Le sol : première composante du milieu de la plante
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BacPro TP / MP34 Chapitre 4 : La photosynthèse ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Chapitre 4 : La photosynthèse Objectifs du programme MP 34: - Synthèse de la matière organique > équation, bilan La nutrition des végétaux - La nutrition minérale > forme des éléments absorbés > absorption du CO2 : : localisation, conditions - Schématiser la synthèse de matière organique « On montrera le rôle capital de la photosynthèse dans la production de biomasse et dans l’élaboration de toutes les substances organiques. » Objectifs notionnels du chapitre Savoir mettre en évidence la synthèse de matière organique et les échanges gazeux à partir de l’interprétation d’expériences simples. Mettre en évidence le rôle de la lumière dans la photosynthèse Connaître les organes, cellules et organites mis en jeu au cours de la photosynthèse Rédiger précisément l’équation bilan de la photosynthèse Schématiser la synthèse de la matière organique Citer les facteurs qui ont une influence sur la photosynthèse Connaître la notion d’autotrophie par la réalisation de la photosynthèse Objectifs méthodologiques du chapitre Observer des cellules chlorophylliennes d’élodée au microscope électronique (TP) Réaliser un montage simple mettant en évidence un gaz produit par l’élodée au cours de la photosynthèse (TP) Commenter et interpréter des expériences de mis en évidence de la photosynthèse 1 BacPro TP / MP34 Chapitre 4 : La photosynthèse ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- I. INTRODUCTION : LES VEGETAUX REALISANT LA PHOTOSYNTHESE SONT AUTOTROPHES Document n° 1 : Expérience de germination de graines dans une solution de Sachs La solution nutritive des sels minéraux, ou milieu synthétique, est élaborée de manière à ce que les principaux éléments relevés par l’analyse dans les végétaux soient présents. Les plantes vertes cultivées dans de telles conditions et correctement éclairées se sont toutes parfaitement développées, ont fleuri et ont donné des graines. Questions 1) Comment peut-on qualifier ce milieu de culture en terme de matière présente ? 2) Est-ce qu’un homme ou n’importe quel animal pourrait se nourrir uniquement à partir de cette solution ? Pourquoi ? 3) Citer un exemple de molécule organique présente chez les végétaux. 4) De quels éléments chimiques essentiels est composée la matière organique ? 5) Est-ce que tous ces éléments sont contenus dans la solution de Sachs ? 6) Les plantes cultivées par Sachs se sont-elles contentées des éléments chimiques contenus dans la solution minérale ou ont-elles puisé d’autres éléments dans leur environnement ? Réponses Milieu exclusivement minéral NON.doit se nourrir d’un autre vivant pour récupérer de la matière organique Amidon = glucose-glucose-glucose-glucose glucose = C6H12O6 C H O N (protéines) Non , pas le carbone Non, elles ont puisés le carbone ailleurs (CO2) sous forme de gaz ! 2 BacPro TP / MP34 Chapitre 4 : La photosynthèse ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------7) Dans ces expériences, les plantes n’ont trouvé Elles sont capables de transformer la dans leur environnement que de la matière matière minérale en matière organique minérale, alors qu’elles sont constituées grâce à la photosynthèse essentiellement de matière organique (indispensable pour produire leur énergie). Quelle hypothèse pouvez-vous formuler pour expliquer cela ? Notion d’autotrophie et d’hétérotrophie : En grec : « trophê » = nourriture, « autos » = soi-même et « hétéros » = différent 8) Les végétaux capables d’effectuer la photosynthèse sont-ils autotrophes ou hétérotrophes ? Autotrophes 9) Citer un individu hétérotrophe : l’homme 10) Donner une définition de « autotrophe » Organisme capable de synthétiser de la matière organique uniquement à partir de matière minérale. Note : Les organismes autotrophes n’ont pas besoin d’autres êtres vivants pour se nourrir. Ils constituent généralement le premier maillon d’une chaîne alimentaire, on peut dire que les autotrophes sont à l’origine de quasiment toute la matière organique dans un écosystème. Problématique : Comment les végétaux sont-ils capables de synthétiser de la matière organique uniquement à partir de matière minérale au cours de la photosynthèse ? Où a lieu la photosynthèse dans le végétal ? Quels facteurs sont les facteurs exerçant une influence sur la photosynthèse ? II. REACTION CHIMIQUE DE LA PHOTOSYNTHESE Comme nous l’avons vu précédemment, la photosynthèse conduit à la production de matière organique. On peut la mesurer chez les végétaux en observant la présence de glucose ou plus simplement d’amidon pouvant être mis en évidence lorsque que l’eau iodée change de couleur (teinte bleue foncée). 3 BacPro TP / MP34 Chapitre 4 : La photosynthèse ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2.1) La lumière, photosynthèse source d’énergie indispensable lors de la Document n°2 : Expérience - Photosynthèse du pélargonium et besoin en lumière Source : http://chronos.activeweb.fr/QuickPlace/accesmad/PageLibrary85256E91005B9180.nsf 1) Préparation : on fixe un cache de carton noir sur une feuille de Pélargonium. La plante est mise au soleil direct pendant 4 heures. 3) On la met dans l'alcool bouillant. Elle en ressort décolorée après 3 minutes. 2) Au bout de 4 heures, on cueille la feuille et on enlève le cache 4) Elle subit le test de l'eau iodée (2-3 min) pour détecter la présence d'amidon (coloration noire). Interprétation / Bilan : Puisque, seules les parties de la feuille qui ont été éclairées, contiennent de l'amidon, la lumière est un nécessaire à la synthèse de l'amidon Lumière = facteur indispensable à la photosynthèse. 5) Pour terminer, la feuille est rincée à l'eau 4 BacPro TP / MP34 Chapitre 4 : La photosynthèse ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2.2) Le CO2 (gaz), source de carbone de la matière organique produite lors de la photosynthèse Document n°3a : Expérience a Besoin en CO2 des plantes photosynthétiques Protocole Une plante verte est exposée à la lumière et cultivée sous une cloche hermétique. Un papier imbibé de rouge de crésol est placé à côté d’elle. Il détecte les variations de teneur en CO2 du milieu. Lorsque l’air est normal, sa coloration est rosée. Lorsque l’air s’appauvrit en CO 2, il devient pourpre. A- Début de l’expérience Observation : le papier est de couleur rosée Signification : l’air est normal B – Fin de l’expérience Observation : le papier est devenu pourpre Signification : l’air s’est appauvri en CO2 Interprétation : La plante a consommé le CO2. Cette plante est éclairée ce qui permet la réalisation de la photosynthèse. Hypothèse : On peut supposer que le CO2 est bien la source de carbone de photosynthèse Proposer une expérience pour tester votre hypothèse : Faire varier la concentration du CO2 et mesurer le développement de la plante et la fabrication de matière organique. Document n°3b : Expérience b Besoin en CO2 des plantes photosynthétiques Trois lots de graines de radis sont pesés. Avec ces graines, sont réalisés trois semis aussi identiques que possible. Chaque semis est placé dans une enceinte transparente. Avec des conditions d’éclairage, de température et d’arrosage identiques. La teneur en dioxyde de carbone de l’air varie pour chaque semis : - 0,03% pour le semis 1 = teneur normale - 0% pour le semis 2 (en réalité l’atmosphère est très appauvrie en CO2 mais il n’est pas totalement éliminé) - 3% pour le semis 3 (atmosphère enrichie en CO2). 5 BacPro TP / MP34 Chapitre 4 : La photosynthèse ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1) Commenter les résultats et interpréter cette expérience : La production maximum de matière organique fut obtenue par le semis ayant reçu l’air le plus riche en CO2. En enrichissant l’air en CO2., on augmente la production de matière organique constituant la plante. Le CO2 est donc utilisé pour fabriquer la matière organique. 2) Le semis n°2 ne permet pas de prouver que le CO2 est indispensable à la photosynthèse car la concentration en CO2 n’est pas nulle. Quel serait le résultat du semis n°2 si la concentration en [CO2]=0 ? Matière sèche produite = 0g BILAN : Le CO2 consommé lors de la photosynthèse est indispensable. Il est la source de carbone de la matière organique. 2.3) La photosynthèse produit du dioxygène O2 Expérience du TP Photosynthèse: Production d’oxygène lors de la photosynthèse Document n° 4 (Source : session 2001 Réunion Mayotte – OptionTravaux Paysagers) 6 BacPro TP / MP34 Chapitre 4 : La photosynthèse ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Gaz produit ? DIOXYGENE Pour caractériser ce gaz, une baguette de bois enflammée puis éteinte (extrémité encore incandescente) est plongée dans un tube de dégagement. A- Début de l’expérience B- Fin de l’expérience C- Caractérisation du gaz produit D – Même expérience à l’abri de la lumière : A l’abri de la lumière, cette production de gaz n’a pas lieu. Commenter les résultats de cette expérience et interpréter : Une réaction est à l’origine de la production d’oxygène car la baguette éteinte, se rallume. Cette réaction n’a pas lieu en l’absence de lumière. Il doit donc s’agir de la photosynthèse. BILAN : Au cours de la photosynthèse, les plantes produisent de l’oxygène. 2.4) Equation bilan de la photosynthèse Energie lumineuse (soleil) 6CO2 + 6 H20 -------------------> C6H12O6 + 6O2 + 6 H2O Définition à connaître : PHOTOSYNTHESE Fabrication de matière organique à partir d’eau et de CO2 atmosphérique chez les plantes vertes en utilisant la lumière comme source d’énergie et en produisant un dégagement d’oxygène. 7 BacPro TP / MP34 Chapitre 4 : La photosynthèse ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2.5) Schématisation de la synthèse de la matière organique au cours de la photosynthèse Transformation Energie lumineuse Soleil Energie chimique Glucose PHOTOSYNTHESE MATIERES MINERALES MATIERES ORGANIQUES 1 Eau (sol) GLUCIDES C,H,O du glucose permet de former : saccharose, amidon (stockage de glucose), cellulose (paroi), etc… PHOTOSYNTHESE + Ions (sol) GLUCOSE + Dioxyde de carbone (atmosphère) Transformation Utilisation énergétique immédiate Production d’ATP (molécule énergétique) 2 LIPIDES Formation des acides gras huiles PROTIDES Grâce à l’azote, formation des acides aminés et des protéines Sort du glucose : La molécule de glucose contient de l’énergie. Elle peut être utilisée de 2 manières : 1) Utilisation énergétique immédiate production d’ATP (molécule énergétique) 2) Transformation en une autre molécule organique : glucides (exemple : l’amidon = chaîne de glucoses molécule de réserve énergétique), en lipides et protides (acides aminés, protéines) Les plantes vertes (et certaines bactéries) sont les producteurs de toute la nourriture des écosystèmes. C’est pourquoi ils constituent la base des chaînes alimentaires. Les êtres vivants hétérotrophes, comme les humains, ne pourraient vivre sans ces êtres vivants capables de synthétiser de la matière organique à partir de matière minérale. 8 BacPro TP / MP34 Chapitre 4 : La photosynthèse ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- III. LOCALISATION DES ORGANES, CELLULES ET ORGANITES MIS EN JEU AU COURS DE LA PHOTOSYNTHESE 3.1) Les organites cellulaires mis en jeu au cours de la photosynthèse : les chloroplastes Document n°6 : Observations microscopiques de cellules de feuilles d’élodée (Voir TP Photosynthèse) Source : http://chronos.activeweb.fr/QuickPlace/accesmad/PageLibrary85256E91005B9180.nsf Protocole Avant l’expérience, nous voyons dans les cellules, de nombreux chloroplastes colorés en vert par la chlorophylle (Doc 6a). Préparation de l'expérience : on éclaire fortement avec un spot de 100 watts, un aquarium contenant des élodées, pendant 24 heures. On prélève ensuite, un fragment de feuille du bourgeon, que l'on monte dans une goutte d'eau additionnée d'eau iodée, entre lame et lamelle (doc 6b). Doc 6a : Cellules de feuilles d’élodée placée à la lumière avant la coloration à l’eau iodée Doc 6b : Cellules de feuilles d’élodée placée à la lumière après la coloration à l’eau iodée Remarque : Si on réalise la même expérience à l’obscurité et pendant un certain temps, on constate que la coloration bleue foncée des chloroplastes n’a pas lieu. Interprétation : Cette observation montre que la synthèse de l'amidon n'a lieu que dans les chloroplastes. 9 BacPro TP / MP34 Chapitre 4 : La photosynthèse ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Document n°7 : Organisation d’un chloroplaste ( voir MP2) La partie liquide du chloroplaste, le stroma, renferme des granas, composés d’un empilement de sacs membranaires aplatis qu’on appelle thylacoïdes. Ces thylacoïdes abritent les molécules de chlorophylle. Importance de la chlorophylle : La chlorophylle est le pigment à l’origine de la couleur verte des cellules végétales. La chlorophylle est indispensable car c’est qui elle capte et transmet l’énergie lumineuse lors de la photosynthèse. Schéma d’un chloroplaste A connaître !!! L’organisation d’un chloroplaste (voir Bac Pro TP) : Réaliser un schéma légendé représentant l’élément cellulaire où se déroule la photosynthèse (Demandé lors de la session 2004 du Bac Pro TP) à faire à la maison > séance suivante 10 BacPro TP / MP34 Chapitre 4 : La photosynthèse ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3.2) La photosynthèse se déroule dans les cellules chlorophylliennes (contenant des chloroplastes) Document n°8 : Expérience - Photosynthèse du pélargonium à feuilles panachées Source : http://chronos.activeweb.fr/QuickPlace/accesmad/PageLibrary85256E91005B9180.nsf 1) Préparation : Un pot de Pélargonium à feuilles panachées est mis au soleil direct pendant 4 heures. La partie blanche des feuilles ne contient pas de chlorophylle.. 2)Au bout de 4 heures, on cueille la feuille . 3) On la met dans l'alcool bouillant. Elle en ressort décolorée après 3 minutes. 4) Elle subit le test de l'eau iodée (2-3 min) pour détecter la présence d'amidon (coloration noire). Résultats et interprétation : Puisque, seules les parties de la feuille qui étaient vertes, contiennent de l'amidon, la chlorophylle est donc nécessaire à la synthèse de l'amidon (c'est-à-dire à la photosynthèse). Bilan : La photosynthèse se déroule dans les cellules chlorophylliennes 11 BacPro TP / MP34 Chapitre 4 : La photosynthèse ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Document n° 9a : Coupe transversale d’une feuille (source : session bac pro 1998 Remplacement) Document n°9b : Bloc en trois dimensions d’une feuille (source : session bac pro 2007 Métropole « Joker SVT Seconde 1994 Bordas) à légender à la maison. 12 BacPro TP / MP34 Chapitre 4 : La photosynthèse ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1) Quels sont les deux tissus où se déroule la photosynthèse ? Ce sont les tissus dont les cellules renferment de nombreux chloroplastes Parenchyme palissadique (conduction de la lumière) Parenchyme lacuneux (à proximité d’espaces aériens lacunes, permettant les échanges gazeux !) 2) Quel autres structures visibles sur ces coupes transversales sont également mis en jeu dans la photosynthèse ? - stomates : approvisonnement en CO2 (voir leçon Transpiration) - tissus conducteurs (apports de l’eau et des sels minéraux + récupération de ma matière organique) 3.3) Organes mis en jeu lors de la photosynthèse Situations mettant en évidence le rôle des feuilles dans la photosynthèse 1) Compte tenu des informations des textes précédents, quel est selon vous le rôle des feuilles ? La synthèse de la matière organique se produit dans les feuilles. 2) Sachant que le jaunissement des feuilles correspond à la disparition de la chlorophylle, quel est selon vous le rôle de la chlorophylle ? Elle joue un rôle important sur la production de matière organique 3) Pourquoi faut-il agir contre les ravageurs, les Ce sont des organes importants. S’il n’y parasites et les maladies des feuilles ? a pas de feuilles, de chlorophylle, pas de synthèse de matière organique Bilan : La photosynthèse a lieu dans les feuilles Note : Cependant, les tiges herbacées (exemple : graminées) renferment parfois des cellules chlorophylliennes et peuvent réaliser une part souvent très faible de la photosynthèse 13 BacPro TP / MP34 Chapitre 4 : La photosynthèse ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- IV. LES FACTEURS DE VARIATION DE LA PHOTOSYNTHESE 4.1) Importance de l’intensité lumineuse Document 10 : Influence de l’éclairement sur l’intensité photosynthétique Source : session bac pro 2004 France Métropolitaine QUELQUES VALEURS DE L’ECLAIREMENT En plein soleil au zénith 100 000 lux Eclairement des feuilles en plein 10 000 à soleil 20 000 lux Serre à éclairage intense 30 0000 à 40 000 lux Serre horticole 1 000 à 10 0000 lux Pièce bien éclairée 100 à 300 lux Claire de lune 0,2 lux Bilan : L’activité photosynthétique des plantes augmente avec l’intensité lumineuse. La plante assimile jusqu’à un niveau optimum qu’elle ne peut dépasser. Types de plantes Les plantes de lumière (=héliophile) Les plantes semisciaphiles Niveau d’éclairement optimal Exigent de forts éclairements (50 000 lux environ) pour croître et ne tolèrent pas l’ombre des autres Se plaisent lorsque l’éclairement est moyen (1000 à 3000 lux) Les plantes d’ombre ( = sciaphiles) Croissent avec une faible intensité lumineuse (200 à 1000 lux) Exemples ciste, pétunia, lavande, plantes de la garrigue, grenadier, pélargonium hêtre, if, troène, fragon vulgaire, mahonia, hortensia, impatiens lierre, mousse, pervenche, fougères, houx, fusain Bilan : Les optima de différentes espèces végétales dépendent de leur adaptation au facteur lumière. 14 BacPro TP / MP34 Chapitre 4 : La photosynthèse ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4.2) Influence de la teneur en dioxyde de carbone Document n° 11 : Expérimentation de l’enrichissement en CO2 d’une culture de fraisiers sous abri. (Source « Réussir Fruits et Légumes Fév.2006 Session bac pro 2007 France Métropolitaine) Bilan : (Voir expérience document 3b p5) Le rendement final est supérieur dans le lot 2 enrichie en CO2 que dans le lot 1. Plus de matière organique a été produite dans le lot 2. Lorsque la teneur en CO2 augmente, l’intensité photosynthétique augmente. 4.3) Influence de la lumière Document n° 12 : Influence de la température sur l’intensité photosynthétique Placer les lettres suivantes sur le graphique: - conditions défavorables : D - conditions favorables : F - conditions létales : L - Optimum : O Dans nos conditions climatiques, l’intensité photosynthétique augmente avec la température 15 BacPro TP / MP34 Chapitre 4 : La photosynthèse ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4.4) Influence du déficit hydrique au cours de la journée Document n°11 : Variation journalière de l’intensité photosynthétique (d’après Chapman, 1951) Questions : Indiquer quelles sont les heures de la journée pendant lesquelles le dioxyde de carbone est le plus fortement absorbé. Donner une explication à ce constat ? L’assimilation de CO2 correspond à l’intensité photosynthétique. 1) Avant 8h, la lumière et la température ne permettent pas une assimilation importante. 2) Mais ensuite, le CO2 est assimilé au maximum de 8h à 11h30 environ. 3) En début d’après midi (jusqu’à 16h), il y a une diminution de l’activité photosynthétique. Ce sont les heures les plus chaudes de la journée. Afin d’éviter des pertes en eau, la plante ferme ses stomates : le CO2 n’entre plus et n’est plus assimilé. 4) L’activité reprend en fin d’après-midi, quand la température baise à nouveau. 5) Puis avec la tombée de la lumière, la lumière devient le facteur limitant jusqu’à l’arrêt total de la photosynthèse avec la nuit. Voir Chapitre n°3 Transpiration = dilemme du végétal entre entrée de CO2 par ouverture et limitation des pertes en eau par fermeture des stomates. 16
