Sujet du brevet 2023 de sciences — Métropole, Antilles et Guyane (Série générale) — Physique-chimie, Sciences de la vie et de la Terre

Question 1. Deux conséquences de l'augmentation du niveau marin moyen (on pouvait en citer deux parmi les suivantes) :

• de plus en plus de zones côtières sont exposées aux inondations, et ces inondations deviendront plus fréquentes ;
• des infiltrations d'eau de mer dans les eaux souterraines, qui détériorent la qualité de l'eau ;
• des problèmes de santé et la destruction des récoltes, conséquences de cette eau de moins bonne qualité.

Question 2.

2a. Le symbole de l'élément sodium est Na.

2b. Le numéro atomique Z, écrit en bas à gauche du symbole, est le nombre de protons du noyau. Pour le sodium, $Z=11$ : le noyau d'un atome de sodium contient 11 protons.

2c. Le nombre écrit en haut à gauche du symbole est le nombre de nucléons A, c'est-à-dire le nombre total de particules du noyau (protons et neutrons). Pour le sodium, $A=23$. Le nombre de neutrons N s'obtient en retirant le nombre de protons au nombre de nucléons :

$$N=A-Z=23-11=12$$

Le noyau d'un atome de sodium contient donc 12 neutrons.

Question 3.

3a. D'après le graphique, à la température initiale de 5 °C, la masse volumique de l'eau est d'environ 999,9 kg/m³, c'est-à-dire presque 1 000 kg/m³ (le premier point de la courbe est situé juste sous la ligne des 1 000,0 kg/m³).

3b. Raisonnement :

• D'après le graphique, la masse volumique de l'eau diminue quand la température augmente : elle passe d'environ 999,9 kg/m³ à 5 °C à 997,0 kg/m³ à 25 °C.
• D'après l'énoncé, la masse de l'ensemble reste constante (la balance affiche toujours 386 g) : la masse d'eau ne change pas, aucune eau n'est ajoutée ni perdue.
• La masse volumique est la masse d'un volume donné de matière ($\rho =\frac{m}{V}$). Si la masse de l'eau reste la même alors que sa masse volumique diminue, c'est que cette même masse d'eau occupe un volume plus grand : l'eau se dilate.
• Le ballon est fermé par le bouchon et rempli d'eau : le seul endroit où le volume supplémentaire peut aller est le tube en verre. L'eau monte donc dans le tube.

Conclusion : quand la température de l'eau passe de 5 °C à 25 °C, sa masse volumique diminue alors que sa masse reste constante, donc son volume augmente (dilatation thermique) et le niveau de l'eau monte dans le tube. C'est ce phénomène qui, dans les océans qui se réchauffent, explique environ la moitié de la hausse du niveau marin.

Question 4. Démarche : le signal radio parcourt deux fois la distance altimétrique d, une fois à l'aller (du satellite vers la mer) et une fois au retour (de la mer vers le satellite), à la vitesse $v=300000$ km/s, pendant la durée $t=0,0089$ s.

Relation utilisée : la distance parcourue est égale à la vitesse multipliée par la durée, $d_{\text{parcourue}}=v\times t$.

Distance parcourue par le signal pendant l'aller-retour :

$$d_{\text{aller-retour}}=v\times t=300000\times 0,0089=2670\text{ km}$$

La distance altimétrique est la moitié de cette distance :

$$d=\frac{v\times t}{2}=\frac{2670}{2}=1335\text{ km}$$

La distance altimétrique mesurée est donc d'environ 1 335 km.

Commentaire : ce résultat est très proche de l'altitude de l'orbite des satellites donnée dans le texte (1 336 km), ce qui est cohérent, puisque la distance altimétrique est la distance entre le satellite et la surface de la mer. La petite différence (environ 1 km) s'explique par le fait que la durée est arrondie à 8,9 ms : pour suivre une hausse du niveau marin de quelques centimètres, le satellite doit en réalité mesurer cette durée avec une bien plus grande précision.

Question 1. Le schéma qui correspond à la rencontre des cellules sexuelles chez l'algue rouge est le schéma A.

Justification : d'après le document 1, seul le pied mâle libère ses cellules sexuelles dans l'eau ; les ovules (cellules sexuelles femelles) restent fixés sur les rameaux du pied femelle, et la cellule-œuf forme un renflement sur le pied femelle. C'est ce que montre le schéma A : la cellule sexuelle mâle, libérée dans le milieu aquatique, rejoint la cellule sexuelle femelle fixée sur le rameau, et la cellule-œuf se forme sur le rameau. Le schéma B est faux, car il montre le pied femelle libérant une cellule sexuelle femelle dans l'eau et une fécondation qui a lieu dans l'eau, loin des rameaux.

Question 2. Hypothèse choisie par les chercheurs : « L'idotée joue un rôle dans la reproduction de l'algue rouge, en transportant les cellules sexuelles mâles vers les cellules sexuelles femelles » (proposition 1).

Justification par deux informations :

• Document 1 : les cellules sexuelles mâles sont libérées dans l'eau mais sont incapables de se déplacer par elles-mêmes, et les ovules sont fixés sur les rameaux du pied femelle. Les cellules femelles ne bougent pas : ce sont les cellules mâles qui doivent être amenées jusqu'à elles, ce qui élimine les propositions 2 et 3.
• Document 2 : l'idotée se déplace d'une algue rouge à l'autre pour se nourrir, et de nombreuses cellules sexuelles mâles de l'algue rouge ont été trouvées collées sur son corps.

L'idotée pourrait donc récupérer les cellules sexuelles mâles sur un pied mâle et les déposer sur un pied femelle, près des ovules fixés : cela justifie l'hypothèse 1.

Question 3. Conclusion des chercheurs : « La fécondation de l'algue rouge est favorisée par la présence de l'idotée » (proposition 2).

Justification à partir du document 3 : les deux aquariums contiennent chacun une algue rouge mâle et une algue rouge femelle ; seule la présence d'idotées change (20 idotées dans l'aquarium A, aucune dans l'aquarium B). L'aquarium B sert de témoin.

• Dans l'aquarium A, avec 20 idotées, on compte en moyenne environ 4,1 cellules-œufs pour 5 cm de rameau.
• Dans l'aquarium B, sans idotée, on compte en moyenne environ 0,2 cellule-œuf pour 5 cm de rameau.

Il y a donc environ 20 fois plus de cellules-œufs en présence des idotées ($4,1÷0,2\approx 20$) : l'idotée favorise fortement la fécondation, ce qui élimine la proposition 1 (« ne dépend pas de l'idotée »).

La proposition 3 est également éliminée : même sans idotée, il se forme quelques cellules-œufs (0,2 pour 5 cm de rameau, ce n'est pas zéro). Comme les rameaux mesurent de 20 à 50 cm, cela représente environ 0,8 à 2 cellules-œufs par rameau dans l'aquarium B, contre environ 16 à 41 dans l'aquarium A. La fécondation peut donc avoir lieu sans l'idotée, mais elle est beaucoup plus rare.

Question 4. Les chercheurs comparent l'idotée à l'abeille parce que les deux animaux jouent le même rôle dans la reproduction sexuée.

Je vois (document 4) que l'abeille transporte du pollen, qui contient les cellules sexuelles mâles des plantes à fleurs, d'une fleur jusqu'aux ovules d'autres fleurs. Les photographies au microscope électronique montrent que la tête de l'abeille est couverte de soies, et que les grains de pollen de pissenlit portent des ornementations en forme de crochets : le pollen s'accroche aux soies de l'abeille pendant qu'elle butine, puis est déposé sur une autre fleur. L'abeille permet ainsi la pollinisation, donc la fécondation.

Je vois (documents 1, 2 et 3) que les cellules sexuelles mâles de l'algue rouge ne peuvent pas se déplacer seules et que les ovules sont fixés sur le pied femelle. L'idotée, qui va d'une algue à l'autre pour se nourrir, porte de nombreuses cellules sexuelles mâles collées sur son corps, et sa présence multiplie par environ 20 le nombre de cellules-œufs formées.

J'en conclus que l'idotée joue dans la mer le même rôle que l'abeille sur terre : dans les deux cas, un animal qui se déplace d'un individu à l'autre pour se nourrir transporte, collées ou accrochées sur son corps, des cellules sexuelles mâles incapables de se déplacer seules, jusqu'aux cellules sexuelles femelles immobiles d'un autre individu. Il favorise ainsi la rencontre des cellules sexuelles, donc la fécondation et la reproduction. C'est pourquoi les chercheurs surnomment l'idotée l'« abeille des mers ».