Fiche de révision : Atmosphère terrestre et évolution de la vie

📋 Plan du Cours

1. Formation de l’atmosphère et de l’hydrosphère
2. Évolution de la composition atmosphérique
3. Origine biologique du dioxygène
4. Indices et étapes de l’oxygénation
5. Sources et puits de dioxygène
6. Ozone stratosphérique et protection

📅 Repères chronologiques

1. 800 MaLa concentration atmosphérique en dioxygène a augmenté rapidement jusqu’à un peu plus de 10 %.
2. 4,4 GaLa vapeur d’eau atmosphérique s’est condensée pour former l’hydrosphère.
3. 3,9 GaLes fers rubanés témoignent d’une oxygénation précoce des océans par oxydation des ions fer II en hématite.
4. 3,6 GaLes plus anciens stromatolites attestent la présence de cyanobactéries photosynthétiques qui ont produit du dioxygène dans les océans.
5. 3,5 milliards d’annéesLes premières traces de bactéries photosynthétiques apparaissent.
6. 2,2 GaLes sols rouges continentaux montrent que le dioxygène est apparu dans l’atmosphère, lorsque les ions fer II ont commencé à s’oxyder au contact de l’O₂ atmosphérique.
7. 2,5 GaLa concentration atmosphérique en dioxygène a commencé à augmenter et a rapidement atteint 2 %.

📖 1. Formation de l’atmosphère et de l’hydrosphère

★ À maîtriser

• L’atmosphère primitive s’est formée par libération des gaz du manteau en fusion, issus des météorites à l’origine de la formation de la Terre.

• Entre 4,4 et 4,26 Ga, la température a diminué jusqu’à 200 °C, ce qui a fait passer l’eau à l’état liquide et formé l’hydrosphère.

Compléments

• Un zircon découvert en Australie en 2001 confirme la présence d’eau liquide sur Terre il y a 4,4 Ga.

• À 1000 °C et sous une pression supérieure à 10⁷ Pa, il y a 4,45 Ga, l’eau était sous forme de fluide supercritique et se trouvait uniquement dans l’atmosphère.

💡 Astuce mémo

Refroidissement terrestre → condensation de l’eau → formation de l’hydrosphère

📖 2. Évolution de la composition atmosphérique

★ À maîtriser

• L’atmosphère primitive contenait 85 % de H₂O, 10 à 15 % de CO₂, 1 à 3 % de N₂ et 0 % d’O₂.

• L’atmosphère actuelle contient environ 78 % de N₂, 21 % d’O₂, 0,042 % de CO₂ et des traces de H₂O, dont le taux est inférieur à 1 % et variable.

• Le refroidissement terrestre a liquéfié la vapeur d’eau ; les précipitations ont favorisé la dissolution du CO₂ atmosphérique dans l’hydrosphère, diminuant ainsi les teneurs atmosphériques en H₂O et en CO₂ au profit du N₂.

Compléments

• L’atmosphère secondaire contenait 20 % de H₂O, 20 % de CO₂, 60 % de N₂ et 0 % d’O₂.

💡 Astuce mémo

CO₂ et H₂O diminuent ; N₂ puis O₂ s’accumulent

📖 3. Origine biologique du dioxygène

★ À maîtriser

• L’expérience de Ruben et Kamen (1941) a utilisé l’isotope lourd ¹⁸O pour déterminer l’origine des atomes d’oxygène du dioxygène produit par photosynthèse.

• Lorsque l’eau est enrichie en ¹⁸O, le dioxygène produit par les cellules chlorophylliennes présente une teneur en ¹⁸O identique à celle de l’eau du milieu et quatre fois supérieure à celle du CO₂.

• Les résultats de l’expérience de Ruben et Kamen montrent que les atomes d’oxygène du dioxygène produit par photosynthèse proviennent de l’eau et non du CO₂.

Compléments

• Lorsque le CO₂ est enrichi en ¹⁸O, la teneur en ¹⁸O de l’eau du milieu est identique à celle des cellules et trois fois inférieure à celle du CO₂.

📖 4. Indices et étapes de l’oxygénation

📝 Points essentiels

• Les fers rubanés indiquent qu’avant l’oxygénation atmosphérique, les ions fer II d’origine continentale n’étaient oxydés qu’après leur arrivée dans l’océan.

• La concentration atmosphérique en dioxygène est restée stable autour de 1 % pendant environ 1,5 Ga après sa première augmentation.

• La reconstitution de l’évolution du dioxygène atmosphérique repose sur des données géologiques éparses et des extrapolations, ce qui entraîne de fortes incertitudes.

💡 Astuce mémo

Stromatolithes → oxygénation des océans → oxygénation de l’atmosphère

📖 5. Sources et puits de dioxygène

★ À maîtriser

• Les sources actuelles de dioxygène atmosphérique sont :

  • la photosynthèse marine et terrestre
  • la fossilisation
  • la sédimentation

• Les puits actuels de dioxygène sont : la respiration marine et terrestre, les oxydations liées à l’érosion, les oxydations liées au volcanisme de surface ou sous-marin, les combustions d’origine humaine

Compléments

• Les flux totaux de dioxygène liés à la photosynthèse et à la respiration, dans les biosphères marine et terrestre, sont de 281,6 Gt/an.

💡 Astuce mémo

Photosynthèse produit O₂ ; respiration et combustions en consomment

📖 6. Ozone stratosphérique et protection

★ À maîtriser

• Dans la stratosphère, le rayonnement ultraviolet dissocie le dioxygène et déclenche une transformation chimique qui aboutit à la formation d’ozone.

• L’ozone se forme entre 15 et 35 km d’altitude et est abondant essentiellement dans la stratosphère.

• L’ozone stratosphérique absorbe 100 % des UV-C, 95 à 98 % des UV-B et 2 à 5 % des UV-A.

• L’ADN absorbe fortement les UV-C, moins fortement les UV-B et n’absorbe pas les UV-A.

• Les UV provoquent l’association de bases azotées adjacentes, notamment des thymines, en dimères qui entraînent des erreurs de réplication et parfois des mutations pouvant contribuer à l’apparition de cellules cancéreuses et de mélanomes.

• L’ozone stratosphérique filtre les UV-C et absorbe une large quantité des UV-B, protégeant ainsi l’intégrité structurale de l’ADN et les êtres vivants.

Compléments

• Plus la longueur d’onde des UV est courte, plus leur énergie est élevée et plus ils sont absorbés par l’ADN, qu’ils peuvent altérer.

• Les interactions entre l’atmosphère et la biosphère ont contribué à des modifications de la biodiversité au cours du temps.

💡 Astuce mémo

UV dissocient O₂ → formation d’ozone → absorption des UV nocifs

📊 Tableaux de synthèse

Absorption des UV par l’ozone et l’ADN