Opération Carbone : L'Ultime Synthèse

Thème 3 : Le Soleil, notre source d’énergie

Une conversion de l’énergie lumineuse : la photosynthèse

Opération Carbone : L'Ultime Synthèse

Start

Gillotin Marie-France

En ce début d'année 2050, l'humanité a franchi le point de non-retour : la concentration de CO₂ atmosphérique a provoqué un emballement climatique sans précédent. Les forêts naturelles, trop affaiblies, ne parviennent plus à réguler l'atmosphère. Le taux de dioxygène chute dangereusement et la chaleur sature les écosystèmes. La biosphère est en train de s'éteindre, et avec elle, toute la chaîne alimentaire mondiale s'effondre.Votre équipe de chercheurs vient de mettre la main sur une archive biologique exceptionnelle : une plante ancestrale capable de transformer, grâce à la photosynthèse, l'énergie solaire en biomasse avec une puissance oubliée. Vos avancées technologiques vous ont permis d'inventer un Biosynthétiseur, une machine capable de répliquer ce miracle biologique.

Contexte

Pour sauver la planète, vous devez maintenant activer le Biosynthétiseur. Mais attention : la mission ne se limite pas à réguler les gaz atmosphériques. L'énergie solaire captée doit nourrir toutes les populations des stations de refuge, des micro-organismes jusqu'à l'être humain.

Chaque mission te révélera un fragment du code d’accès. Une fois reconstitué, il te permettra d’activer le réseau mondial des biosynthétiseurs et de restaurer l’équilibre de la biosphère. Chaque mission accomplie te rapprochera de l’activation mondiale finale. Si tu mènes tes missions à bien, tu obtiendras le Diplôme d'Expert en Photosynthèse Appliquée, preuve officielle de ta contribution au sauvetage de l'humanité.

Objectif : Comprendre pourquoi seule une partie de l'énergie est utilisée par la plante pour réaliser la photosynthèse

Mission 1 : Le Décodeur de Lumière

Le Biosynthétiseur est activé, mais il affiche une erreur : Il vous faut configurer les capteurs sur les bonnes longueurs d'onde pour maximiser la synthèse.

Énergie entrante incompatible

Décodeur de lumière

Vous devez identifier les longueurs d'onde que la plante utilise réellement pour réaliser la photosynthèse.

Spectrophotomètre à main

Spectre d'absorption et d'action photosynthétique d'un végétal. Un spectre d'action représente l'intensité de la photosynthèse en fonction de la longueur d'onde.

1. Expliquez l’origine de la couleur verte des feuilles (due à la chlorophylle contenue dans les chloroplastes) 2. Comparez le spectre d’absorption de la chlorophylle au spectre d’action photosynthétique. Concluez quant au rôle des pigments photosynthétiques.

Les longueurs d'ondes utiles pour la photosynthèse se situent dans le :

|bleu|rouge

|rouge|bleu

Spectre d’absorption de la chlorophylle a d’une feuille obtenu grâce à un spectrophotomètre à main.

VERIFICATION

et le

A : Spectre de la lumière blanche B : Spectre d’absorption de la chlorophylle a, principal pigment photosynthétique

Code : valeur en nm du creux d'absorption

C'est bien vide !

Objectif : Calculer la fraction de l'énergie solaire utilisée par la plante pour la photosynthèse

Mission 2 : Le Calibrage Énergétique

Nous avons identifié l’origine de l’erreur affectant l’énergie entrante du biosynthétiseur.Les analyses spectrales montrent que seule une fraction limitée des 100 % de l’énergie solaire reçue est réellement absorbable.Les pigments de la plante ancestrale ne sont pas des récepteurs universels : ils absorbent sélectivement certaines longueurs d’onde et rejettent une grande partie du rayonnement incident. Vous devez effectuer le Calibrage énergétique du biosynthétiseur.Attention : si le calibrage est incorrect, la photosynthèse ne pourra pas être initiée et la biosphère ne pourra pas être restaurée.

Calculez le pourcentage de l'énergie solaire réellement utilisé par la feuille pour la photosynthèse.

Code : valeur du % d'énergie utilisé pour la photosynthèse

Objectif : Calculer la fraction de l'énergie solaire utilisée par la plante pour la photosynthèse

Mission 2 : Le Calibrage Énergétique

Nous avons identifié l’origine de l’erreur affectant l’énergie entrante du biosynthétiseur.Les analyses spectrales montrent que seule une fraction limitée des 100 % de l’énergie solaire reçue est réellement absorbable.Les pigments de la plante ancestrale ne sont pas des récepteurs universels : ils absorbent sélectivement certaines longueurs d’onde et rejettent une grande partie du rayonnement incident. Vous devez effectuer le Calibrage énergétique du biosynthétiseur.Attention : si le calibrage est incorrect, la photosynthèse ne pourra pas être initiée et la biosphère ne pourra pas être restaurée.

Calculez le pourcentage de l'énergie solaire réellement utilisé par la feuille pour la photosynthèse.

Code : valeur du % d'énergie utilisé pour la photosynthèse

• 3
• 3
• non

Objectif : Comprendre que l'énergie solaire sert à transformer des molécules minérales en molécules organiques.

Mission 3 : Le Protocole de Transformation

Maintenant que l'on a réglé le biosynthétiseur pour qu'il utilise la quantité d'énergie nécessaire, il faut lui fournir les biocarburants minéraux.

Reconstituer et équilibrer l'équation de la photosynthèse afin d'identifier et quantifier les carburants minéraux à puiser dans le sol et l'atmosphère de 2050.

Code

Mission 4 : La Stabilisation du Stock de glucose

Objectif : Rechercher, à l’échelle cellulaire, où et sous quelle forme de matière organique l’énergie lumineuse est convertie et stockée.

Alerte, Le glucose produit s'échappe !

Le biosynthétiseur produit du glucose, mais ce dernier est instable sous forme liquide. Il faut le stocker sous forme solide.

L'amidon, le glycogène et la cellulose sont trois des polysaccharides les plus importants. Dans la rangée supérieure, les hexagones représentent les molécules de glucose individuelles. Des micrographies (rangée du bas) montrent des granules d'amidon de blé colorés à l'eau iodée (à gauche), des granules de glycogène (G) à l'intérieur de la cellule d'une cyanobactérie (au centre) et des fibres de cellulose bactérienne (à droite).

Matériel : - Feuilles d’élodées mise dans un milieu riche ou pauvre en CO2, - Eau iodée, - Microscope optique, lame, lamelle L’eau iodée colore l’amidon en bleu-nuit et le glycogène en brun acajou Protocole : - Prélever une partie chlorophyllienne du végétal à étudier. - Déposer ce matériel dans un verre de montre avec quelques gouttes d’eau iodée. - Laisser 2 minutes. - Monter entre lame et lamelle dans une goutte d’eau iodée. - Observer au microscope optique

Je n'ai pas réussi

Le code : Le mot AMIDON (ou le nombre de lettres).

Code

Mission 5 : Le Déploiement Mondial

Objectif : Expliquez comment une partie de l’énergie solaire est convertie en énergie chimique à l‘échelle de la planète

Équipe de recherche, l’heure est critique ! L’atmosphère de 2050 est saturée de dioxyde de carbone. Nos forêts, désormais stériles, ne parviennent plus à produire assez d’oxygène pour soutenir la vie. Les chaînes alimentaires s’effondrent et la biosphère s’éteint silencieusement. Le Biosynthétiseur est enfin opérationnel : cette machine peut reproduire le processus photosynthétique à grande échelle. Mais pour que son déploiement soit efficace à l’échelle planétaire, il ne peut être installé au hasard. Nous avons récupéré des archives de la NASA, des données satellitaires antérieures à la crise climatique. Elles cartographient les zones où les échanges naturels entre carbone, eau, énergie solaire et biomasse étaient les plus équilibrés.

Vous devez intaller le biosynthétiseur dans les zones où la chlorophylle transformait réellement l'énergie solaire en biomasse.

Biomasse : masse de matière organique constituant un être vivant. Elle s'exprime en masse de carbone, ou kg C.

EXIT

Dans ce laboratoire d'étude et d'observation de la Terre, vous trouverez toutes les informations et données archivées, nécessaires pour remplir votre mission.

Etapes à suivre : - Cliquer sur l'écran qui permet d'observer les données satellitaires et ouvrir le site de la NASA - Sélectionner « OCEAN » puis « chlorphyll concentration » (cette carte vous montre la concentration en chlorophylle (en mg/m3) d’eau de mer à une période donnée (cette chlorophylle est contenue dans de microscopiques végétaux aquatiques que l’on regroupe sous le terme de phytoplancton). 1. Sur le fond de carte de cette mission colorier en bleu les zones où la chlorophylle est la plus concentrée dans les océans. Indiquer en légende le type de zones correspondant. - Sélectionner « LAND » puis « vegetation index » (cette carte vous montre les zones où il y a de la croissance végétale ; en noir= zones sans données). 2. Compléter le fond de carte en coloriant en vert les zones où la végétation est la plus importante sur les continents et par conséquent la chlorophylle est la plus concentrée. Indiquer en légende le type de zones correspondant. - A partir de l'un des écrans du laboratoire, afficher la carte de Production Primaire (Énergie transformée en biomasse). 3. Quel lien pouvez-vous faire entre cette carte et celle complétée sur votre fiche de bord ? - Sélectionner « ENERGY » puis « solar insolation », année 2020. 4. Comparer pour la zone entourée sur votre carte : l'indice de végétation (concentration en chlorophylle), la puissance solaire et la Production Primaire (ou Productivité Primaire). Indiquer une autre condition nécessaire à une Productivité primaire élevée. 5. Indiquer en le justifiant sur quelles zones vous allez installer le biosynthétiseur. Placer le sur votre fond de carte.

Zones de forte insolation = couleur jaune clair / crème (environ 550 W/m2) Zones moyennes = couleur orange / rouge vif (autour de 275 W/m2) Zones de faible insolation = couleur rouge sombre / noir (vers 0 W/m2)

Réinitialisation

Pour passer à la mission suivante, entrer le nom de l'organisme responsable de la productivité primaire dans les océans

|phytoplancton

Code : valeur en % x 40 de la puissance solaire disponible pour la photosynthèse à l'échelle de la planète

VERIFICATION

C'est bien vide !

Objectif : Comprendre comment la photosynthèse permet le fonctionnement des écosystèmes à l'échelle de la planète

Mission 6 : Le Transfert vital

RAPPORT DE MISSION Statut : Analyse des flux de matière en cours Localisation : Secteur Côtier Alpha

Pour stabiliser les biosynthétiseurs, nous devons reproduire les transferts d’énergie naturels avec une exactitude absolue.

1. Reconstitution d'une chaine alimentaire - À partir du réseau trophique de la zone cotière, reconstituez une chaîne alimentaire d'au moins 4 maillons. - Replacez sur cette chaîne les niveaux trophiques : producteur primaire, consommateur primaire, consommateur secondaire, etc.

Réseau trophique d'une zone cotière

2. Analyse du transfert de matière et d'énergie - Indiquez ce que devient la matière organique ingérée par un consommateur. - Calculez le pourcentage de matière organique ingérée qui sert effectivement à la croissance d'un organisme, et qui permettra de nourrir le maillon suivant.

Code

Votre analyse du secteur côtier a permis de calibrer les biosynthétiseurs sur le modèle parfait de la nature. Vous avez achevé toutes les misssions qui vous ont été confiées. Pour activer le réseau mondial de biosynthétiseurs, vous devez à présent entrer le code d'accès final sur le clavier

Entrez le code d'accès reconstitué à l'issu des 6 missions

Enter the password

Dans un écosystème, les relations alimentaires entre les différentes espèces se représentent sous la forme de chaînes elles-mêmes organisées en réseau trophique. La matière et l'énergie passent ainsi d'un maillon à l'autre des chaînes alimentaires. Dans une chaîne alimentaire, les organismes appartenant à différents niveaux trophiques sont reliés par des flèches indiquant la relation « est mangé par ». Les organismes autotrophes sont capables de produire leur matière organique à partir de matière minérale et de lumière grâce à la photosynthèse. Ils sont qualifiés de producteurs primaires. Les organismes hétérotrophes sont obligés de consommer de la matière organique produite par d'autres êtres vivants : ce sont des producteurs secondaires. Parmi les producteurs secondaires, on distingue, selon la place dans la chaîne alimentaire, les consommateurs primaires, secondaires, tertiaires, etc. Le phytoplancton marin occupe une position essentielle au sein du réseau trophique. Il est composé de différentes espèces comme les diatomées, les coccolithophoridés, les chlorophytes ou les cyanobactéries.

Spectre d’absorption des pigments bruts d’une feuille obtenu grâce à un spectrophotomètre à main. A : Spectre de la lumière blanche B : Spectre d’absorption des piments bruts d'une feuille

Evolution de la population de diatomées dans les océans entre 1998 et 2012. Les zones vertes indiquent les régions où les populations de diatomées ont disparu.

3. Simulation d'un effondrement du réseau alimentaire - Expliquez quelles sont les conséquences envisageables du déclin du phytoplancton sur la biosphère côtière.

Etapes à suivre : - Cliquer sur l'écran qui permet d'observer les données satellitaires et ouvrir le site de la NASA - Sélectionner « OCEAN » puis « chlorphyll concentration » (cette carte vous montre la concentration en chlorophylle (en mg/m3) d’eau de mer à une période donnée (cette chlorophylle est contenue dans de microscopiques végétaux aquatiques que l’on regroupe sous le terme de phytoplancton). 1. Sur le fond de carte de cette mission colorier en bleu les zones où la chlorophylle est la plus concentrée dans les océans. Indiquer en légende le type de zones correspondant. - Sélectionne « LAND » puis « vegetation index » (cette carte vous montre les zones où il y a de la croissance végétale ; en noir= zones sans données). 2. Compléter le fond de carte en coloriant en vert les zones où la végétation est la plus importante sur les continents et par conséquent la chlorophylle est la plus concentrée. Indiquer en légende le type de zones correspondant. - A partir de l'un des écrans du laboratoire, afficher la carte de Production Primaire (Énergie transformée en biomasse). 3. Quel lien pouvez-vous faire entre cette carte et celle complétée sur votre fiche de bord ? - Sélectionner « ENERGY » puis « solar insolation ». 4. Comparer pour la zone entourée sur votre carte : l'indice de végétation (concentration en chlorophylle), la puissance solaire et la Production Primaire. Indiquer une autre condition nécessaire à une Production primaire élevée. 5. Indiquer en le justifiant sur quelles zones vous allez installer le biosynthiseur. Placer le sur votre fond de carte. - Hachurer sur le fond de carte la zone où l'énergie solaire reçue est comprise entre 200 et 400 W.m-2 (zone où l'énergie solaire moyenne est la plus élevée).Sélectionner « LIFE » puis « net primary productivity » (cette carte indique l’absorption du carbone par m2 et par jour). 3- Noter le lien que vous pouvez faire entre cette carte et celle que vous venez de colorier.