Ruben et Kamen éclairent une suspension de chlorelles en enceinte close. Ils enrichissent en oxygène 18 l'eau du milieu, puis le dioxyde de carbone. Ils mesurent enfin, au spectromètre de masse, la teneur en oxygène 18 du dioxygène dégagé.
Les atomes d'oxygène du dioxygène dégagé viennent-ils de l'eau ? Viennent-ils du dioxyde de carbone ?
Les végétaux chlorophylliens produisent leur matière organique à partir d'eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone. Ils utilisent pour cela l'énergie lumineuse, et ils libèrent du dioxygène. Le bilan de la photosynthèse s'écrit :
6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
Les deux réactifs contiennent de l'oxygène : deux atomes par molécule de dioxyde de carbone, un par molécule d'eau. Le bilan compte les atomes qui entrent et ceux qui sortent. Il ne dit pas quel atome va où. Deux hypothèses restent donc possibles.
Les atomes d'oxygène de l'eau consommée forment le dioxygène. Ceux du dioxyde de carbone se retrouvent dans la matière organique et dans l'eau formée.
Les atomes d'oxygène du dioxyde de carbone forment le dioxygène. Ceux de l'eau consommée se retrouvent dans la matière organique et dans l'eau formée.
Les deux hypothèses rendent compte du même bilan, avec les mêmes quantités. Aucune mesure de masse ou de volume ne les sépare. Il faut donc rendre reconnaissables les atomes d'oxygène de l'une des deux sources.
L'élément oxygène a plusieurs isotopes stables. Deux d'entre eux importent ici, 16O et 18O. Ces deux noyaux ont le même numéro atomique et des nombres de masse différents. Ils ont donc le même cortège électronique, et les mêmes propriétés chimiques. Seule leur masse diffère, et c'est elle qui les rend reconnaissables.
L'oxygène naturel contient environ 0,20 % d'atomes 18O. L'eau à oxygène lourd employée ici en contient 0,85 %. Un lot enrichi n'est donc pas un lot dont toutes les molécules portent un atome lourd : plus de quatre-vingt-dix-neuf pour cent d'entre elles restent ordinaires. L'écart entre les deux teneurs est faible, mais il est mesurable.
Le gaz recueilli est ionisé, puis les ions sont déviés par un champ magnétique. Le spectromètre de masse les trie selon leur rapport masse sur charge. Les molécules de dioxygène se répartissent alors entre deux signaux principaux. Le signal de masse 32 correspond à 16O16O. Le signal de masse 34 correspond à 16O18O. Le rapport des deux signaux donne la teneur en 18O du gaz analysé.
Conséquence vérifiable. Le dioxygène provient de l'eau : sa teneur en oxygène 18 est alors celle de l'eau du milieu, quelle que soit celle du dioxyde de carbone. Le dioxygène provient du dioxyde de carbone : sa teneur est alors celle du dioxyde de carbone, quelle que soit celle de l'eau. Les deux prédictions sont incompatibles dès que les deux sources n'ont pas la même teneur. Il suffit donc d'enrichir l'une, puis l'autre.
| Essai | Série | Teneur de l'eau du milieu | Teneur du dioxyde de carbone | Dioxygène produit par 200 mm3 d'algues | Teneur du dioxygène produit |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | A : eau enrichie | 0,85 % | 0,20 % | 1,55 mL | 0,85 % |
| 2 | A : eau enrichie | 0,85 % | 0,20 % | 1,18 mL | 0,85 % |
| 3 | B : CO2 enrichi | 0,20 % | 0,85 % | 0,73 mL | 0,20 % |
| 4 | B : CO2 enrichi | 0,20 % | 0,85 % | 1,22 mL | 0,20 % |
Les teneurs sont des pourcentages d'atomes d'oxygène 18 parmi les atomes d'oxygène du lot considéré. Les volumes de dioxygène produits varient d'un essai à l'autre, avec la durée d'éclairement et l'activité des algues. Ce n'est pas cette grandeur qui porte le résultat, c'est la teneur.
Dans la série A, l'eau est enrichie et le dioxyde de carbone ordinaire. Le dioxygène dégagé est à 0,85 %, la teneur de l'eau.
Dans la série B, le marquage a changé de réactif. L'eau est ordinaire et le dioxyde de carbone enrichi. Le dioxygène dégagé est à 0,20 %, de nouveau la teneur de l'eau.
L'hypothèse d'une origine dans le dioxyde de carbone prédisait 0,20 % dans la série A et 0,85 % dans la série B. Elle prédisait donc exactement l'inverse de ce qui est mesuré : elle est réfutée. L'hypothèse d'une origine dans l'eau rend compte des quatre essais.
Les atomes d'oxygène du dioxygène libéré par la photosynthèse proviennent de l'eau, et non du dioxyde de carbone. La production de dioxygène résulte donc d'une oxydation de l'eau. À la lumière, cette réaction prend le nom de photolyse de l'eau : 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e−.
Ce résultat éclaire l'écriture du bilan. Les douze atomes d'oxygène des douze molécules d'eau consommées se retrouvent dans les six molécules de dioxygène dégagées. Les douze atomes d'oxygène des six molécules de dioxyde de carbone se répartissent entre le glucose et les six molécules d'eau formées. Retrancher six molécules d'eau de chaque côté donnerait une équation encore équilibrée. Elle masquerait le trajet des atomes : l'eau consommée et l'eau formée ne sont pas les mêmes molécules.