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

Question 1a. Le patient 2 a un taux sanguin de phénylalanine de 19 mg.dL^-1 (document 2b). Or le document 2a indique que pour un taux PHE > 10 mg.dL^-1, le dépistage est positif et le traitement conseillé est un régime alimentaire pauvre en phénylalanine et riche en tyrosine, accompagné d'un suivi médical. Comme 19 > 10, le patient 2 devra suivre ce régime alimentaire et être suivi médicalement.

Question 1b. Les deux propositions qui conviennent sont b et c :

• b. pauvre en phénylalanine pour éviter l'accumulation de phénylalanine et éviter le développement des dommages cérébraux ;
• c. riche en tyrosine car l'enzyme PAH n'est pas fonctionnelle et la phénylalanine ne peut être transformée en tyrosine.

La proposition a est fausse car, d'après le document 1, c'est la phénylalanine qui s'accumule et cause des dommages cérébraux, pas la tyrosine (qui, au contraire, n'est pas produite). La proposition d est fausse car l'enzyme PAH transforme la phénylalanine en tyrosine, et non l'inverse.

Question 2.

• Je vois (document 3a) que le patient A est atteint de phénylcétonurie, qu'il a été diagnostiqué tardivement, à 10 ans, que son régime alimentaire a commencé tardivement et que son suivi médical est irrégulier. Il a la peau, les cheveux et les yeux très clairs.
• Je sais (document 1) que chez une personne atteinte de phénylcétonurie, l'enzyme PAH n'est pas fonctionnelle : la phénylalanine n'est pas transformée en tyrosine, donc il n'y a « pas de tyrosine produite ». Je sais aussi (document 3b) que la mélanine est produite à partir de la tyrosine et que plus il y a de mélanine, plus la peau, les cheveux et les yeux sont foncés. Enfin, le document 2a montre que le traitement prévoit un régime riche en tyrosine, qui apporte la tyrosine que l'organisme ne fabrique pas.
• J'en conclus que chez le patient A, l'enzyme PAH non fonctionnelle n'a pas produit de tyrosine et que, faute de diagnostic et de régime pendant ses dix premières années (puis avec un suivi irrégulier), ce manque n'a pas été compensé par l'alimentation. Avec peu de tyrosine, son organisme a fabriqué peu de mélanine : c'est pourquoi sa peau, ses cheveux et ses yeux sont très clairs.

Question 3. Trois idées permettent d'expliquer que les symptômes graves de la phénylcétonurie peuvent aujourd'hui être évités :

1. Un dépistage systématique dès la naissance : depuis 1972, tous les nouveau-nés passent un examen sanguin (document 2). La maladie est donc détectée avant que la phénylalanine ne s'accumule et n'abîme le cerveau, contrairement au patient A, diagnostiqué à 10 ans (document 3a).
2. Un régime alimentaire adapté dès la naissance : quand le taux de phénylalanine dépasse 10 mg.dL^-1, un régime pauvre en phénylalanine empêche son accumulation, donc les dommages cérébraux (document 1), et un apport riche en tyrosine compense la tyrosine que l'enzyme PAH ne produit plus (document 2a).
3. Un suivi médical régulier tout au long de la vie : le malade surveille son taux de phénylalanine, même à domicile grâce à deux taches de sang sur un carton buvard envoyé au laboratoire, pour éviter les complications neurologiques et comportementales ; chez la femme enceinte, un régime strict et un contrôle pendant toute la grossesse protègent la croissance du fœtus (document 4).

Question 1

1a. En comparant les trois colonnes du tableau, la seule activité humaine commune aux trois gaz (CO₂, CH₄, N₂O) est : les procédés industriels. (L'agriculture, par exemple, émet du CH₄ et du N₂O, mais pas de CO₂ d'après le tableau.)

1b. Les proportions en 2018 sont : 0,0408 % pour le CO₂, 0,0001857 % pour le CH₄ et environ 0,000033 % pour le N₂O. La plus grande est 0,0408 % : le gaz à effet de serre le plus abondant est le dioxyde de carbone, de formule CO₂. Une molécule de CO₂ contient 3 atomes : 1 atome de carbone (C) et 2 atomes d'oxygène (O).

1c. La combustion du charbon (carbone C) dans le dioxygène O₂ produit du dioxyde de carbone CO₂. L'équation correcte est l'équation 2 :

$$C+{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$$

Elle est bien équilibrée : 1 atome de carbone et 2 atomes d'oxygène de chaque côté.

• L'équation 1 (C + 2 O₂ → 2 CO₂) est incorrecte car elle n'est pas équilibrée : il y a 1 atome de carbone dans les réactifs mais 2 dans les produits. Les atomes ne sont pas conservés.
• L'équation 3 (2 C + 2 H₂O → CH₄ + N₂O) est incorrecte car ce n'est pas une combustion : le dioxygène O₂, nécessaire à toute combustion, n'intervient pas, et le produit attendu, le CO₂, n'apparaît pas. De plus, elle n'est pas équilibrée : des atomes d'azote apparaissent dans les produits alors qu'il n'y en a aucun dans les réactifs, et on compte 2 atomes de carbone à gauche contre 1 à droite.

Question 2

2a. En 2018, le haut de la dernière bande du graphique (toutes sources réunies) se lit à environ 37 Gt de CO₂ (entre 35 et 40 Gt), soit environ 37 milliards de tonnes de CO₂.

2b. On lit l'épaisseur de chaque bande en 2018 :

• charbon : de 0 à environ 14,5 Gt, soit environ 14,5 Gt ;
• pétrole : d'environ 14,5 à environ 26 Gt, soit environ 11,5 Gt ;
• gaz naturel : d'environ 26 à environ 32,5 Gt, soit environ 6,5 Gt ;
• autres combustions : d'environ 32,5 à environ 37 Gt, soit environ 4,5 Gt.

C'est donc la combustion du charbon qui a produit la plus grande quantité de dioxyde de carbone en 2018.

Question 3

3a. La quantité restante est la différence entre la limite à ne pas dépasser et ce qui a déjà été émis :

$$Q_{\text{restante}}=3700-2400=1300\text{Gt}$$

L'humanité peut encore émettre 1 300 Gt de CO₂ pour que le réchauffement reste inférieur à 2,0 °C.

3b. Si les émissions restent égales à celles de 2018, soit environ 37 Gt par an, le nombre d'années nécessaires pour émettre les 1 300 Gt restantes est :

$$n=\frac{1300}{37}\approx 35\text{ans}$$

La limite de 3 700 Gt serait donc atteinte vers 2018 + 35 = 2053, c'est-à-dire dans les années 2050, dans environ 35 ans à partir de 2018.

Remarque : avec une lecture de 36 Gt par an, on trouve environ 36 ans, soit vers 2054 ; toute réponse cohérente avec la valeur lue en 2a est correcte.

Question 4

4a. D'après les photographies :

• A : NON, avec le verre, l'écran de la caméra thermique reste uniforme : la tasse n'apparaît pas ;
• B : OUI, avec le polyéthylène transparent, la forme de la tasse apparaît nettement sur l'écran ;
• C : OUI, avec le polyéthylène noir, la tasse apparaît aussi sur l'écran, alors qu'on ne la voit plus à l'œil nu derrière le plastique noir.

4b. La proposition correcte est P₂ : le rayonnement détecté par la caméra thermique n'est pas de la lumière visible. En effet :

• dans l'expérience 3, le polyéthylène noir arrête la lumière visible (sur la photographie, on ne voit pas la tasse derrière), mais la caméra affiche quand même la tasse : le rayonnement qu'elle détecte traverse un matériau que la lumière visible ne traverse pas ;
• dans l'expérience 1, le verre laisse passer la lumière visible (on voit la tasse derrière), mais la caméra ne détecte pas la tasse : ce rayonnement ne se comporte pas comme la lumière visible.

Le rayonnement détecté par la caméra thermique est donc différent de la lumière visible (il s'agit d'un rayonnement infrarouge).

4c. Le matériau qui se rapproche le plus des gaz à effet de serre est le verre. Les gaz à effet de serre laissent passer la lumière du Soleil mais absorbent le rayonnement terrestre émis par la surface de la Terre. De même, le verre laisse passer la lumière visible (on voit la tasse à travers) mais absorbe le rayonnement émis par la tasse chaude, analogue au rayonnement terrestre, puisque la caméra ne détecte plus la tasse. Au contraire, les deux polyéthylènes laissent passer ce rayonnement (la tasse s'affiche sur l'écran) : ils ne l'absorbent pas.