Une longue histoire de la matière
Sciences
23
sci1_2000_14_00C
Une longue histoire de la matière
La datation des peintures rupestres de la grotte Chauvet
Intérêt du sujet • Les peintures de la grotte Chauvet représentent une quinzaine d'animaux. Pour faire parler ce témoignage exceptionnel, l'âge de leur réalisation a été déterminé.
Découverte en Ardèche en 1994, la grotte Chauvet est célèbre pour ses peintures rupestres réalisées par des êtres humains préhistoriques. Ces peintures comptent parmi les plus anciennes connues. Leur âge a été estimé par la méthode de datation au carbone 14.
Partie 1 • Du carbone dans la matière organique
Document 1Deux rhinocéros qui s'affrontent représentés sur le panneau des chevaux de la grotte Chauvet
Ph © Raphael Gaillarde/Gamma-Rapho
Un mouchage est un frottement de la torche sur la paroi de la grotte pour retirer la partie carbonisée qui asphyxie la flamme.
Les analyses des pigments ont révélé que les peintures ont été réalisées avec des fragments de charbon de bois (traits noirs) et des minéraux :
le rouge est constitué d'oxyde de fer (Fe2O3) ;
le noir, de dioxyde de manganèse (MnO2).
Source : Dossier Pour la science, no 42, janvier-mars 2004, Hélène Valladas, Jean Cottes et Jean-Michel Geneste
Document 2Les constituants du bois
Les parois cellulaires très épaisses donnent au bois ses propriétés. Ces parois sont formées de deux constituants principaux, la cellulose et la lignine. La cellulose est une macromolécule composée d'un enchaînement de plusieurs glucoses de formule C6H12O6, comme le montre le schéma ci-dessous.
Ph © Biophoto Associates / BSIP
Source : p7.storage.canalblog.com
À partir de vos connaissances et des informations apportées par les documents 1 et 2, répondre aux questions suivantes.
▶ 1. Justifier que les oxydes minéraux ne peuvent pas être datés par la méthode du carbone 14, alors que la datation est possible pour le charbon de bois.
▶ 2. Nommer le mécanisme biologique à l'origine de la synthèse du glucose par les plantes terrestres et donner l'équation de réaction de cette synthèse de matière végétale (on veillera à ajuster les nombres stœchiométriques de l'équation). Préciser les organes impliqués dans les échanges entre la plante et son milieu.
Partie 2 • Radioactivité et datation par le carbone 14 (14C)
Document 3Datation par le carbone 14
L'isotope 14C de l'élément carbone se désintègre en azote 14N et se régénère régulièrement en haute atmosphère à partir de l'azote de l'air : il se retrouve donc en proportion constante dans tous les milieux et tous les êtres vivants. Lorsqu'un être vivant meurt, son métabolisme s'interrompt et son carbone n'est plus renouvelé. En raison de la désintégration radioactive, pour un échantillon donné, le rapport P/P0 du nombre d'atomes 14C résiduels (P) sur le nombre d'atomes présents au moment de la mort (P0) décroît au cours du temps.
Deux ensembles de mesures ont été réalisés pour la grotte Chauvet.
Le premier, réalisé sur des fragments de charbon de bois prélevés sur les peintures, fournit des valeurs P/P0 comprises entre 1,5 % et 2,5 %.
Le deuxième, réalisé à partir des prélèvements sur les mouchages de torche, fournit des valeurs comprises entre 3,5 % et 4,5 %.
Les réponses aux questions suivantes s'appuieront sur vos connaissances et sur les informations apportées par le document 3.
▶ 3. Cocher la proposition exacte pour chaque question du questionnaire à choix multiple ci-dessous.
a) La date de désintégration d'un noyau individuel de 14C dont on connaît la date de création (prise comme origine) est :
☐ aléatoire.
☐ prévisible.
☐ égale à 5 730 ans.
☐ comprise avec certitude entre 100 et 10 000 ans
b) La durée nécessaire à la désintégration radioactive de la moitié des noyaux radioactifs d'un échantillon dépend :
☐ du nombre initial de noyaux.
☐ du volume de l'échantillon.
☐ de la nature chimique des noyaux.
☐ de la température.
document 4Rapport P/P0 en fonction du nombre d'années écoulées depuis la mort
Figure a. Entre 0 et 20 000 ans
Figure b. « Zoom » entre 20 000 et 40 000 ans
▶ 4. En exploitant les figures a et b du document 4, estimer, après l'avoir définie, la demi-vie du carbone 14.
▶ 5. Estimer par un encadrement l'ancienneté des traces de l'habitation de la grotte Chauvet par les êtres humains préhistoriques en datant les mouchages de torche et les traits réalisés à l'aide de charbon de bois.
▶ 6. Expliquer en quelques phrases comment la méthode de datation par le carbone 14, utilisée en archéologie, illustre l'intérêt de la coopération entre plusieurs champs disciplinaires scientifiques.
Les clés du sujet
Comprendre les documents
Répondre aux questions
Coups de pouce
▶ 1, ▶ 2 et ▶ 3. Ces questions ne demandent pas de rédaction, il faut être bref mais précis.
▶ 4. et ▶ 5. Lisez les graphiques pour répondre à ces questions.
Aide à la résolution de la question 6
Partie 1 • Du carbone dans la matière organique
▶ 1. Le charbon de bois est formé à partir des fibres de cellulose et de lignine qui sont des polymères d'une molécule carbonée, le glucose C6H12O6 (doc. 2). Le charbon de bois contient l'élément carbone, sous la forme de deux isotopes, 12C et 14C, dont les quantités sont mesurées dans la méthode du 14C qui permet une datation.
mot-clé
Le carbone est donc un élément caractéristique du vivant car il constitue le squelette des molécules organiques.
Les oxydes minéraux contiennent du fer, de l'oxygène et du manganèse comme l'indiquent leurs formules (Fe2O3 et MnO2), mais pas de carbone. Les minéraux ne permettent donc pas l'utilisation de cette méthode.
▶ 2. Les plantes terrestres incorporent le carbone du CO2 atmosphérique (ou CO2 dissous dans l'eau) dans leurs molécules carbonées grâce à une réaction qui demande l'énergie du soleil, la photosynthèse :
6 CO2 + 6 H2O + Énergie lumineuse → C6H12O6 + 6 O2.
Cette réaction se déroule dans les feuilles, au niveau des cellules qui contiennent de la chlorophylle, le pigment vert capable de capter l'énergie lumineuse.
à noter
La chlorophylle est contenue dans les membranes internes d'organites cytoplasmiques, les chloroplastes, à l'intérieur desquels se déroule la photosynthèse.
Partie 2 • Radioactivité et datation par le carbone 14 (14C)
▶ 3. a) La date de désintégration d'un noyau individuel de 14C dont on connaît la date de création (prise comme origine) est aléatoire.
b) La durée nécessaire à la désintégration radioactive de la moitié des noyaux radioactifs d'un échantillon dépend de la nature chimique des noyaux.
▶ 4.
Le conseil de méthode
La demi-vie ne dépend pas du nombre initial de noyaux pères à t0 (correspondant à 100 %) : elle peut être déterminée à n'importe quel moment sur les graphiques du document 4. Utilisez la figure b qui vous permet d'être plus précis pour la déterminer.
Figure a. Durée de 1/2 vie du 14C
La durée de demi-vie du carbone 14 correspond au temps nécessaire pour que la moitié des noyaux radioactifs (14C) présents initialement dans un échantillon, se désintègrent (en 14N).
D'après le document 4 (figure a), il faut environ 5 700 ans pour que 50 % des noyaux initiaux aient été désintégrés, c'est-à-dire pour que P/P0 = 50 %. On compte la même durée (figure b) quand on passe de P/P0 = 8 % à P/P0 = 4 %. La demi-vie du 14C est donc t1/2 = 5 700 ans.
▶ 5. Deux ensembles de mesures ont été réalisés pour la grotte Chauvet qui nous permettent d'encadrer l'ancienneté de ces traces :
le premier, réalisé sur des fragments de charbon de bois prélevés sur les peintures, fournit des valeurs P/P0 comprises entre 1,5 % et 2,5 %, c'est-à-dire, d'après la figure b du document 4, à une période comprise entre 34 800 ans et 30 600 ans ;
le second ensemble de mesures, réalisé à partir des prélèvements sur les mouchages de torche, fournit des valeurs comprises entre 3,5 % et 4,5 %, c'est-à-dire, d'après la figure b du document 4, à une période comprise entre 27 800 ans et 25 600 ans. D'autres humains ont donc découvert les dessins de leurs ancêtres et ont pu eux aussi les admirer !
Figure b. Détermination de la 1/2 vie du 14C et datations des peintures
▶ 6. • La connaissance physique de la genèse du 14C dans l'atmosphère permet de comprendre que, bien que cet isotope se désintègre, il est en permanence renouvelé : le rapport 14C/12C reste donc constant dans l'atmosphère.
Les études physiques et chimiques ont permis de déterminer la durée de demi-vie de cet élément. On peut ainsi tracer une courbe de décroissance radioactive du 14C, qui relie au temps le pourcentage de 14C résiduel mesuré dans un échantillon depuis un instant initial. De cette façon, il est possible de dater un échantillon.
La connaissance biologique du cycle du carbone – incorporation du C atmosphérique (CO2) dans la matière des êtres vivants par la photosynthèse et sa restitution sous forme de CO2 lors de la respiration – permet de montrer qu'il existe des échanges permanents de carbone entre l'atmosphère et les êtres vivants. Ainsi, les molécules carbonées des êtres vivants sont en permanence renouvelées et contiennent le même rapport 14C/12C que celui de l'atmosphère.
À la mort d'un être vivant, ces échanges cessent (« fermeture du système »). Le rapport 14C/12C des molécules carbonées diminue puisque le 14C se désintègre, tandis que le 12C reste stable.
Ainsi le croisement des études sur l'atome et des études sur le métabolisme des êtres vivants a permis de mettre au point la méthode de datation du 14C.