Exercices — L'atmosphère terrestre et la vie

1. Deux différences majeures :

• l’atmosphère primitive était riche en CO₂ et en vapeur d’eau, alors que ces gaz ne sont plus présents aujourd’hui qu’à l’état de traces ;
• l’atmosphère primitive ne contenait pas de dioxygène, alors que le O₂ représente aujourd’hui 21 % de l’atmosphère.

2. Le refroidissement de la surface de la Terre primitive a provoqué la condensation très rapide (à l’échelle des temps géologiques) de la vapeur d’eau : elle est devenue de l’eau liquide et a formé les océans, c’est-à-dire l’hydrosphère. C’est dans cette eau liquide que la vie est apparue.

3. « ppm » signifie « parties par million » : 420 ppm, c’est 420 volumes de CO₂ pour 1 000 000 de volumes d’air. On convertit en pourcentage :

$\frac{420}{1\,000\,000} = 4{,}2 \times 10^{-4} = 0{,}042\ \%$

soit environ 0,04 % ✓.

Réflexe à retenir : pour passer de « ppm » à « % », on divise par 10 000 (un million, c’est 10 000 fois 100).

1. À 15 °C sous 1 bar, le point se situe dans le domaine liquide du diagramme. C’est capital car l’eau liquide est une condition indispensable à l’émergence de la vie : c’est dans l’hydrosphère que les premiers êtres vivants se sont développés.

2. Non : à −60 °C, l’eau est dans le domaine solide (glace). De plus, sous une pression aussi faible, le domaine liquide devient quasi inexistant : quand la glace se réchauffe, elle passe presque directement à l’état de vapeur. L’eau liquide durable en surface est donc impossible sur Mars aujourd’hui.

3. Sur la Terre primitive, la température de surface était très élevée : le point représentatif se trouvait dans le domaine gazeux, d’où une atmosphère riche en vapeur d’eau. En se refroidissant, la surface a fait passer ce point dans le domaine liquide : la vapeur s’est condensée et a formé les océans.

Réflexe à retenir : sur un diagramme d’état, on place le point (température ; pression) et on lit le domaine dans lequel il tombe — c’est un savoir-faire exigible du programme.

1. Pour oxyder le fer, il faut un oxydant : ici, le dioxygène O₂ dissous dans l’eau ou présent dans l’air.

2. Les fers rubanés prouvent que du dioxygène était produit dans les océans dès environ 3,5 milliards d’années : ce O₂ oxydait immédiatement le fer dissous dans l’eau de mer, qui précipitait au fond des océans. Le dioxygène était donc « consommé » par les océans avant de pouvoir s’accumuler ailleurs.

3. Les paléosols rouges se forment à l’air libre : leur apparition vers 2,2 milliards d’années montre que le dioxygène était alors présent dans l’atmosphère. On en déduit la chronologie : le O₂ a d’abord oxydé le fer des océans, puis, une fois ces « pièges » saturés, il s’est accumulé dans l’atmosphère — c’est la grande oxygénation, il y a environ 2,4 milliards d’années.

4. C’est la photosynthèse, réalisée par des bactéries photosynthétiques (cyanobactéries), dont les premières traces datent d’au moins 3,5 milliards d’années. C’est un exemple spectaculaire d’interaction entre biosphère et atmosphère : le vivant a transformé la composition de l’air de toute la planète.

Réflexe à retenir : « mettre en relation la production de dioxygène avec des indices géologiques » est un savoir-faire exigible — retiens le duo fers rubanés (océans) / paléosols rouges (atmosphère).

1. Sous l’effet du rayonnement ultraviolet solaire, le dioxygène O₂ de la stratosphère se dissocie ; les atomes d’oxygène libérés réagissent avec d’autres molécules de O₂, ce qui aboutit à la formation d’ozone O₃.

2. Cela signifie que les rayonnements UV de longueur d’onde proche de 260 nm sont absorbés par la molécule d’ADN, ce qui peut la modifier : ces UV sont mutagènes (ils provoquent des mutations), avec des conséquences graves pour les cellules (cancers de la peau par exemple).

3. Les deux spectres se recouvrent presque exactement : l’ozone absorbe fortement les UV précisément dans le domaine où l’ADN est le plus vulnérable (vers 250-260 nm). L’ozone stratosphérique intercepte donc ces UV avant qu’ils n’atteignent la surface : il joue le rôle de bouclier pour l’ADN des êtres vivants.

4. Avant la formation de la couche d’ozone, la vie était confinée dans l’eau : quelques mètres d’eau suffisent à absorber les UV les plus dangereux. Ce n’est qu’après l’oxygénation de l’atmosphère, puis la formation d’ozone, que la vie a pu coloniser les continents.

Réflexe à retenir : « mettre en relation les spectres d’absorption de l’ozone et de l’ADN » est LE savoir-faire attendu de cette partie — la superposition des deux courbes est l’argument clé.