Sujet du brevet 2022 de sciences — Métropole, Antilles et Guyane (Série générale) — Sciences de la vie et de la Terre, Technologie

Question 1. Une symbiose est une association entre deux êtres vivants dans laquelle chacun des deux partenaires tire un bénéfice. D'après le document 1, c'est bien le cas du corail :

• Bénéfices pour le polype (l'animal) : grâce à la photosynthèse, les zooxanthelles lui apportent des molécules riches en carbone (de la matière organique, donc de la nourriture) et du dioxygène, qui lui sert à respirer.
• Bénéfices pour les zooxanthelles (les algues) : elles vivent dans un environnement protégé du broutage par les prédateurs, profitent de conditions stables pour se multiplier et utilisent les déchets azotés et phosphatés du polype comme source d'éléments minéraux.

Chaque partenaire apporte à l'autre quelque chose dont il a besoin : les bénéfices sont réciproques. Le corail est donc bien une association symbiotique entre un animal, le polype, et une algue microscopique, la zooxanthelle.

Question 2. Valeurs lues sur le graphique du document 2 (nombre de zooxanthelles en millions par cm² de polype) :

• à 27 °C : environ 0,52 million par cm² ;
• à 30 °C : environ 0,47 million par cm² ;
• à 32 °C : environ 0,2 million par cm².

On constate que plus la température de l'eau de mer augmente, plus le nombre de zooxanthelles dans les polypes diminue. Entre 27 °C et 30 °C, la baisse est faible (environ 0,05 million par cm² en moins, soit environ 10 %). En revanche, entre 30 °C et 32 °C, le nombre de zooxanthelles chute fortement : il passe d'environ 0,47 à 0,2 million par cm², il est donc divisé par plus de 2 pour seulement 2 °C de plus. Au total, entre 27 °C et 32 °C, les polypes perdent plus de la moitié de leurs zooxanthelles (environ 60 %).

Une élévation de la température de l'eau entraîne donc la disparition d'une grande partie des zooxanthelles, ce qui explique le blanchissement des coraux, puisque les zooxanthelles sont en partie responsables de leur couleur.

Question 3. Protocole pour sélectionner des coraux résistant à 32 °C.

Principe : placer des coraux hébergeant chacune des trois espèces de zooxanthelles dans une eau à 32 °C, en ne faisant varier que l'espèce de zooxanthelles, puis repérer quels coraux ne blanchissent pas.

1. Préparer trois aquariums identiques remplis du même volume d'eau de mer : aquarium 1 avec des coraux hébergeant les zooxanthelles de l'espèce A, aquarium 2 avec l'espèce B, aquarium 3 avec l'espèce C. On place dans chaque aquarium le même nombre de coraux, de même taille et en bonne santé (bien colorés).
2. Placer les trois aquariums dans des bains thermostatés réglés à 32 °C et contrôler régulièrement la température de l'eau avec un thermomètre.
3. Garder tous les autres paramètres identiques : même eau de mer, même éclairage, même durée.
4. Réaliser en parallèle des témoins : trois autres aquariums avec les coraux A, B et C, dans les mêmes conditions mais à 27 °C, une température à laquelle les coraux restent sains.
5. Attendre quelques semaines, car le blanchissement n'est pas immédiat, puis observer la couleur des coraux de chaque aquarium.

Résultats attendus et exploitation : les coraux qui ont blanchi à 32 °C hébergent des zooxanthelles sensibles à la chaleur. Les coraux qui restent colorés à 32 °C, comme leurs témoins à 27 °C, hébergent des zooxanthelles résistantes : ce sont eux que l'on sélectionne pour les multiplier puis les réintroduire dans l'environnement.

Question 4. Le changement à l'échelle de la planète est le réchauffement climatique. Il provoque l'augmentation de la température des eaux de surface des océans. D'après le document 2, lorsque l'eau passe de 27 °C à 32 °C, le nombre de zooxanthelles dans les polypes diminue de plus de la moitié ; or ces algues apportent aux polypes les molécules riches en carbone et le dioxygène dont ils ont besoin (document 1). Les zooxanthelles meurent, puis les polypes : les coraux blanchissent et le récif se dégrade. Cette dégradation a des conséquences sur la biodiversité et sur les activités humaines à la Réunion (document 4).

Exemple 1 : la pêche. Les récifs sont une zone de frayère et de nurserie pour de très nombreuses espèces de poissons, notamment des poissons pêchés, et un tiers des espèces marines connues y vivent. Si le réchauffement (climat) fait mourir les coraux, les poissons ne peuvent plus s'y reproduire et leurs populations diminuent (biodiversité). Les récifs étant des zones de pêche privilégiées et la pêche étant la ressource principale des familles les plus démunies, ces familles perdent leur source de nourriture et de revenus (activités humaines).

Exemple 2 : le tourisme et les loisirs. Un récif blanchi, qui abrite beaucoup moins d'espèces (biodiversité), attire beaucoup moins les plongeurs. Or les sports côtiers représentent plus de 80 000 pratiquants par an et des dizaines de clubs de plongée vivent directement des récifs : le réchauffement de l'eau (climat) menace ces emplois et une partie des 350 millions d'euros dépensés chaque année par les touristes (activités humaines).

Exemple 3 : la protection des côtes. La barrière de corail diminue l'énergie de la houle, protège les habitats du littoral et ralentit l'érosion des plages. Si les coraux meurent à cause de l'élévation de température (climat), les habitats côtiers se dégradent (biodiversité) et les plages s'érodent, alors que plus de 80 % des touristes y passent au moins une journée (activités humaines).

On peut ajouter que la disparition d'espèces rares prive aussi l'île de futurs médicaments, et que les coraux morts ne séquestrent plus de carbone dans leur squelette calcaire, ce qui risque d'aggraver encore le réchauffement.

Conclusion : un changement global, le réchauffement climatique, provoque localement le blanchissement des coraux de la Réunion, ce qui fait reculer la biodiversité du récif et menace des activités humaines essentielles pour l'île : la pêche, le tourisme et la protection des côtes.

Question 1. Fonction d'usage : le robot permet de collecter, de façon autonome, les déchets qui flottent à la surface de l'eau.

Importance de recycler les déchets collectés (trois éléments tirés du texte d'introduction) :

• économiser les ressources naturelles non renouvelables, comme le pétrole ou l'aluminium ;
• limiter les émissions de gaz à effet de serre ;
• préserver la faune et la flore subaquatiques, puisque ces déchets polluent les eaux et intoxiquent les animaux.

Question 2. Diagramme des blocs internes complété (document annexe réponse 1) :

• bloc qui reçoit l'information « Déchets » : capteur de mesure de courant (le niveau de déchets est estimé en mesurant le courant consommé par les moteurs) ;
• bloc qui reçoit l'information « Intensité lumineuse » : capteur de luminosité ;
• grand bloc central, qui reçoit toutes les informations des capteurs, du détecteur d'obstacle et du module radio et qui commande la DEL et le module de puissance : interface programmable ;
• bloc du bas, qui reçoit l'énergie et alimente l'interface programmable et le module de puissance : batterie ;
• premier bloc après le module de puissance : moteurs électriques ;
• dernier bloc, qui agit sur l'eau : hélices.

Chaîne d'énergie ainsi obtenue : batterie (stocker) → module de puissance (distribuer) → moteurs électriques (convertir l'énergie électrique en énergie mécanique) → hélices (transmettre le mouvement à l'eau pour déplacer le robot). La chaîne d'information va des capteurs vers l'interface programmable, qui traite les informations et donne les ordres.

Question 3. Programme « retour à la base » complété, bloc par bloc (document annexe réponse 2) :

• si VarA > 80 alors : VarA contient la valeur du capteur de courant (première instruction « mettre VarA à la valeur sur la broche Analogique Capteur_Courant ») ;
• Activer Signal Lumineux (déjà écrit) ;
• aller à Base ;
• envoyer à tous « vider les déchets » ;
• sinon, à l'intérieur de ce premier « sinon » :
  • si VarB < 50 alors : VarB contient la valeur du capteur de luminosité, et le seuil est 50 lux ;
  • Activer Signal Lumineux ;
  • aller à Base (déjà écrit) ;
  • envoyer à tous « intensité lumineuse insuffisante » ;
  • sinon : déplacement (le bloc qui lance le cycle de « déplacement » du robot).

Le programme tourne dans une boucle « répéter indéfiniment » : à chaque tour, il relit les deux capteurs puis teste d'abord le niveau de déchets, ensuite seulement la luminosité, comme dans l'algorithme du document 2.

Question 4. La masse se calcule avec $m=\rho \times V$, puis l'émission de gaz à effet de serre avec : émission = masse en kg × émission pour 1 kg.

Matériau choisi : l'aluminium recyclé.

Argumentation : la coque en composite est plus légère (3,06 kg contre 6,75 kg), mais le critère imposé est la plus faible émission de gaz à effet de serre. La coque en aluminium recyclé émet 3 780 g de gaz à effet de serre, contre 7 956 g pour la coque en composite, soit environ deux fois moins ($7956÷3780\approx 2,1$). Pour limiter l'impact environnemental, on choisit donc l'aluminium recyclé, ce qui est cohérent avec la mission du robot : protéger l'environnement en favorisant le recyclage.