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Cultiver sur Mars

Notes pour les enseignants

Vivre et travailler dans un environnement clos

Cliché de transparent

Cette unité est une introduction à la stabilité des écosystèmes.

La survie à long terme sur la planète Mars exige la construction d’un habitat stable et pouvant permettre une production agroalimentaire (et peut-être d’oxygène) pour ses habitants humains.

Il n’y a pas d'épicerie sur Mars. Il n’y existe aucune source pratique d’eau liquide. Pas d’air à respirer... on ne pourra donc jamais y ouvrir une fenêtre!

On doit y vivre dans un environnement totalement fermé et scellé, dans lequel on trouve tous les éléments essentiels à la survie humaine.

Dans cette activité, les élèves relèvent le défi de construire une petite biosphère stable et recherchent les conditions qui assurent le succès ou l’échec de leur biosphère.

À souligner

1. Il existe une seule biosphère stable connue dans l’Univers. C’est la planète Terre.

2. La nature ne peut recréer facilement ses ressources naturelles. Il faut donc presque tout.

3. La stabilité d’une biosphère dépend totalement des mécanismes naturels de rétroaction pour sa survie.

4. La biosphère parfaite atteindra un état d’équilibre dynamique où certaines espèces à l’intérieur de la biosphère consomment des ressources exactement au même rythme que d'autres espèces de la biosphère recyclent ces ressources.

5. Plus la biosphère est grande et diversifiée, mieux elle résiste aux catastrophes causées par une influence interne ou externe.

6. Plus la biosphère est grande et diversifiée, plus ce sera long avant de subir les effets catastrophiques d’un problème provenant de l’intérieur ou de l’extérieur.

7. Plus la biosphère est grande et diversifiée, plus il est difficile d’inverser les effets catastrophiques d’un problème provenant de l’intérieur ou de l’extérieur une fois que le processus est commencé.

8. La recherche scientifique exige un processus d’investigation en plusieurs étapes : poser une question initiale, planifier le travail de recherche, enregistrer les observations et recueillir les données, analyser les données pour en tirer une conclusion et communiquer les découvertes.

Construire une biosphère

Une biosphère n’est pas un terrarium.

Le but principal de ce projet est de concevoir et de construire un système stable et fermé écologiquement : une biosphère. On ne peut « ouvrir » une biosphère pour y ajouter ou y retirer du matériel ou pour modifier le système.

Un terrarium, par contre, est ouvert pour que les conditions environnementales à l’intérieur du terrarium puissent être ajustées afin de maintenir la santé et la prospérité du système.

Cliché de transparent

Liste d’équipement

Voici ce dont vous aurez besoin :

1. Un gros pot de conserve à large ouverture (4 litres ou plus) et son couvercle (enlever l’étiquette). Les gros pots de cornichons ou de moutarde utilisés par les cafétérias ou les restaurants conviennent parfaitement.

2. Gravier ou pierre concassée.

3. Briquettes de charbon ou fragments de bois.

4. Mousse de sphaigne ou terre riche en humus.

5. Assortiment de plantes vertes, mousses et champignons.

6. Eau.

7. Un peu d’engrais tout usage pour les plantes.

8. Une étiquette d’identification (cliquer ici).

Procédure

La procédure est simple. Commençons par le pot à large ouverture.

1. Mettre une couche de 2-4 cm de roches au fond.

2. Recouvrir les roches avec 2-3 cm de charbon (écraser les gros morceaux en miettes).

3. La couche de terre doit être riche en humus. Environ 5-6 cm devraient suffire.

4. Choisir une grande variété de petites plantes vertes. De petites mousses et des bâtonnets recouverts de champignons peuvent être ajoutés.

5. Préparer une solution d’eau et d’engrais selon les indications sur le contenant d’engrais. En verser suffisamment pour couvrir les roches au fond du pot.

6. Sceller le contenant, créer une étiquette identifiant le contenu de votre biosphère et coller l’étiquette sur le couvercle.

7. Installer la biosphère dans un endroit relativement chaud et éclairé.

8. Enregistrer les observations.

Conseils

1. Planifier une sortie sur le terrain pour ramasser les plantes et la terre nécessaires pour chaque biosphère.

2. Certaines biosphères mourront rapidement, alors que d’autres dureront des années. Il est très important de documenter le plus possible le contenu de chaque biosphère afin de pouvoir expliquer le succès ou l’échec de chaque biosphère.

3. Utiliser de la terre et des plantes provenant du même endroit et de conditions identiques.

4. Essayer de ne pas changer les biosphères d’endroit trop souvent, car il est difficile pour les plantes de s’acclimater à un nouvel environnement.

5. Ne jamais ouvrir la biosphère. Vous risquez de détruire la capacité du système à créer un équilibre stable.

6. Avertissement : Éviter les longues expositions aux rayons de soleil direct.

Observations

Transparent reproductible pour noter les observations

Les concepts importants

1. Votre biosphère a besoin d’énergie

L’énergie sous forme de lumière solaire visible (lumière à courte longueur d’onde) doit entrer dans la biosphère au même rythme que l’énergie infrarouge (lumière à grande longueur d’onde) est évacuée de la biosphère. Si ce n’est pas le cas, votre biosphère se réchauffera (l’énergie entrante est supérieure à l’énergie sortante) ou se refroidira (l’énergie sortante est supérieure à l’énergie entrante).

2. La quantité totale de matière à l’intérieur de la biosphère est constante

La biosphère a besoin d’eau, d’oxygène et de dioxyde de carbone pour survivre. Parce que la biosphère est un système fermé, la quantité totale de matière dans le système ne change jamais. On peut le vérifier occasionnellement en pesant la biosphère. Cependant, les plantes à l’intérieur de la biosphère consomment du dioxyde de carbone, de l’eau et des nutriments de la terre. Les plantes vertes utilisent ces matières pour produire de l’oxygène et des molécules organiques complexes telles que du sucre. Si les plantes vertes produisent ainsi pendant suffisamment de temps, elles manqueront éventuellement d’au moins un de ces ingrédients.

Alors que les plantes vertes utilisent de l’eau et du dioxyde de carbone, les bactéries et les plantes non vertes telles que les champignons utilisent de l’oxygène et des molécules organiques complexes créées par les plantes vertes pour émettre du dioxyde de carbone et de l’eau.

3. La biosphère doit atteindre un état d’équilibre dynamique

Dans une biosphère parfaite, les bactéries aérobies (qui consomment de l’oxygène) et les plantes non vertes utilisent l’oxygène produit par les plantes pour produire de l’eau et du dioxyde de carbone au même rythme que les plantes vertes le consomment.

Lorsque toutes les matières consommées par les diverses espèces d’un système sont remplacées par d’autres espèces, le système est en équilibre ou, plus exactement, en équilibre écologique.

Les conditions affectant l’équilibre

(a) Les tampons

Les tampons sont des systèmes qui réduisent l’impact de tout changement se produisant dans un système plus grand en absorbant les conséquences de ce changement.

Par exemple, les barrages sur une rivière servent de « tampons de courant » en emprisonnant les eaux tumultueuses pour les relâcher lentement.

Dans cette biosphère, le charbon sert de tampon atmosphérique. Une bonne quantité de charbon sur la surface de la biosphère augmente efficacement le volume d’air dans le contenant en le multipliant par dix ou plus, sans avoir à utiliser un plus grand contenant. Il réussit cet exploit en absorbant et relâchant lentement les quantités excessives d’oxygène, de dioxyde de carbone, de méthane et d’autres gaz, empêchant ainsi des changements radicaux dans la composition de l’air à l’intérieur de la biosphère.

(b) Rétroaction

La rétroaction est un mécanisme où les résultats d’un processus envoient des signaux à ce processus et définissent comment le processus devrait continuer. Il existe trois sortes de rétroaction :

1. Rétroaction positive : rétroaction qui cause l’accélération du processus.

2. Rétroaction négative : rétroaction qui cause le ralentissement du processus.

3. Rétroaction d’équilibre : rétroaction qui cause la constance du processus.

Activités

1. Demander aux élèves de faire un tableau qui énumère tous les éléments de leur biosphère et ce que chaque élément consomme et produit. Faire prédire aux élèves l’impact global sur la biosphère de l’élimination de chaque élément individuellement.

2. Demander aux élèves de suggérer un animal ou une plante qui pourrait être introduit «avec succès dans leur biosphère et d’expliquer l’impact de cette introduction sur l’ensemble de la biosphère.

3. Qu’est-ce que ça veut dire?, Transparent de l’activité de l’élève

Sujets de discussion en classe

1. Une atmosphère plus chaude implique une plus grande évaporation et, donc, plus de vapeur d’eau dans l’atmosphère terrestre. Plus de vapeur d’eau se traduirait en une planète plus nuageuse. Tout le monde sait que les nuages réfléchissent très bien la lumière solaire, et donc que moins d’énergie réussirait à atteindre la surface terrestre et les parties inférieures de l’atmosphère terrestre.

   1. Demander aux élèves de dessiner un diagramme montrant ce transfert d’énergie.

   2. Discuter de cet effet. Est-ce un mécanisme de rétroaction négative, positive ou d’équilibre?

2. Pour entreprendre un voyage vers Mars, on ne peut apporter un écosystème complet avec nous. Nous devrons donc nous fier à des machines pour aider à maintenir un environnement stable à l’intérieur de notre habitat fermé.

   1. Aller à la bibliothèque pour trouver comment les astronautes recyclent l’air dans la navette spatiale.

   2. Aller à la bibliothèque pour trouver comment les eaux usées sont purifiées dans les usines de traitement des eaux usées des villes.

3. L’humain a besoin de consommer environ 4 litres d’eau par jour (en aliments et breuvages) pour rester en santé.

   1. De quelle quantité d’eau une personne a-t-elle besoin pour une mission aller-retour vers Mars de 910 jours?

   2. Quelle quantité d’eau, en litres, pour un équipage de quatre personnes?

   3. Quelle quantité d’eau, en kilogrammes, pour un équipage de quatre personnes?

   4. Quelle quantité d’eau, en kilogrammes, pour un équipage de quatre personnes si la moitié de l’eau consommée peut être recyclée?

4. Trouver une méthode pour recycler l’eau utilisée par les plantes dans une biosphère simple. Conseil : Commencer par déterminer où va l’eau utilisée pour arroser les plantes.