T2A_CHAP_2 - Chapitre 2 : La plante, productrice de matière organique - PDF

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Thème 2A Cours De la plante sauvage à Chapitre 2 : La plante, productrice de matière organique TSPE SVT la plante domestiquée Introduction La vie fixée empêche le déplacement pour prélever de la nourriture. L’autotrophie est une forme d’adaptation physiologique (métabolisme) qui permet de produire sa propre matière organique grâce à de la matière minérale (CO2 et H2O). C’est en particulier le cas de la photosynthèse. Problème : Comment la photosynthèse permet-elle la production de matière organique et que devient le glucose produit au niveau du végétal ? I. Caractérisation et localisation de la photosynthèse 1. Bilan de la photosynthèse La photosynthèse est un ensemble de réactions chimiques que l’on peut résumer par l’équation suivante : 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2 La source d’énergie de la photosynthèse est la lumière et la source de carbone est le CO 2. La source de carbone étant minérale, la photosynthèse est un métabolisme autotrophe. Le CO2 provient de l’atmosphère, et l’O2 est rejeté dans l’atmosphère. Le glucose formé pourra être stocké sous forme d’amidon et constitue des réserves de matière organique. Ainsi, si on cherche à mettre en évidence qu’un être vivant réalise la photosynthèse, deux solutions sont possibles : - Test à l’eau iodée : L’eau iodée (ou Lugol) devient bleue noire en présence d’amidon. Ainsi, si un végétal placé à la lumière colore l’eau iodée, cela signifie qu’il a produit de l’amidon, donc qu’il a produit du glucose, donc qu’il a réalisé la photosynthèse.  - Étude des échanges gazeux, par exemple par un dispositif EXAO. On mesure alors la quantité de dioxygène et de dioxyde de carbone dans une cuve contenant des végétaux éclairés. On doit voir une augmentation de la quantité de dioxygène (traduisant une production) et une diminution de la quantité de dioxyde de carbone (traduisant une utilisation). Activité 1 : Déterminer précisément le lieu de la photosynthèse et le rôle des pigments dans la réalisation de cette réaction grâce à une chromatographie. 2. Localisation de la photosynthèse L’observation de la localisation de l’amidon (grâce au Lugol) montre qu’il s’accumule dans les chloroplastes. On en déduit que le CO2 de l’atmosphère passe par les stomates puis les chambres sous- stomatiques et les lacunes du parenchyme lacuneux pour rejoindre les chloroplastes. Les chloroplastes sont des organites à double membrane qui contiennent des filaments : les thylakoïdes (granaires et inter-granaires). Ces thylakoïdes contiennent des pigments et ménagent 2 compartiments : - Le lumen (dans le thylakoïde) - Le stroma (dans le chloroplaste mais en dehors du thylakoïde) 1 Le chloroplaste est un organite cellulaire spécialisé dans la réalisation de la photosynthèse : en effet, les chloroplastes contiennent des pigments photosynthétiques (molécules capables de capter de l’énergie lumineuse). Les pigments photosynthétiques sont contenus dans la membrane des thylakoïdes. 3. Les pigments et la capture de l’énergie lumineuse Un pigment est une substance qui absorbe certaines longueurs d’ondes de la lumière et renvoie les autres (donnant une sensation de couleur). On peut identifier les différents pigments par une chromatographie qui sépare les molécules en fonction de leur affinité pour le solvant. La chromatographie montre que les pigments présents sont : - Les chlorophylles a et b - Les caroténoïdes (dont les xanthophylles) Les pigments ont pour fonction de capter la lumière. On peut évaluer leur activité en réalisant un spectre d’absorption qui montre l’intensité de l’absorption lumineuse en fonction de la longueur d’onde, grâce à un spectrophotomètre ou un spectroscope Ainsi, les pigments chlorophylliens absorbent les radiations de longueur d’onde de 450- 500 nm (bleu) et 650-700 nm (rouge). Les radiations vertes ne sont pas absorbées et sont renvoyées (couleur verte d’un végétal). D’autre part, on peut déterminer le rôle de l’absorption en comparant le spectre d’absorption avec le spectre d’action. Ici, il s’agit de mesure l’activité photosynthétique (production d’O2) en fonction de la longueur d’onde. 2 L’efficacité de la photosynthèse dépend de la qualité (longueur d’onde) de la lumière. On remarque que la photosynthèse est active à 400 nm (bleu) et à 650/700 nm (rouge). Ces longueurs d’ondes sont absorbées par les pigments photosynthétiques. Exercice : Les algues rouges, une couleur étonnante pour un végétal chlorophyllien II. Les processus biochimiques de la photosynthèse Activité 2 : Comprendre les principales réactions chimiques qui se déroulent au cours de la photosynthèse à partir de l’étude d’expériences historiques En 1937, Robert Hill constata que des chloroplastes isolés et bien éclairés libèrent du dioxygène, à condition qu’un oxydant (un accepteur d’électron) soit ajouté au milieu. Cette expérience montre que la photosynthèse s’accompagne de réactions d’oxydoréduction activées par l’énergie lumineuse. En 1941, Ruben et Kamen au cours d’une série d’expériences montrent que le dioxygène produit lors de la photosynthèse a pour origine la molécule d’eau. Au cours de la photosynthèse, des molécules d’eau sont donc oxydées, libérant du dioxygène mais aussi des protons et des électrons. C’est la photolyse de l’eau : 2 H2O ➝ 4H+ + 4 e- + O2 3 Les électrons ainsi libérés doivent être captés par une autre molécule, qui sera alors réduite. Les expériences de Calvin et Benson au cours des années 1950 montrent que le dioxyde de carbone est transformé au cours de la photosynthèse en différentes molécules organiques comme des glucides (glucose ou autres sucres solubles) et des acides aminés. À la suite de réactions chimiques complexes, le carbone qui était lié exclusivement à l’oxygène dans le CO2 se retrouve lié dans les molécules organiques à d’autres carbones et à des hydrogènes. Cela correspond à une réduction du dioxyde de carbone, dont le bilan est le suivant : 6 CO2 + 24 H+ + 24 e- ➝ C6H12O6 + 6 H2O La photosynthèse correspond donc à une réduction de CO2 en matière organique couplée à l’oxydation de l’eau. 2 H2O ➝ 4 H+ + 4 e- + O2 (x6) Oxydation 6 CO2 + 24 H+ + 24 e- ➝ C6H12O6 + 6 H2O Réduction III. Le devenir des produits de la photosynthèse La photosynthèse conduit à la production de nombreuses molécules organiques appelées métabolites. Problème : quel est le devenir et quelle est la fonction des divers produits de la photosynthèse ? Activité 3 : Identifier le rôle des produits de la photosynthèse dans la croissance et le port de la plante 1. Exportation et transformation de la matière organique Les molécules organiques produites par la photosynthèse (les métabolites) sont en partie utilisées par les tissus chlorophylliens et le reste est exporté sous forme de molécules solubles vers tous les organes de la plante, en particulier vers les organes non chlorophylliens (racines, bourgeons, fruits…) via la sève élaborée. 4 Remarque : La sève élaborée ne contient pas d'amidon. Pour être transporté dans les vaisseaux du phloème, l’amidon est préalablement hydrolysé en saccharose (sucre constitué d'une molécule de glucose et d'une molécule de fructose de formule C12H22O11). Selon la composition enzymatique des cellules, les métabolites sont ensuite transformés en différentes molécules (sucres, acides aminés, acides gras) permettant d’assurer des fonctions biologiques diverses. 2. L’utilisation des photosynthétats pour la croissance et le port des plantes Les molécules issues de la photosynthèse peuvent également être transformées en molécules plus pérennes (présence à long terme). C’est le cas des molécules de la paroi, qui participent à la croissance et au port (maintien) des plantes : - La cellulose est un polymère de glucose, synthétisée grâce à une enzyme : la cellulose synthétase. C’est une fibre résistante mais souple qui est présente autour des cellules en croissance (cellule en division et en élongation) et qui s’agrandit avec le volume cellulaire. - La lignine est un polymère de molécules hydrophobes et rigides. Elle s’accumule dans les cellules plus âgées et rigidifie la paroi ce qui contribue au soutien (« maintien »). Elle a aussi des propriétés imperméabilisantes (facilitation du transfert de l’eau dans un conduit hydrophobe). De plus, la lignine peut s’accumuler pour former des cernes et épaissir les tiges et ainsi former du bois (et un tronc). 5 Activité 4 (TP) : Identifier le rôle des produits de la photosynthèse dans le stockage de la matière organique 3. Mise en réserve de matière organique Pour survivre lorsque les conditions ne leur permettent plus d'assurer la photosynthèse (ex : hiver, sécheresse,...), les plantes pérennes (qui vivent plusieurs années) ont développé des organes de stockage pour stocker des substances organiques en attendant le retour des conditions favorables. Pour ces plantes pérennes, le stockage s'effectue souvent sous forme de glucides dans des organes souterrains (ex : tubercule de pommes de terre). Chez les plantes annuelles, la pérennité est assurée par des graines produites par reproduction sexuée. La graine stocke alors des réserves qui permettront le développement de l'embryon puis de la jeune plantule. Beaucoup de plantes possèdent des fruits charnus comestibles, riches en matière organique (surtout des glucides). Ces fruits sont consommés par des animaux qui, tout en se nourrissant, contribuent ainsi à disséminer les graines (interaction mutualiste plante/animal). Activité 5 : Mettre en évidence les interactions des produits de la photosynthèse avec d’autres espèces 4. Interaction des produits de la photosynthèse avec d’autres espèces Les produits de la photosynthèse permettent également la synthèse de substances odorantes ou de pigments comme les anthocyanes qui, en réfléchissant les rayons du soleil, donnent les couleurs des fruits ou des fleurs. Ainsi, en attirant les animaux et, en particulier les insectes pollinisateurs, ces substances favorisent la reproduction sexuée des angiospermes. Le pollen sert également de nourriture aux insectes. Ces interactions apportant des bénéfices à chacun sont qualifiées d'interactions mutualistes. Les tanins repoussent les phytophages en développant un goût désagréable et en perturbant la digestion (exemples : koudous d’Afrique du Sud et feuilles d’acacia ; larves du Bombyx disparate et chênes). Ces interactions entraînent une compétition pour la survie entre la plante et l'animal : on parle d'interactions compétitives. 6 7