux marines sont oxygénées et que l'atmosphère est dépourvue de dioxygène, celui-ci diffuse de l'eau vers l'atmosphère.
Enfin, pour exploiter les documents 3 et 4, qui renseignent sur l'origine du dioxygène, il est nécessaire de réinvestir le principe de l'actualisme.
Mobiliser ses connaissances
L'atmosphère initiale de la Terre était différente de l'atmosphère actuelle. Sa transformation est la conséquence, notamment, du développement de la vie. L'histoire de cette transformation se trouve inscrite dans les roches, en particulier celles qui sont sédimentaires. Elles révèlent le passage de l'atmosphère primitive à l'atmosphère oxydante.
Corrigé
L'histoire de la transformation de l'atmosphère terrestre, et en particulier celle de son oxygénation, est inscrite dans les formations sédimentaires continentales et marines anciennes. L'exploitation des informations fournies par ces roches va nous permettre de reconstituer la chronologie des événements qui ont abouti à la présence de dioxygène dans l'atmosphère.
I. Les paléosols rouges : l'apparition du dioxygène dans l'atmosphère
Les plus anciens sols rouges (document 1a) sont datés de 2,2 Ga (milliards d'années). La couleur rouge de ces sols est due à leur richesse en hématite (oxyde ferrique). Le document 2 indique que, sous l'action du dioxygène de l'air, les ions ferreux en solution s'oxydent en ions ferriques qui précipitent en oxyde ferrique, notamment en hématite.
Les paléosols rouges témoignent de la présence du dioxygène dans l'atmosphère depuis 2,2 Ga. Leur abondance croissante au cours du temps est due, en partie, à une augmentation de la teneur en dioxygène de l'atmosphère.
Inversement, l'absence de paléosols rouges indique qu'avant 2,2 Ga, l'atmosphère était dépourvue de dioxygène.
II. Les fers rubanés : l'apparition du dioxygène sur le globe terrestre
Les gisements de fers rubanés sont des formations marines qui apparaissent il y a 3,5 Ga et persistent jusqu'à 2,2 Ga, en connaissant un grand développement entre 2,7 et 2 Ga. Ces formations sédimentaires contiennent des couches riches en hématite où le fer se trouve à l'état oxydé (doc. 1c).
Le document 1b indique que les sols continentaux plus anciens que 2,2 Ga montrent un appauvrissement en fer que l'on attribue au lessivage des formes solubles du fer, c'est-à-dire les ions ferreux (doc. 2), par les eaux de pluie.
L'hématite des fers rubanés résultait donc d'une oxydation des ions ferreux provenant de l'altération des roches continentales et apportés aux eaux marines par les fleuves et rivières. Cette oxydation indique qu'au moment des dépôts des couches rouges des fers rubanés, les eaux marines contenaient de l'oxygène dissous.
Cela signifie aussi qu'un mécanisme producteur de dioxygène était apparu en milieu marin. Mais, pendant la majeure période du dépôt des fers rubanés, le dioxygène produit était immédiatement consommé par l'oxydation des ions ferreux… En conséquence, il ne diffusait pas dans l'atmosphère.
info
Le caractère discontinu du dépôt des couches rouges des fers rubanés (alternance avec des couches siliceuses) semble indiquer que les eaux marines n'étaient pas constamment oxygénées.
III. Les cyanobactéries : l'origine du dioxygène
Les gisements de fers rubanés commencent à se former il y a 3,5 milliards d'années, ce qui coïncide avec l'apparition des stromatolithes (doc. 3). Cela suggère une relation de cause à effet.
Les documents 3 et 4a montrent que les stromatolithes sont des formations marines qui présentent des structures filamenteuses que l'on retrouve dans les cyanobactéries actuelles. Des édifices évoquant les stromatolithes fossiles sont d'ailleurs actuellement édifiés par les cyanobactéries.
Les cyanobactéries sont des micro-organismes procaryotes dont le cytoplasme contient des pigments chlorophylliens. Le milieu de culture de bactéries actuelles s'appauvrit en dioxyde de carbone et s'enrichit en di-oxygène lorsque les cyanobactéries sont éclairées (doc. 4). Cela signifie que ces micro-organismes chlorophylliens ont, à la lumière, des échanges gazeux photosynthétiques avec leur milieu de vie aquatique. Le dioxygène est un produit de la photosynthèse.
L'application du principe de l'actualisme conduit à dire que les cyanobactéries fossiles qui ont peuplé les eaux marines depuis 3,5 Ga étaient aussi capables de photosynthèse, et sont donc à l'origine du dioxygène dissous dans les eaux marines dont la présence est révélée par les fers rubanés.
info
Les cyanobactéries respirent (document 4b) s'il en était de même pour les cyanobactéries fossiles, une partie du dioxygène produit par photosynthèse était utilisée pour leur respiration, mais l'intensité de leurs échanges gazeux photosynthétiques était supérieure à celle de leurs échanges gazeux respiratoires de sorte que, globalement, elles oxygénaient leur milieu de vie.
Bilan
L'atmosphère initiale était totalement dépourvue de dioxygène. Le dioxygène produit en milieu marin entre 3,5 et 2,2 milliards d'années était d'origine biologique car provenant de l'activité photosynthétique des cyanobactéries.
Pendant cette période, le dioxygène a été entièrement consommé par l'oxydation des ions ferreux dissous dans l'eau de mer. Les eaux marines n'étaient que transitoirement oxygénées et, par conséquent, le dioxygène ne diffusait pas dans l'atmosphère. Celle-ci est restée sans dioxygène jusqu'à 2,2 Ga.
Entre 2,2 et 1,8 Ga, on constate à la fois la présence de fers rubanés en milieu marin (mais ils sont en net déclin) et de paléosols rouges en milieu continental. Cela signifie que la production biologique de dioxygène par les cyanobactéries n'a pas été entièrement consommée par l'oxydation des ions ferreux. Les eaux océaniques sont devenues oxygénées en permanence et le dioxygène a diffusé dans l'atmosphère.
Par la suite, l'augmentation de la teneur en dioxygène suggérée par le document sur les paléosols est due au fait que les mécanismes producteurs de dioxygène l'emportent sur les mécanismes biologiques (respiration) et physico-chimiques (oxydation des ions minéraux).