Production de la matière organique - Chapitre 1 - PDF

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Okay, here is the conversion of the document into a structured markdown format. ## Unité 2: Production de la matière organique et flux d'énergie **INTRODUCTION:** Les végétaux verts produisent de la matière organique pour leur croissance à partir de ce qu'ils prélèvent dans leur environnement, les végétaux sont donc des producteurs de matière (Voir le document 1). ### Document 1: Le cycle de la matière et flux de l'énergie dans un écosystème: Dans un écosystème, les plantes chlorophylliennes fabriquent de la matière organique sans consommer celle d'un autre être vivant; on dit qu'ils sont autotrophes. Comme ce sont les premiers êtres vivants du réseau trophique à produire de la matière organique, on les appelle des producteurs primaires. Tous les autres êtres vivants du réseau trophique sont des producteurs secondaires; ils consomment la matière organique d'un autre organisme pour fabriquer leur propre matière organique. Ce sont des hétérotrophes (consommateurs). *Diagram showing the cycle of matter and energy flow in an ecosystem, with various components interconnected by arrows and labels.The components include the sun, plants, animals, microorganisms, water, and mineral salts. The processes of photosynthesis, respiration, and fermentation are also shown.* La plante prend l'eau, les sels minéraux et le gaz carbonique pour fabriquer sa propre matière organique à partir de l'énergie solaire grâce à des pigments comme la chlorophylle contenus dans ses feuilles (La photosynthèse) * Par quels mécanismes les plantes absorbent-elles l'eau et les sels minéraux? * Comment s'effectuent les échanges gazeux chlorophylliens au niveau d'une plante chlorophyllienne? * Comment les végétaux chlorophylliens utilisent-ils l'énergie lumineuse pour produire leur matière organique? ## Chapitre 1: Mécanismes d'absorption de l'eau et des sels minéraux chez les plantes **INTRODUCTION:** (Voir le document 2) ### Document 2: L'eau et les sels minéraux sont indispensables pour les plantes: *The image shows two figures, each depicting a plant in a different experimental setup. Figure 1 illustrates the measurement of water absorption by a chlorophyllous plant, showing a plant with roots in water under light, and a graduated tube measuring water intake. Figure 2 demonstrates the importance of mineral salts, showing a plant in distilled water enriched with NPK nutrients compared to a plant in plain distilled water.* Analysez les résultats de ces manipulations puis conclure. ★ **Analyse des résultats:** * La manipulation de la figure 1 montre que les plantes absorbent de l'eau en permanence; et ce à travers les racines. L'eau est indispensable à la vie des plantes.\ ➡ D'après les résultats de la manipulation de la figure 2; le plant qui a eu un développement considérable est celui cultivé sur un milieu contenant en plus de l'eau, un mélange équilibré de sels minéraux les plus importants: Sels d'azote (N); sels de potassium (K) et sels de phosphore (P). ★ **Conclusion:** En plus du dioxyde de carbone ($CO_2$), et de l'énergie lumineuse, les plantes ont besoin d'eau et d'un mélange de sel minéraux, équilibré quantitativement et qualitativement. * Quelles sont les structures responsables de l'absorption de l'eau et des sels minéraux au niveau d'une plante chlorophyllienne? * Quels sont les mécanismes d'absorption de l'eau et des sels minéraux? **I – Mise en évidence des échanges hydriques chez les plantes vertes:** * Observations à l'échelle macroscopique: **a) Manipulation:** (Voir le document 3) ### Document 3: Mise en évidence des échanges hydriques chez la pomme de terre: Découper dans le parenchyme de la pomme de terre des parallélépipèdes longs de 5 cm et de même volume; Réaliser des dilutions à partir de la solution mère de saccharose allant de 0mol/l à 1mol/l en respectant les volumes du tableau de mesure; Plonger dans chaque tube un fragment de pomme de terre ; Après une heure, mesurer les fragments de pomme de terre ; Notez les résultats obtenus dans le tableau ci-dessous. | N° du tube | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | | :----------------------------- | :--- | :---- | :---- | :---- | :---- | :---- | :---- | :---- | :---- | :---- | :-- | | Volume de solution mère en ml | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | | Volume d'eau en ml | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | | Concentration de la solution en mol/l | 0 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1 | | Longueur au début (L) (en cm) | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | | Longueur après une heure (L') (en cm) | 5.38 | 5.29 | 5.18 | 4.89 | 4.81 | 4.78 | 4.75 | 4.73 | 4.71 | 4.7 | 4.7 | | ((L'-L)/L) x 100 (en %) | 7.6 | 5.8 | 3.6 | -2.2 | -3.8 | -4.4 | -5 | -5.4 | -5.8 | -6 | -6 | Réaliser la manipulation décrite dans ce document et compléter le tableau. Traduire ces résultats obtenus sous forme de courbe (((L'-L)/L) x 100) en fonction de la concentration. Analyser et interpréter la courbe.\ **b) Exploitation des résultats:** On construit le graphique représentant le pourcentage de variation de la longueur des fragments de pomme de terre en fonction de la concentration de la solution. *The image illustrates a graph showing the percentage change in length of potato fragments as a function of solution concentration. The x-axis represents concentration (mol/L) ranging from 0 to 1, while the y-axis represents ((L'-L)/L) x 100 (in %), ranging from -6 to 8. Zones labeled "Milieu hypotonique", "Milieu hypertonique", and "Concentration isotonique" are marked on the graph. The graph shows that the change is positive at smaller concentrations until approximately 0.2 where it intercepts, becoming negative as concentration increases.* On constate que la taille des fragments augmente dans les solutions peu concentrées et diminue dans les solutions concentrées. En outre, la variation de longueur est proportionnelle à la concentration et elle est nulle pour une concentration donnée qu'il est possible de déterminer graphiquement à partir de la courbe obtenue. La courbe obtenue montre que la dimension des fragments de pomme de terre dépend de la concentration du milieu. Dans un milieu hypotonique, les fragments s'allongent tandis que dans un milieu hypertonique, elles raccourcissent. Le point situé à l'intersection de la courbe et de l'axe des abscisses permet d'évaluer la concentration équivalente des cellules du tubercule à 0,26 mol/L. * **Observations microscopiques:** **a) Rappel sur la structure de la cellule:** (Voir le document 4) ### Document 4: Structure de la cellule: L'observation au microscope optique des cellules animales et végétales montre que tous les êtres vivants se composent de cellules. L'observation au microscope électronique permet de confirmer la présence des parties mises en évidence au microscope optique. Elle permet en plus de découvrir dans le cytoplasme des sous-unités structurales et fonctionnelles qui assurent les activités fondamentales communes à toutes les formes de vie: les organites. La figure ci-dessous présente le schéma de la structure d'une cellule eucaryote, animale et végétale. *The image shows two schematic diagrams, one representing an animal cell and the other a plant cell. The animal cell diagram labels structures like the mitochondrion, cytoplasm, Golgi apparatus, nucleus, cytoplasmic membrane, and endoplasmic reticulum. The plant cell diagram labels structures like the vacuole, pore, cellulose wall, and chloroplast, each with corresponding numerical identifiers.* Compléter la légende de ce schéma puis déduire en ce qui concerne la structure de la cellule. Malgré leur grande diversité; les cellules ont le même plan d'organisation. On retrouve les parties essentielles suivantes : * Un noyau; * Le cytoplasme présentant diverses inclusions ou organites ; * La membrane cytoplasmique qui entoure toute la cellule. Cependant la cellule végétale diffère de la cellule animale en quelques points: * La forme est polyédrique; * La membrane plasmique est recouverte extérieurement par une paroi plus ou moins rigide constituée de pectine et de cellulose (paroi pectocellulosique) ; * La présence des chloroplastes (dans les cellules chlorophylliennes) et des vacuoles de très grande taille. **b) Préparation microscopique de l'épiderme d'oignon:** (Voir le document 5) ### Document 5: Préparation microscopique de l'épiderme d'oignon: Pour pouvoir observer le comportement des cellules de l'épiderme d'oignon dans des milieux différents, il faut réaliser une préparation microscopique. ★ **Manipulation:** (Figure ci-contre) *The image shows a diagram illustrating the preparation of an onion epidermis for microscopic observation. It includes steps such as cutting the onion, peeling off a section, placing it on a slide, and observing it with a microscope.* Prélever des fragments d'épiderme interne d'oignon sur la face concave d'une écaille charnue. Déposer quelques fragments dans l'eau distillée et les autres dans des solutions de saccharose de concentration 50g/1, 100g/l et 200g/1. Ajouter à chaque solution 1ml d'une solution de rouge neutre pour colorer les vacuoles des cellules. Monter, ensuite, les fragments entre lame et lamelle et observer au microscope optique. Résultats de l'observation : *The image shows three microscopic views of onion epidermis cells under different concentrations of sucrose: 50g/l, 100 g/l, and 200g/l. Each view is paired with a schematic diagram illustrating the cellular structure and a description of the cell's condition, classified as turgescent, normal, and plasmolyzed, respectively.* | | Schéma d'une cellule | Description de la cellule | | :-------------------------------------------------- | :-------------------------------------------------------------------------------- | :-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | | **50g/l de saccharose** (Observation microscopique) | | La vacuole est grande; le cytoplasme se trouve entre la vacuole et la paroi pectocellulosique. La membrane plasmique, plaquée contre la paroi, n'est pas visible. | | **100g/l de saccharose** | Paroi pectocellulosique Membrane cytoplasmique Noyau Vacuole Cytoplasme | la vacuole des cellules garde l'état normale | | **200g/l de saccharose** | | Les vacuoles sont plus petites et plus colorées, on distingue bien la membrane plasmique qui reste accrochée à la paroi au niveau des plasmodesmes. | | Type | Cellule turgescente | Cellule normale | | | | Cellule en plasmolyse\ | | *Diagram showing cells with labeles of "Plasmolyse"* | | A partir d'une observation microscopique et en exploitant les données de ce document, réaliser des schémas annotés des cellules de l'épiderme d'oignon dans les différents milieux observés puis faire une description de ces cellules. * Dans le milieu à concentration 50g/l de saccharose: Tout le cytoplasme est coloré en rouge, la vacuole l'occupe en entier, elle est chargée d'eau, on parle de turgescence, la cellule est dite turgescente. En turgescence la vacuole presse la membrane squelettique et la cellule se dilate et augmente de volume. * Dans le milieu à concentration 100g/l de saccharose: La vacuole des cellules garde l'état normal. * Dans le milieu à concentration 200g/l de saccharose: La vacuole s'est rétrécit par perte d'eau, on parle de plasmolyse, la cellule est dite plasmolysée. La contraction de la vacuole réduit le volume de la cellule et réduit sa taille. **Remarque:** Si on replace la cellule plasmolysée dans un milieu concentré, elle récupère spontanément de l'eau et devient turgescente, ce phénomène est appelé désplasmolyse. Ces observations permettent d'émettre l'hypothèse qu'il existe réellement des échanges entre la cellule (plus précisément la vacuole) et le milieu extérieur. Ces échanges varient avec la variation des concentrations. **II - Explication physique des échanges d'eau chez les cellules:** * Mise en évidence du phénomène d'osmose: **a) Expérience de Dutrochet:** (Voir le document 6) ### Document 6: Mise en évidence expérimentale du phénomène d’osmose: *The image shows a diagram of a Dutrochet osmometer used to demonstrate osmosis. The osmometer consists of a glass reservoir connected to a vertical tube, with a semi-permeable membrane at the base. The reservoir contains a solute (saccharose), and the base is immersed in water. The diagram shows the starting and ending states, with water moving into the tube over time, increasing the liquid level.* Pour expliquer la variation de la vacuole sous l'effet de la concentration du milieu extérieur, Dutrochet a proposé en 1827 un modèle explicatif des mouvements d'eau à travers une membrane semi-perméable, c'est l'osmomètre de Dutrochet.\ Cet osmomètre est constitué d'un réservoir de verre dont la partie supérieur est reliée à un long tube vertical et sa base est obturée par une membrane semi-perméable (Vessie de porc ou de mouton) (Figure ci-contre). On remplit le réservoir d'une solution du saccharose et on le plonge dans un cristallisoir contenant de l'eau pure.\ Les résultats de cette expérience sont présentés par la figure ci-dessus. A partir de l'analyse des données de ce document, interpréter la variation de l'aspect des cellules dans les préparations microscopiques du document 5. **b) Analyse des résultats:** Au début de l'expérience les liquides sont au même niveau dans le cristallisoir et dans le tube de l'entonnoir, on constate après quelques minutes une montée du niveau du liquide dans le tube de l'entonnoir. Le niveau de la solution de saccharose s'est élevé, l'eau est passée du milieu le moins concentré (eau pure) au milieu le plus concentré (solution du saccharose). **c) Conclusions:** Les molécules d'eau passent à travers une membrane semi perméable, lorsque deux solutions de concentrations différentes sont placées de part et d'autre de cette membrane, on parle du phénomène d'osmose. Le passage de l'eau à travers la membrane semi-perméable, indique l'existence d'une pression d'absorption exercée par la solution du saccharose, elle est appelée pression osmotique. Sous l'effet de la pression osmotique, les molécules d'eau vont de la solution la moins concentrée (milieu hypotonique) vers la solution la plus concentrée (milieu hypertonique) jusqu'à l'équilibre (isotonie). Quand la cellule est placée dans une solution de saccharose à 50g/l, elle se trouve dans une solution hypotonique par rapport au suc vacuolaire qui est lui hypertonique. Il y a donc passage d'eau par osmose dans la vacuole qui occupe tout le volume cellulaire: la cellule est turgescente. Lorsque l'on remplace l'eau du milieu de montage par la solution concentrée de saccharose (200g/l), le mouvement d'eau par osmose s'inverse, la vacuole perd son eau, la membrane cytoplasmique se décolle de la membrane squelettique: la cellule est plasmolysée. * Mesure de la pression osmotique: (Voir le document 7) ### Document 7: Mesure de la pression osmotique: La pression osmotique d'une solution est la pression créée par l'appel d'eau que cette solution provoque lorsqu'elle est séparée d'un milieu par une membrane semi-perméable. La pression osmotique dépend de plusieurs facteurs tels que : la température (T) et la concentration de la solution. Par conséquent, on peut calculer la pression osmotique en utilisant la formule suivante : $π = R.T.C$ * $π$ = Pression osmotique en Pa (Pascal) (Si en atm on multiplie par $10^5$). * R = constante des gaz parfaits = 0.082. * T = température absolue en °K (Kelvin) (°K =°C + 273). * C = concentration molaire en mol/ 1 (= concentration massique/masse molaire). * n = nombre de particules issues de la dissolution du soluté utilisé. Ainsi d'après la formule, on remarque que la pression osmotique est proportionnelle à la température et à la concentration molaire de la solution. Elle est indépendante de la nature de la substance dissoute. **Remarque:** Pour les substances qui se dissocient en ions lors du passage en solution, on doit multiplier la concentration molaire par le nombre d'ions libérés. Par exemple on multiplie par 2 dans le cas de NaCl. ★ **Application** : On fait dissoudre 700 mg de glucose ($C_6H_{12}O_6$) dans 25 ml d'eau à une température de 20°C. Sachant que les masses molaires des éléments : M(O) = 16g/mol ; M(C) = 12g/mol ; M(H) = 1g/mol : 1) Calculer la concentration massique et la concentration molaire. 2) Calculer la pression osmotique de la solution. La masse molaire du chlorure de sodium NaCl étant 58, si la concentration d'une solution de NaCl est de 4.5 g/l, et si la température du milieu est de 18 °C : 3) Calculer la concentration molaire de la solution et sa pression osmotique. La pression osmotique (π) est une force déterminée par une différence de concentration entre deux solutions situées de part et d'autre d'une membrane semi-perméable. C'est la valeur de $π$ d'un milieu qui détermine le sens de déplacement de l'eau, si on considère π₁ la pression osmotique interne du suc vacuolaire, et πe la pression osmotique du milieu externe on a: * π₁ > πe l'eau passera du milieu extérieur au milieu intérieur à travers la membrane cytoplasmique, et la cellule sera turgescente. * π₁< πe l'eau passera du milieu intérieur au milieu extérieur à travers la membrane cytoplasmique, et la cellule sera plasmolysée. * π₁ = πe milieu isotonique, aucun mouvement d'eau, cellule à l'état normal. **Application:** 1) La concentration massique est $C_m$: $C_m = m/v (g/l)$ $C_m = (700 x 10^{-3}) / (25 x 10^{-3}) = 700 / 25 = 28g/1$ La concentration molaire de la solution est C : $C = \frac{\text{(concentration massique en g/l)}}{\text{masse molaire en g/mol}} = \frac{C_m}{M(C_6H_{12}0_6)}$ $C=28/180 = 0.15 mol/l$. 2) La pression osmotique de la solution est π: $π = n.R.T.C$ (La molécule du glucose est non ionisable donc n = 1) $π = R.T.C$ $π = 0.082 x (20 + 273) x 0.15 = 3.6039 atm$ 3) La concentration molaire de la solution est C: $C = (4.5 / 58) x 2$ (x2) car chaque molécule de NaCl se dissocie en deux ions $Na^+$ et $Cl^-$. $C=0.15 mol/l$ La pression osmotique est π: $π = 0.082 x (18 + 273) x 0.15 = 3.58 atm$ **III – Mise en évidence des échanges de solutés au niveau de la cellule végétale:** * Mise en évidence du phénomène de la diffusion: **a) Expériences:** (Voir le document 8) ### Document 8: Mise en évidence du phénomène de la diffusion: ★ **Expérience 1:** On prépare le montage expérimental représenté dans le schéma ci-contre. Le papier cellophane est perméable à l'eau et au sulfate de cuivre: *The image shows a diagram of a diffusion experiment using cellophane material. It depicts two compartments, A and B, separated by a cellophane membrane. Compartment A contains a solution of copper sulfate, while compartment B contains water. The diagram illustrates the diffusion of the blue color from compartment A to compartment B over time.* Dans la partie B on a de l'eau distillée; dans la partie A on met une solution de sulfate de cuivre. Après un temps donné, la coloration bleue diffuse de A vers B; et la concentration du sulfate de cuivre devient la même dans A et B. ### Document 8 (Suite): ★ **Expérience 2:** On utilise un osmomètre comme indiqué sur les trois schémas ci-contre. *The image shows three diagrams illustrating an osmometer experiment with an initial state where the center tube has saccharose (V2) and the outside liquid is water (V1), then a rise in the liquid level (h), followed by a decrease in level h'.* ①: Au début de l'expérience, le milieu V₁ contient de l'eau distillée, le milieu V2 une solution de saccharose. Les deux milieux sont séparés par une membrane perméable aussi bien à l'eau et au saccharose. ②: Après un temps donné t₁, le niveau du liquide V2 monte dans le tube fin d'une hauteur h. ③: Après une autre période t2, le niveau du liquide V2 redescend d'une hauteur h'. ★ **Expérience 3:** On prépare une solution hypertonique d