Une serre martienne
Construction d'un micro-écosystème
Objectif
Étudier les difficultés que représente la construction d'un écosystème stable contenant des organismes supérieurs tels que la tomate et d'autres plantes vertes dans un espace relativement restreint.
Quelques notions importantes
Un écosystème : Un écosystème est une communauté d'organismes vivants qui interagissent entre eux et avec leur milieu inorganique.
communauté + habitat = écosystème
Pour cette recherche, nous fabriquerons un habitat adéquat dans un pot de verre scellé, dans lequel nous installerons une petite communauté de plantes.
L'équilibre dynamique
Dans ce projet, le micro-écosystème est constitué d'un sol, d'une atmosphère, de plantes vertes et d'innombrables micro-organismes emmagasinés.
L'énergie est la seule ressource qui entre dans l'écosystème et en ressort.
L'équilibre énergétique est une condition importante pour essentielle à un écosystème. Lorsqu'une trop grande quantité d'énergie y pénètre, la température augmente jusqu'à ce que l'apport d'énergie soit exactement contrebalancé par la perte de chaleur. À l'inverse, lorsque la perte d'énergie (comme la chaleur) est plus grande que le gain, la température du système diminue jusqu'à ce que l'équilibre soit rétabli. |
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Afin d'atteindre la stabilité, un écosystème doit parvenir à un état d'équilibre dynamique. À ce stade, la vitesse (moyenne) à laquelle les ressources, dont le dioxyde de carbone, sont consommées est contrebalancée par la vitesse de leur remplacement dans le processus de recyclage. |
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Un écosystème stable
Un écosystème stable est un milieu dans lequel, en moyenne, un équilibre dynamique est atteint.
Les conditions environnementales sur Mars
Le sol martien
Le sol martien est composé d'environ 40% de SiO2 (silice), une matière semblable à du sable fin, et d'environ 20 pour cent de Fe2O3 (oxyde de fer), en poussière. Cette poussière est très fine, et sa texture ressemble à la poudre de talc.
Les autre 40% du sol martien sont composés de minéraux argileux, de poussière, de gravier, de galets, de pierres et de roches constituées de minéraux simples et complexes semblables à ceux que l'on trouve sur Terre. D'après nos connaissances, le sol martien est stérile.
Quelle est la fertilité du sol martien? Elle est difficile à déterminer, mais selon les résultats que nous avons obtenus avec les atterrisseurs Viking et les dernières missions Mars, ce sol semble être un substrat de loin supérieur pour la croissance des plantes à la plupart des sols sur Terre, bien qu'il présente une certaine déficience en potassium.
L'atmosphère martienne
La pression atmosphérique sur Terre est habituellement d'environ 100 kPa (kilopascals). Sur Mars, elle est de moins de 1 kPa, beaucoup trop faible pour que les plantes et les être humains puissent survivre.
Les plantes peuvent survivre à une pression atmosphérique de si peu que 5 kPa, à une pression d'azote de 2 kPa, à une pression d'oxygène de 2 kPa, à une pression de vapeur d'eau de 0,6 kPa et à une pression de dioxyde de carbone de moins de 0,1 kPa, le reste de l'atmosphère étant composé d'un mélange de gaz tels que l'argon et l'azote. Pour sa part, l'être humain a besoin d'une pression d'oxygène d'au moins 20 kPa et d'une pression d'azote de 10 kPa (comme tampon) afin de fonctionner et de respirer convenablement (environ 30 kPa).
Dans une serre martienne, les astronautes devront porter une combinaison spatiale.
La température
Sur Mars, même dans la zone équatorienne, la température est dangereusement froide, plus froide que n'importe où sur Terre, sauf peut-être au pôle Sud, durant les longues nuits glaciales d'hiver.
Pour faire pousser des plantes sur Mars, il faudra créer un environnement suffisamment chaud.
La serre martienne
Bien que les plantes puissent survivre à une pression de dioxyde de carbone de moins de 0,1 kPa, elles supportent une pression beaucoup plus grande. En fait, la plupart des plantes vertes préfèrent une atmosphère riche en dioxyde de carbone. Sur Mars, une serre ne devrait pas nécessairement constituer un écosystème fermé. On suppose que sur cette planète, on pourrait a juster la pression et la composition atmosphériques dans une serre à l'aide des ressources extérieures. Par exemple, on pourrait expulser l'excédent de méthane, tandis qu'on augmenterait l'apport de dioxyde de carbone en le puisant dans l'atmosphère de Mars, en le pressurisant et en le pompant dans la serre.
De la même façon, la quantité d'eau et la fertilité du sol pourraient être ajustées à l'aide des ressources externes.
Activité pour les élèves : Simulation d'une serre martienne
Pour commencer, révisez les étapes suivantes en prenant soin de lire les directives et les mises en garde.
Créez un registre pour y consigner les détails de la construction de la serre martienne de même que tout changement observé dans la serre, jour après jour, semaine après semaine.
Étape 1
Pour construire une serre martienne simulée, il faut se procurer un gros pot ayant une grande ouverture (avec couvercle), comme les contenants de mourarde et de kechup que les restaurants poss-èdent.
Commencez par préparer le sol. Le fond doit être constitué d'une mince couche de gravier, couverte d'une couche de 2 à 3 cm de charbon. Ces couches tiennent lieu de sol et d'espace d'aération pour aider à réduire les grands écarts d'humidité et de composition chimique de l'atmosphère de votre serre martienne simulée.
Pour soutenir les racines, la couche supérieure du sol doit être composée de mousse de tourbe. (Pour une simulation plus réaliste, on peut utiliser un mélange de sable et d'argile stériles, mais sa capacité de rétention d'eau est moins bonne que celle de la mousse de tourbe.)
Enfin, plantez un assortiment de petites plantes vertes dans le sol ou encore, répandez-y quelques semences de plants de tomates. |
Cliché de transparent |
Étape 2
Une fois que les plants sont installés, attendez quelques jours qu'ils soient bien enracinés dans leur nouvel environnement avant de passer à la deuxième étape.
Préparez l'ouverture du pot en l'enduisant d'une mince couche de graisse à vide ou en collant une bande d'étanchéité de plomberie téflon pour que le couvercle puisse être immédiatement scellé après l'ajout du dioxyde de carbone dans le contenant.
Pour créer une atmosphère de dioxyde de carbone, il suffit de verser de cette substance dans le pot (sa densité est supérieure à celle de l'air).
Pour obtenir du dioxyde de carbone, mélangez une généreuse quantité de bicarbonate de soude (soda à pâte) avec une généreuse quantité de vinaigre (acide acétique dilué) dans un très grand contenant. Laissez la réaction se produire et versez délicatement le dioxyde de carbone (plus dense que l'air) dans la serre. |
Cliché de transparent |
Étape 3
La dernière étape avant de refermer le couvercle du pot consiste à y introduire, à l'aide de pinces, un morceau de charbon chauffé dans un four à 120 °C pendant au moins une heure. SCELLEZ IMMÉDIATEMENT LE POT!
Chauffer le morceau de charbon permet à l'humidité et aux gaz de s'en chapper. Lorsque le charbon refroidit, il absorbe alors une très grande quantité de dioxyde de carbone, ce qui réduit passablement la pression de gaz dans le pot. |
Cliché de transparent |
Étape 4
La mince couche de graisse à vide (ou la bande d'étanchéité en téflon) assure une fermeture hermétique du pot, ce qui y maintient la faible pression de gaz et simule ainsi la pression de dioxyde de carbone dans l'atmosphère martienne.
MISE EN GARDE : Un contenant de verre scellé doit toujours être manipulé avec soin.
Au début, votre serre martienne simulée présentera une légère pression négative presque entièrement constituée de CO2, mais cette pression peut baisser beaucoup, car le dioxyde de carbone est hautement soluble dans l'eau.
L'eau, pour sa part, s'évapore très rapidement dans des conditions de faible pression. Si votre pot reste exposé aux rayons du Soleil ou dans un endroit chaud, la pression à l'intérieur peut augmenter bien au-delà de la pression atmosphérique normale et le faire exploser.
Portez toujours des lunettes de protection et des gants pour manipuler votre micro-écosystème. |
Cliché de transparent |
Variante à l'étape 2
Si vous disposez d'une bouteille de gaz cabonique comprimé, vous pouvez alors ajouter directement le CO2 dans le pot pour remplacer l'air et l'azote qui se trouvent à l'intérieur. |
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Conseils pratiques pour réussir une serre martienne
- Comme votre serre se trouve sur Terre, le rayonnement solaire est très élevé. Par conséquent, il est préférable de ne pas l'exposer à la lumière directe du Soleil plus de 5 à 10 minutes par jour.
- Placez un petit thermomètre (comme ceux que l'on peut attacher à une fermeture-éclair) dans l'écosystème de sorte qu'il soit bien visible.
- Placez un petit bout de papier de tournesol dans l'écosystème afin de surveiller les variations du niveau d'humidité acido-basique.
- Une petite quantité de laine d'acier (10 à 20 grammes), passée à l'alcool et rincée à fond à l'eau claire (pour enlever le gras), peut être mélangée au sol afin d'absorber l'excédent d'oxygène dans la serre (simulant davantage l'atmosphère martienne). Cela permettra également d'augmenter l'oxyde de fer, ce qui rendra le sol encore plus similaire au sol martien.
- Les plantes s'adaptent bien à la plupart des conditions d'éclairage et de température (dans une marge raisonnable), mais elles sont sensibles aux variations fréquentes de leur environnement. Gardez la serre martienne au même endroit, bien éclairée et à une température relativement constante.
- Évitez l'accumulation d'eau « dormante » dans la serre. Avant d'ajouter le dioxyde de carbone, assurez-vous que le sol est humide mais non saturé, et que le fond du pot est juste assez mouillé sans que l'eau ne coule pas d'un côté à l'autre du contenant lorsqu'on le penche.
- Quelques gouttes d'un engrais liquide pour plantes intérieures peuvent être ajoutées dans le pot, selon les directives du fabricant, cela aidera les plantes à s'adapter à leur nouvel environnement.
- Si vous mélangez le vinaigre et le bicarbonate de soude pour produire du dioxyde de carbone, vous constaterez qu'il se forme une importante quantité de mousse et de brume. Prenez garde que la mousse ou les gouttelettes de brume ne pénètrent dans votre serre.
Planifier une expérience
L'expérience a démontré que sur un échantillon de 10 à 12 micro-écosystèmes (un ensemble de classe), certains vivront quelques semaines, d'autres, quelques mois, et quelques rares spécimens survivront plus d'une année.
Le défi consiste à déterminer, si possible, les raisons expliquant les échecs des uns et le succès remarquable des autres.
Une discussion en classe permettra d'obtenir autant d'hypothèses sur les causes des échecs et des réussites qu'il y a d'élèves dans la classe. Cet échange offre une excellente occasion aux élèves de s'exprimer sur la méthode scientifique et de concevoir d'autres expériences pour corroborer leurs hypothèses.
