Terminale enseignement scientifique (2024)

Une modélisation numérique de l’expérience historique de Ruben et Kamen

Nature du savoir scientifique, histoire des sciences, modélisation multi-agents (Édu’modèles)

En 1941, les chimistes Samuel Ruben et Martin Kamen publient l’article "L’utilisation de l’oxygène lourd comme marqueur dans l’étude de la photosynthèse". L’ expérience qu’ils ont réalisée lève le voile sur la provenance des atomes d’oxygène du dioxygène produit lors de la photosynthèse.
Or, les aménagements (en vigueur à la rentrée 2024) du programme d’enseignement scientifique de Terminale suggèrent — pour son apport en ce qui concerne l’histoire des sciences — l’étude de l’expérience historique de Ruben et Kamen.
Cet article propose de recourir à une modélisation numérique afin de favoriser l’engament des élèves dans la compréhension des modalités et des résultats de cette expérience. Une réflexion peut être engagée sur sa contribution à l’élaboration du savoir scientifique.

lycée nouveaux_programmes terminale Enseignement scientifique Modèle numérique

mercredi 19 juin 2024 , par Anne Florimond

Sommaire

"En utilisant ¹⁸O comme marqueur, nous avons découvert que l’oxygène qui se dégage lors de la photosynthèse provient de l’eau plutôt que du dioxyde de carbone".
(RUBEN S., RANDALL M., KAMEN M et HYDE J.L. (1941). “Heavy oxygen (¹⁸O) as a tracer in the study of photosynthesis” in Journal of the American Chemical society n° 63, pp. 877-879)

Professeure

Anne FLORIMOND, au lycée Richelieu de Rueil-Malmaison (92)

Caractéristiques de la séquence

LIAISON AVEC LE PROGRAMME
Niveau concerné	Terminale enseignement scientifique
Partie du programme	1.1 — L’atmosphère terrestre et la vie

PLACE DANS LA PROGRESSION
Après la mise en évidence de l’implication de bactéries à métabolisme photosynthétique dans l’oxygénation de l’atmosphère terrestre il y a 2,4 milliards d’années.

MOTIVATION
Les élèves ayant choisi et poursuivi la spécialité SVT étudieront, au cours de leur année de Terminale, la photolyse de l’eau à l’origine de la production de dioxygène lors de la phase photochimique de la photosynthèse. Quant aux autres élèves, il est possible qu’il n’aient pas eu l’occasion de déconstruire, au cours de leur scolarité, certaines inexactitudes comme "les plantes transforment le dioxyde de carbone en dioxygène". Seule l’étude de l’expérience historique de Ruben et Kamen rend possible, en suivant à la trace les deux molécules candidates pour le rejet de dioxygène, la détermination de celle qui approvisionne ce rejet. D’autre part, dès lors que l’expérience des deux chimistes n’est pas réalisable en classe, le recours à un modèle numérique peut être stimulante pour certains élèves et favoriser leur mise en activité.

MOTIVATION

Les élèves ayant choisi et poursuivi la spécialité SVT étudieront, au cours de leur année de Terminale, la photolyse de l’eau à l’origine de la production de dioxygène lors de la phase photochimique de la photosynthèse. Quant aux autres élèves, il est possible qu’il n’aient pas eu l’occasion de déconstruire, au cours de leur scolarité, certaines inexactitudes comme "les plantes transforment le dioxyde de carbone en dioxygène".
Seule l’étude de l’expérience historique de Ruben et Kamen rend possible, en suivant à la trace les deux molécules candidates pour le rejet de dioxygène, la détermination de celle qui approvisionne ce rejet.
D’autre part, dès lors que l’expérience des deux chimistes n’est pas réalisable en classe, le recours à un modèle numérique peut être stimulante pour certains élèves et favoriser leur mise en activité.

PROBLÈME À RÉSOUDRE
On veut identifier les molécules qui alimentent le dégagement de dioxygène lors de la photosynthèse, en reproduisant une expérience historique.

NOTIONS, pistes de mise en œuvre du programme, compétences
Notions	Extrait du programme d’enseignement scientifique de terminale générale (BO n° 25 du 22 juin 2023) : Les premières traces de bactéries photosynthétiques sont datées d’il y a au moins 3,5 milliards d’années. Par leur métabolisme photosynthétique, ces bactéries ont contribué à l’oxygénation de l’atmosphère terrestre il y a 2,4 milliards d’années. Les interactions entre l’atmosphère et la biosphère ont contribué à des modifications de la biodiversité. Les sources et puits de dioxygène atmosphérique sont aujourd’hui essentiellement liés aux êtres vivants (photosynthèse et respiration) et aux combustions.
Pistes de mise en œuvre du programme	Nature du savoir scientifique et méthodes d’élaboration Histoire des sciences : l’apparition de la vie sur Terre, expériences de Ruben et Kamen (1941).
Compétences transversales	Pratiquer des démarches scientifiques. Concevoir, créer, réaliser. Communiquer et utiliser le numérique. Utiliser des logiciels d’acquisition, de simulation et de traitement de données.

Cadre de référence des compétences numériques (CRCN)
	Collaborer Partager et publier
	Développer des documents textuels
	Gérer les données Traiter des données

ACTIVITÉ
Durée du travail préparatoire (avant la classe) : 30 minutes	Durée du travail pendant la classe : 55 minutes	Coût : 0 euros	Sécurité : RAS

Outils numériques et ressources
Logiciel Édu’modèles en mode algorithmique (multi-agents) Le module algorithmique du logiciel Édu’modèles est particulièrement approprié pour modéliser les interactions entre les molécules et cellules présentes dans les suspensions autrefois réalisées par Ruben et Kamen. En effet, ce module repose sur des agents (entités) qui interagissent grâce à des règles (comportements). Chaque agent est défini par sa mobilité (avec une certaine probabilité de déplacement) et sa demi-vie (durée au bout de laquelle la moitié de la population de cet agent a disparu par mort naturelle). Les règles de comportement s’écrivent comme des réactions chimiques : les « agents réactifs » réagissent entre eux et forment des « agents produits » issus de la réaction, cette dernière ayant lieu avec certaine probabilité. Fichier "Ruben_Kamen.modele" : modèle multi-agents pour simuler les travaux de Ruben et Kamen Modèle numérique pour reproduire les travaux de Ruben et Kamen Logiciel tableur pour la saisie des données recueillies et leur traitement Mur collaboratif Digipad pour le dépôt et partage des compte-rendus des élèves Article "Quelques pionniers de la photosynthèse" de l’Encyclopédie de l’environnement. Cet article fait le point sur la construction des connaissances autour de la photosynthèse, sans toutefois faire référence à l’expérience de Ruben et Kamen. Les repères chronologiques permettront aux élèves de situer l’importance des travaux des deux chimistes par rapport aux connaissances du moment. Le protocole de l’expérimentation menée par Ruben et Kamen (sans les résultats) ^{D‘après sujet bac S 2004 Liban, modifié} Dans les molécules d’eau on trouve les deux atomes stables de l’oxygène, ¹⁶O et ¹⁸O. Le rapport isotopique ¹⁸O/¹⁶O de l’eau ordinaire est de 0,2% (ce qui signifie une proportion de 2 molécules de H₂¹⁸O pour 1000 molécules de H₂¹⁶O). Ruben et Kamen ont mis des Chlorelles, algues chlorophylliennes unicellulaires, en suspension (suspension A) dans une eau enrichie en ¹⁸O : 0,85% des molécules d’eau enrichie possèdent l’isotope lourd ¹⁸O. Ils ont ajouté à cette eau de l’hydrogénocarbonate de sodium, HCO₃Na, qui constitue une source de CO₂ pour les algues. Le rapport isotopique ¹⁸O/¹⁶O de l’oxygène des ions HCO₃^- est le même que celui de l’eau ordinaire : 0,2%. Les chercheurs on recueilli le dioxygène produit par ces chlorelles et déterminé le rapport isotopique ¹⁸O/ ¹⁶O des molécules produites. Les auteurs ont ensuite refait le même montage, mais en utilisant cette fois des ions HCO₃^- enrichis en ¹⁸O (suspension B). Le tableau ci-dessous résume les conditions de l’expérimentation : Les modalités de l’expérience de Ruben et Kamen (sans les résultats)

Outils numériques et ressources

Logiciel Édu’modèles en mode algorithmique (multi-agents)
Le module algorithmique du logiciel Édu’modèles est particulièrement approprié pour modéliser les interactions entre les molécules et cellules présentes dans les suspensions autrefois réalisées par Ruben et Kamen. En effet, ce module repose sur des agents (entités) qui interagissent grâce à des règles (comportements). Chaque agent est défini par sa mobilité (avec une certaine probabilité de déplacement) et sa demi-vie (durée au bout de laquelle la moitié de la population de cet agent a disparu par mort naturelle). Les règles de comportement s’écrivent comme des réactions chimiques : les « agents réactifs » réagissent entre eux et forment des « agents produits » issus de la réaction, cette dernière ayant lieu avec certaine probabilité.
Fichier "Ruben_Kamen.modele" : modèle multi-agents pour simuler les travaux de Ruben et Kamen

Modèle numérique pour reproduire les travaux de Ruben et Kamen
Logiciel tableur pour la saisie des données recueillies et leur traitement
Mur collaboratif Digipad pour le dépôt et partage des compte-rendus des élèves
Article "Quelques pionniers de la photosynthèse" de l’Encyclopédie de l’environnement.
- Cet article fait le point sur la construction des connaissances autour de la photosynthèse, sans toutefois faire référence à l’expérience de Ruben et Kamen. Les repères chronologiques permettront aux élèves de situer l’importance des travaux des deux chimistes par rapport aux connaissances du moment.
Le protocole de l’expérimentation menée par Ruben et Kamen (sans les résultats)
^{D‘après sujet bac S 2004 Liban, modifié}
- Dans les molécules d’eau on trouve les deux atomes stables de l’oxygène, ¹⁶O et ¹⁸O. Le rapport isotopique ¹⁸O/¹⁶O de l’eau ordinaire est de 0,2% (ce qui signifie une proportion de 2 molécules de H₂¹⁸O pour 1000 molécules de H₂¹⁶O).
- Ruben et Kamen ont mis des Chlorelles, algues chlorophylliennes unicellulaires, en suspension (suspension A) dans une eau enrichie en ¹⁸O : 0,85% des molécules d’eau enrichie possèdent l’isotope lourd ¹⁸O. Ils ont ajouté à cette eau de l’hydrogénocarbonate de sodium, HCO₃Na, qui constitue une source de CO₂ pour les algues. Le rapport isotopique ¹⁸O/¹⁶O de l’oxygène des ions HCO₃^- est le même que celui de l’eau ordinaire : 0,2%. Les chercheurs on recueilli le dioxygène produit par ces chlorelles et déterminé le rapport isotopique ¹⁸O/ ¹⁶O des molécules produites.
- Les auteurs ont ensuite refait le même montage, mais en utilisant cette fois des ions HCO₃^- enrichis en ¹⁸O (suspension B).
- Le tableau ci-dessous résume les conditions de l’expérimentation :
  
  Les modalités de l’expérience de Ruben et Kamen (sans les résultats)

Déroulement global de la séquence

Déroulement détaillé de la séquence

Autour des lectures préalables

À propos des modalités de l’expérience de Ruben et Kamen, le test de vérification pourrait être le suivant :

Pour chaque question, choisir l’unique proposition exacte :
1. Ruben et Kamen ont utilisé :
a) de l’eau lourde pour retracer le devenir de l’atome de carbone
b) de l’eau lourde pour retracer le devenir de l’atome d’oxygène
c) de l’eau lourde pour retracer le devenir de l’atome d’hydrogène
2. La différence entre les suspensions A et B porte sur :
a) la présence ou non d’eau lourde dans le milieu de vie des chlorelles
b) la proportion plus ou moins importante d’eau lourde dans le milieu de vie des chlorelles
c) la présence ou non de chlorelles
3. Les hypothèses testées par les chercheurs portent sur :
a) l’origine du dioxygène produit lors de la photosynthèse
b) la nécessité d’eau pour la photosynthèse
c) la nécessité de lumière pour la photosynthèse
4. Parmi les hypothèses suivantes, celle qui n’est pas testée par l’expérience de Ruben et Kamen est :
a) Les atomes d’oxygène du dioxygène dégagé lors de la photosynthèse proviennent des molécules d’eau
b) Les atomes d’oxygène du dioxygène dégagé lors de la photosynthèse proviennent des ions HCO₃^-
c) Les atomes de carbone de la matière organique produite lors de la photosynthèse proviennent des ions HCO₃^-

À propos de l’article "Quelques pionniers de la photosynthèse", il est intéressant de remarquer qu’à l’époque des travaux de Ruben et Kamen, le rejet de dioxygène lors de la photosynthèse est bien identifié (co-découverte d’un gaz "restaurant l’air" par Joseph Priestley et Carl Wilhelm Scheele, puis Lavoisier donne le nom d’oxygène au gaz impliqué) sans que son origine moléculaire ait été élucidée.

Énoncé de l’activité

Contexte
En 1941, les chimistes Samuel Ruben et Martin Kamen relatent dans une publication leur expérimentation, considérée aujourd’hui comme historique.

**Un court extrait de la publication de Ruben et Kamen**

^{Source : Gueye Babacar. Les expériences de Ruben et Kamen (1941) à travers les manuels scolaires . In : Aster, n°15, 1992. Lumières sur les végétaux verts. pp. 75-84}

Recherche à mener

À l’aide du modèle numérique fourni, reproduire l’expérience historique de Ruben et Kamen et justifier la conclusion des deux auteurs.

Aide pour la réalisation des simulations :

La lumière est considérée comme toujours présente et permettant une photosynthèse optimale. Elle ne figure donc pas dans la liste des agents ni dans les règles du modèle.

Les agents du modèle numérique
Modèle à l’ouverture : les agents pour simuler la suspension A sont déjà placés avec les effectifs adéquats.

Les effectifs initiaux des agents du modèle dans le cas de la suspension A
Pour simuler la suspension B : modifier l’effectif initial de certains agents. Pour rappel, à t=0, le rapport ¹⁸O/¹⁶O de l’eau doit être égal à 20/10000 pour représenter 0,20 % tandis que le rapport ¹⁸O/¹⁶O des ions HCO₃^- doit être égal à 68/10000 pour représenter 0,68 %.

Modélisation de la suspension B : effectifs à t=0
Pour chaque suspension : réaliser au moins trois simulations et faire une moyenne des rapports isotopiques ¹⁸O/ ¹⁶O du dioxygène produit.

Fichier pour la saisie des simulations avec le tableur Excel

Fichier pour la saisie des simulations avec LibreOffice Calc
On considérera qu’une durée de simulation égale à 1000 tours correspond à un temps réel de 65 minutes.

Résultats des simulations numériques et interprétation

On voit que la proportion d’oxygène lourd dans les molécules de dioxygène produites ressemble à celle représentée dans l’eau fournie. À l’inverse, il n’y a aucune similitude entre la proportion d’oxygène lourd dans les molécules de dioxygène produites et celle représentée dans les ions HCO₃^- .
Ces résultats vont dans le sens de la conclusion autrefois formulée par les chercheurs : "l’oxygène qui se dégage lors de la photosynthèse provient plutôt de l’eau que de dioxyde de carbone".

Résultats réels et prise de distance vis-à-vis de la modélisation

Pour terminer la séance, il peut être intéressant de montrer aux élèves les résultats réels de l’expérimentation de Ruben et Kamen afin d’engager une discussion sur les limites de la modélisation numérique.

**Résultats obtenus par Ruben et Kamen (1941) dans différentes conditions expérimentales**

On note que les deux chercheurs ont obtenu, pour le dioxygène produit, des proportions de ¹⁸O qui correspondent quasi-parfaitement à celles des molécules d’eau du mélange initial. En revanche, ce n’est pas tout à fait le cas avec notre modèle numérique où de petits écarts sont observés.

Observons l’algorithme du modèle numérique :

^{Environnement :

200 lignes / 200 colonnes}

^Agents :
^{Nom : eau avec O18

Probabilité de déplacement : 100

Effectif initial : 85}
^{Nom : eau avec O16

Probabilité de déplacement : 100

Effectif initial : 10000}
^{Nom : dioxygène avec O18

Probabilité de déplacement : 100

Effectif initial : 0}
^{Nom : dioxygène avec O16

Probabilité de déplacement : 100

Effectif initial : 0}
^{Nom :chlorelle

Probabilité de déplacement : 100

Effectif initial : 500}
^{Nom : HCO3- avec O18

Probabilité de déplacement : 100

Effectif initial : 20}
^{Nom :HCO3- avec O16

Probabilité de déplacement : 100

Effectif initial : 10000}

^{Règles :

Nom de la règle :Comportement n°1

Type : réaction entre agents

Probabilité : 100%

Réactifs : eau avec O18, chlorelle, HCO3- avec O18

Produits : dioxygène avec O18, chlorelle}
^{Nom de la règle :Comportement n°2

Type : réaction entre agents

Probabilité : 100%

Réactifs : eau avec O16, chlorelle, HCO3- avec O16

Produits : dioxygène avec O16, chlorelle}
^{Nom de la règle :Comportement n°3

Type : réaction entre agents

Probabilité : 25%

Réactifs : eau avec O18, chlorelle, HCO3- avec O16

Produits : dioxygène avec O18, chlorelle}
^{Nom de la règle :Comportement n°4

Type : réaction entre agents

Probabilité : 100%

Réactifs : eau avec O16, chlorelle, HCO3- avec O18

Produits : dioxygène avec O16, chlorelle}

Il ressort que le modèle numérique utilise des probabilités de déplacements des agents et de réalisation des règles (comportements). Or, pour héberger des nombres entiers d’agents (par exemple 85 pour 10000) il a fallu, lors de la création du modèle, prévoir un environnement de taille suffisante (dans notre cas 200x200 ce qui représente 40000 pixels).

**Paramétrage d’un environnement de grande taille**

Chaque agent occupant un pixel et les agents étant nombreux, on peut supposer que tous les contacts possibles n’ont pas été réalisés. Cette modélisation numérique ne peut donc pas reproduire fidèlement le comportement réel des molécules présentes dans la suspension de chlorelles autrefois utilisée par Ruben et Kamen.

Cela étant, rien n’empêche d’expliciter les règles du modèle. Prenons l’exemple du "comportement n°1" :

**Explicitation d’une règle du modèle à l’aide**

Finalement, les élèves réaliseront que "reproduire" l’expérience de Ruben et Kamen aura consisté à utiliser un modèle numérique créé par une personne qui a la connaissance des résultats réels de cette expérience et, plus généralement, des modalités de la photosynthèse...

La séance se conclut par la réalisation de compte-rendus, à déposer sur un mur collaboratif (ex : Digipad), éventuellement à terminer à la maison.

Regard sur l’histoire des sciences

Dans ce prolongement de la séance, on peut proposer aux élèves de se mettre à la place d’un rédacteur scientifique dont la mission serait d’enrichir l’article "Quelques pionniers de la photosynthèse" à l’aide de la découverte de Ruben et Kamen.

Exemple de paragraphe (qui pourrait se placer à la fin de paragraphe "2. Les plantes produisent de l’oxygène") :

En 1941, Ruben et Kamen réalisent des expériences utilisant l’isotope lourd de l’oxygène comme marqueur. En faisant varier la proportion de cet isotope dans les molécules d’eau et dans la source de carbone indispensables à la photosynthèse des organismes chlorophylliens, les deux chercheurs ont démontré que le dioxygène produit lors de la photosynthèse provient des molécules d’eau.

ANALYSE ET ÉVALUATION DU DISPOSITIF
Plus-values dégagées	Proposée sous la forme d’une activité numérique, l’étude de l’expérimentation de Ruben et Kamen est peut-être plus attractive que sous sa forme documentaire. Pour les collègues ne bénéficiant pas de dédoublement, l’activité est réalisable en classe entière avec l’ordinateur personnel des élèves, le cas échéant.
Difficultés à prévoir	Sur le plan scientifique, prévoir d’expliciter à nouveau la notion d’isotope (vue en enseignement scientifique de Première dans la partie 1.1 "Un niveau d’organisation : les éléments chimiques"). À ce propos, s’attendre à une confusion possible entre isotope radioactif (le ¹⁸O n’en est pas un) et isotope lourd (le ¹⁸O en est un). Sur le plan technique, s’armer de patience car le chargement du modèle est lent (nombreux agents présents).
Pistes d’amélioration	Pour augmenter le nombre de simulations sans que cela soit chronophage, proposer aux élèves de mutualiser leurs résultats.

SITOGRAPHIE

Les expériences de Ruben et Kamen (1941) à travers les manuels scolaires (Gueye Babacar. In : Aster, n°15, 1992. Lumières sur les végétaux verts. pp. 75-84).
À noter que l’article fondateur “Heavy oxygen (¹⁸O) as a tracer in the study of photosynthesis” (RUBEN S., RANDALL M., KAMEN M et HYDE J.L. (1941)) n’est pas disponible gratuitement sur le web (coût : environ 48$).

REMERCIEMENTS

à Mélanie Fenaert et Laurent Guerre pour la relecture de cet article ;
à Chokniti Khongchumde Pixabay pour le prêt du logo.

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