TP-TD 2 : De l’atmosphère primitive réductrice à l’atmosphère oxydante

Objectifs : On cherche à comprendre les événement qui se sont succédés entre l’apparition des premiers êtres photosynthétiques et l’apparition du dioxygène atmosphérique : de -3,8 GA à -2,2 GA

Capacités testées :

  • Raisonner, argumenter, démontrer en exerçant un regard critique
  • Communiquer à l’écrit et à l’oral en utilisant un langage rigoureux et des outils pertinents
  • Analyser un problème et concevoir un protocole
  • Mettre en œuvre un protocole expérimental dans le respect des consignes de sécurité et de l’environnement
  • résultat d’expérience

I- Atmosphère primitive et conditions d’origine

A- L’atmosphère primitive

  1. A l’aide de votre livre pages 84-85, répondez aux questions 2, 3
  2. Comparez les résultats obtenus dans l’analyse des météorites avec celle des roches volcaniques
  3. A l’aide du tableau suivant comparez l’atmosphère primitive à celle actuelle.

Document 1 : Tableau comparatif de la composition atmosphérique primitive et actuelle

 Atmosphère primitiveAtmosphère actuelle
H2O environ 80%Traces
CO2 environ 15%0,03%
N2 environ 5%78%
O20%21%

B- Evolution de l’atmosphère primitive

A l’aide du document suivant, émettez des hypothèses sur le devenir de chaque molécule.

Document 2 : Evolution de l’atmosphère en fonction des âges

atmprim

II- L’origine des conditions oxydantes sur Terre

Les stromatolites sont des formations calcaires qui apparaissent dans les couches géologiques. Leur forme la plus fréquente est celle d’un « choux fleur » de quelques dizaines de centimètres à un mètre.

stromatolites-1021759_1920

Chaque structure est formée par l’accumulation de minces couches de carbonate de calcium déposées lors de l’activité photosynthétique des Cyanobactéries vivantes situées au sommet.

stromalithes actuels à marée basse (en Australie) : 

stromatolites-australie

L’étude des rares stromatolites se formant encore actuellement (en Australie par exemple dans la shark bay) montre que leur formation est liée a l’activité de Cyanobactéries et de bactéries vivant à leur surface. L’activité photosynthétique des premières, en consommant du CO2, entraîne la précipitation du carbonate de calcium à partir du bicarbonate de calcium en solution dans l’eau. La réaction ci-dessous est déplacée vers la droite.

2 HCO3  + Ca2+ —–>CaCO3 + CO2 + H2O

carbonate (soluble) + calcium (soluble) ——> Carbonate de calcium (insoluble) + CO2 + H2O

Ce carbonate de calcium (ou calcaire) se dépose en couches successives à la surface du stromatolite ce qui assure sa croissance vers le haut.

Exemple de stromatolithes retrouvés dans une colonne stratigraphique

stratesstromato

A l’aide des documents, datez l’apparition des stromatolites.

Ce qui suit se présente sous la forme d’une ECE :

Mise en situation et recherche à mener

L’atmosphère primitive ne contenait pas d’O2  contrairement à l’atmosphère actuelle (21%).

o2etbif

On cherche à déterminer d’où provient l’O2 atmosphérique et pourquoi cette atmosphère est apparue tardivement par rapport à l’apparition des premières cyanobactéries.

  1. Proposer une stratégie de résolution réaliste permettant de vérifier que l’apparition de l’O2 coïncide avec l’apparition des stromatolites à condition de prendre en compte le temps un temps de résidence et d’action dans les océans.
  2. Mettre en oeuvre un protocole de résolution pour obtenir des résultats exploitables : Mettre en oeuvre le protocole afin de montrer que les stromatolites réalisent la photosynthèse libère de l’O2 et que le fer contenu dans les océans a d’abord mobilisé l’O2 en s’oxydant.
  3. Présenter les résultats pour les communiquer : Sous la forme de votre choix présenter et traiter les données brutes pour qu’elles apportent les informations nécessaires à la résolution du problème.
  4. Exploiter les résultats obtenus pour répondre au problème : Exploiter les résultats pour vérifier que l’apparition de l’agriculture coïncide avec un réchauffement climatique au début de la période géologique de l’Holocène.attentionATTENTION, pour l’étape 3 :

    On attend du candidat qu’il présente une production : 

    techniquement correcte (soignée, lisible, approprié, …)

    bien renseignée (informations complètes et exactes dans le cadre du moyen de communication choisi)

    bien organisée (informations traduites dans le sens du problème à traiter)

    Ici, ce qui peut être attendu : un schéma de cyanobactérie observée au MO + Courbe ExAO + Résultat de solubilité du fer

    attentionATTENTION, pour l’étape 4 :

    On attend du candidat qu’il exploite l’ensemble des résultats

    = je vois

    Qu’il intègre des notions (issues des ressources, de la mise en situation ou d’un apport du candidat)

    = je sais

    Qu’il construise une réponse au problème posé explicative et cohérente intégrant les résultats

    = je conclus et réponds au problème posé

    Protocoles :

    A- Observation de cyanobactéries

    Monter entre lame et lamelle des cyanobactéries.

    Appeler pour vérification

    B- ExAO

    Afin de vérifier que dans l’eau, le dioxygène produit par des organismes photosynthétiques a pu se combiner au fer dissous, réaliser l’ExAO proposée :

    • Mettre les cyanobactéries dans l’enceinte de réaction et à l’obscurité
    • Démarrer l’enregistrement pour 10 min
    • Eclairer la suspension au temps 2 minutes
    • Ajouter 1mL de sulfate de fer au temps 5 minutes

Précautions de la manipulation : veiller à l’absence de bulle d’air au contact de la tête de sonde.

C-  Etat du fer et solubilité

Les métaux sont plus ou moins solubles dans l’eau. Ainsi, le fer ferreux (Fe II) est beaucoup plus soluble que le fer ferrique (Fe III).

Protocole :

  1. Dans un tube à essai :
  2. Introduire  un peu de sulfate ferreux (FeSO4 ).
  3. Diluer  avec 1 à 2 mL d’eau distillée
  4. Bien agiter  le tube jusqu’à dissolution et noter  la couleur.
  5. Ajouter  quelques gouttes d’eau oxygénée (H2 O2 ).

Noter  et interpréter  le résultat obtenu

COMPLEMENT :  en + du I-A, répondez aux questions 2, 3 et 4 de votre livre p 86