Chapitre I. L'atmosphère terrestre et la vie (enseignement scientifique, terminale)

SEMAINE 1

Dans ce chapitre, nous comparerons la composition de l'atmosphère de la Terre primitive et l'atmosphère de la Terre actuelle.
La majorité des scientifiques s'accordent à penser que toutes les planètes su système solaire de sont formées au même moment, c'est à dire il y a environ 4,5 GA (giga-années) par accrétion de poussières stellaires. Certains corps, cependant, ne se sont pas maintenus agglomérés et ont données naissances aux astéroïdes qui forment des ceintures. Lorsque deux astéroïdes se choquent, l'un deux peut être expulsé de la ceinture et tomber par gravité sur une planète. On a alors une météorite.
Sachant que la composition des astéroïdes est la même que celle des planètes, les planétologues en ont déduit que la composition des gaz présents dans les astéroïdes (et les météorites) pouvaient être équivalente à celle des planètes primitives dont la Terre.

Composition des gaz d'une météorite

Composition comparée de l'atmosphère de la Terre primitive et de la Terre actuelle

Si on résume, l'atmosphère de la Terre primitive est constituée de beaucoup de vapeur d'eau et de CO2, et d'un peu de diazote. Il y a absence totale de dioxygène
Afin de conforter cette hypothèse, on a étudié la composition des gaz volcaniques. On constate que la composition globale est proche des hypothèses décrites plus haut.

Composition moyenne des gaz émis par un volcan

Une des particularités de l'atmosphère terrestre est la présence de dioxygène. Ce dioxygène est apparu sur Terre, il y a, environ 3 GA. La présence d'O2 sur Terre est un des paramètres qui explique l'évolution des formes de vie sur notre planète. Attention, l'absence d'O2 n'empêche pas la vie de se développer, comme les bactéries fermentaires le démontrent.

Evolution de la composition des gaz atmosphériques au cours du temps

Un autre des paramètres de l'apparition et de l'évolution de la vie sur Terre est le point triple de l'eau. Ce point triple de l'eau montre que dans les conditions de température et de pression régnant sur Terre, l'eau est présente sous ses trois états, liquide, solide, gazeux. C'est une particularité importante car si on prend une planète comme Mars, seule l'eau à l'état solide est présente.

Diagramme du point triple de l'eau

Origine et évolution du dioxygène sur Terre

En Afrique du Sud, on trouve une formation géologique appelée formation de Barberton datée 3,2 GA. On constate que cette formation est de couleur globalement rouge. En géologie, de telle roche sont caractéristique de la présence d'oxyde de fer.

La formation de Barberton

Si on regarde de plus près cette formation, on constate qu'elle est formée de couches successives (qui lui vaut son nom de minerai de fer rubané).

Le minerai de fer rubané

Cela signifie qu'on est présence de très vieilles roches sédimentaires qui ont été métamorphisées au cours du temps. Les roches sédimentaires se formant essentiellement en milieu marin, cela signifie que le dioxygène est apparu en milieu marin. Le dioxygène dissous dans l'eau a donc oxydé le fer à l'état d'ions solubles provoquant la formation d'un oxyde insoluble qui s'est déposé sur les fonds marins donnant les minerais de fer rubanés. La vie sur Terre serait apparu il y a environ -3,5 GA
On estime aujourd'hui que les premières traces de dioxygène sont dues à l'activité photosynthétique d'organisme procaryotes appelées cyanobactéries. Ces cyanobactérie, apparues il y a plus de 3 GA, existent toujours.

Une cyanobactérie actuelle, Anabœna

La photosynthèse nécessitant la lumière solaire, les premières cyanobactéries devaient être proches de la surface. C'est ce qu'on constate dans le cas des stromatolithes de Shark Bay en Australie. Ces stromatolithes sont des édifices calcaires construits par l'activité des cyanobactéries dans la zone intertidale (zone de balancement des marées).

Carte de l'Australie. Shark Bay est indiquée par une flèche noire

Stromatolithes à marée basse

Stromatolithes à marée haute

A suivre...

SEMAINE 2

Fiches de l'activité que nous aurions dû faire à partir d'aujourd'hui 9 septembre (sauf T1).

Attention Warning :
Même si ces fiches proviennent du site académique de Nantes, il y a une énorme ânerie dans le texte de la troisième fiche. A la troisième ligne sous les deux courbes, on peut lire cette abomination : "Ensuite lors de l'ajout de la solution du sulfate de fer, on note une diminution de cette photosynthèse ".
Outre le fait qu'on ne commence jamais une phrase par ensuite, la photosynthèse ne diminue pas. Tant qu'on éclaire une plante verte, elle photosynthétise. Simplement dans ce cas, le dioxygène est piégé par l'oxyde de fer et n'est donc pas libéré dans l'eau
On brûlait pour moins que ça au Moyen-âge !

Suite du cours (SEMAINE 2 pour les T1, SEMAINE 3 pour les autre)

Une coupe dans un stromatolithe actuel montre que seule la partie la plus externe est vivante et contient des cyanobactéries. Le reste est calcifié par précipitation de carbonate de calcium, cette précipitation étant due à l'activité photosynthétique.

Coupe dans un stromatolithe actuel

 

Les stromatolithes fossiles peuvent atteindre des tailles énormes comme le montre la photo ci-dessous prise dans le massif du Harz en Allemagne centrale.

 

Une coupe dans un stromatolithe fossile montre une structure tout à fait comparable au stromatolithe actuel. Si on applique l'actualisme (les mêmes causes engendrent les mêmes conséquence quelque soit l'époque), on peut considérer que les cyanobactéries fossiles sont bien à l'origine de l'apparition du dioxygène sur Terre.

Coupe de stromatolithe fossile

 

Une vidéo sur les stromatolithes géants des Bahamas découverts en 1986

 

A partir d'un certain nombre d'artéfacts géologiques on a pu reconstituer la courbe d'évolution du taux de dioxygène sur Terre depuis son apparition. Après que tout le fer II ait été oxydé, on estime que le dioxygène passe dans l'atmosphère, il y a environ 2,4 GA.

 

On peut constater que le taux de dioxygène a été au plus haut durant le carbonifère

 

Le carbonifère est une période du paléozoïque pendant laquelle les forêts (fougères arbustives surtout) recouvraient une grande partie des terres émergées. C'est de cette période que date les charbons du Nord-Pas-de-Calais. L'intense activité photosynthétique amène le taux de dioxygène à plus de 30%. Cette pression d'oxygène a entrainé une augmentation de la taille des insectes. C'est ainsi que Meganeura, une libellule, a pu atteindre une taille de 70 cm d'envergure.

Fossile de Meganeura au musée de Bruxelles

 

On peut ainsi facilement établir un cycle du dioxygène permettant de définir les phénomènes de consommation et de libération de O2. On parle de source pour la fabrication de dioxygène et de puits pour la consommation de dioxygène. On constate sur le schéma suivant que les deux phénomènes majeurs sont la photosynthèse (source) et la respiration (puits).

 

SEMAINE 4

Activités.

Observation microscopique de Cylindrospermum x 400. Cylindrospermum est une cyanobactérie filamenteuse.

 

Observation de coupe de stromatolithes à la loupe binoculaire. La partie la plus externe la était la zone photosynthétique occupée par les cyanobactéries.

 

SEMAINE 5

Le stockage et le cycle du carbone

Dans le cycle simplifié ci-dessous, on constate que le carbone se trouve sous deux états à la surface du globe :

— à l'état minéral dans l'atmosphère sous forme de CO2

— à l'état organique intégré dans la matière organique des êtres vivants.

Le passage de l'état minéral à l'état organique se fait essentiellement chez les végétaux grâce au phénomène de photosynthèse :

dioxyde de carbone + eau = glucose + dioxygène

Le passage de l'état organique se fait essentiellement par le phénomène de respiration cellulaire et de décomposition lorsque la matière organique est morte :

glucose + dioxygène = dioxyde de carbone + eau

 

Le phénomène de fossilisation se fait en milieu anoxyque (absence d'oxygène). La matière organique disparait peu à peu mais le carbone subsiste dans la roche carbonée (charbon ou pétrole). Lorsqu'on utilise un combustible fossile on libère donc du CO2 qui a été immobilisé il y a plusieurs centaines de millions d'années. Attention, il n'y a pas de stockage du dioxygène mais il y a stockage de carbone.

Fougère fossile conservée dans du charbon du Pas-de-Calais (Carbonifère, 300 millions d'années)

 

Le cycle du carbone ci-dessous a été réalisé d'après les travaux du GIEC (groupe intergouvernemental d'étude du climat). Il s'agit de la version 2014 qui a été réalisée au moment de la COP 21 qui a abouti aux accords de Paris sur le climat.

Ce cycle indiques deux informations principales :

— contrairement au cycle du dioxygène, le cycle du carbone n'est pas équilibré, il y plus de production de CO2 que de consommation

— ce déséquilibre est d'origine anthropique (activités humaines)