tp1 - Classe mutuelle

Thème 1 – La Terre dans l’Univers, la vie et l’évolution de la
vie : énergie et cellule vivante
Le thème 1 de spécialité du programme de terminale S aborde les échanges de matière et d’énergie à
l’échelle de la cellule qui représente un système thermodynamique ouvert.
Introduction
Commençons par donner quelques repères.
L'écosystème, d'après la définition de DAJOZ (1996) est un ensemble constitué par le milieu physicochimique "sol-eau-air" (biotope) et les êtres vivants "faune-flore-microorganismes" qui le peuplent
(biocénose). Cette représentation peut s'appliquer à différentes échelles spatiales (prairie, forêt, mais
aussi, par exemple, une souche en train de se décomposer dans cette forêt et même une région ou la
planète entière).
Un écosystème est un système, c'est-à-dire un ensemble d'éléments en interaction les uns avec les
autres, formant un tout cohérent et ordonné.
Dans un écosystème, les végétaux chlorophylliens sont les seuls êtres capables de se nourrir à partir
des substances minérales (eau, sels minéraux, dioxyde de carbone) en utilisant comme source
d'énergie la lumière solaire: on les dit autotrophes.
Les substances organiques qu'ils synthétisent assurent leur croissance (tiges, feuilles, racines), la
floraison, la fructification, la formation des graines, mais constituent aussi la source des matières
carbonées et de l'énergie nécessaires aux autres êtres vivants, qu'on dit hétérotrophes.
La biomasse est la masse totale de matière vivante correspondant aux êtres vivants d'un écosystème
L'accroissement de la biomasse des végétaux chlorophylliens est appelée production primaire: c'est
l'édification de matière organique dans laquelle se trouve investie, sous forme d'énergie chimique, une
partie de l'énergie lumineuse.
-a- Structure d’un écosystème
Tous les êtres vivants d'un écosystème sont liés par un ensemble complexe de relations trophiques
("est consommé par...") représentées sous forme de chaînes alimentaires où les êtres vivants
constituent des maillons interconnectés, formant un réseau trophique.
Les producteurs primaires constituent le premier maillon, dont la biomasse organique végétale
devient la source de nourriture directe pour les consommateurs primaires (végétariens), indirecte
pour les consommateurs secondaires (carnivores). La nécessité des consommateurs de prélever la
matière organique des producteurs primaires constitue l'hétérotrophie. Mais ceux-ci élaborent leur
propre matière organique et on les qualifie ainsi de producteurs secondaires.
-b- Equilibre d’un écosystème
Tous les consommateurs dépendent de la biomasse végétale dans l'écosystème. Après leur mort, les
producteurs primaires, comme les consommateurs sont soumis à une transformation par les
décomposeurs (vers, champignons, bactéries,...).
La décomposition de la
matière organique des
êtres vivants, où le
carbone est à l'état
réduit, est une oxydation
qui libère du dioxyde de
carbone dans le milieu,
où le carbone est à l'état
oxydé.
L'écosystème est dit "à
l'équilibre", car il s'avère à
la fois producteur de
matière
organique,
consommateur
et
décomposeur de cette
même matière organique.
 Comment l’énergie lumineuse est-elle convertie en énergie chimique (matière organique
avec l’exemple du glucose) par les cellules chlorophylliennes ?
 Comment cette énergie chimique (le glucose) fournit-elle de l’énergie utilisable par les
cellules pour assurer leurs fonctions ? (synthèse d’ATP par respiration et/ou fermentation ;
utilisation d’ATP par la cellule musculaire).
Cela amène la problématique générale suivante :
Comment la matière organique est-elle fabriquée par les végétaux
chlorophylliens puis utilisée comme source d’énergie par les cellules ?
(Pour faire émerger cette problématique, on pourra partir des acquis des élèves à partir d’un
document sur le fonctionnement d’un écosystème avec réseau trophique)
(Esprit de l’enseignement de spécialité : Les objectifs de connaissances sont modestes, mais ils
doivent être acquis grâce à la mise en œuvre de démarches d’investigation qui offrent une place
prépondérante à l’initiative de l’élève, au développement de son autonomie et de ses compétences.)
Chapitre 1 : La photosynthèse : de l’énergie lumineuse à l’énergie
chimique
-1- Les conditions de la photosynthèse
TP1
Comment la matière organique est-elle fabriquée par les végétaux chlorophylliens ?
On cherche à trouver l’équation chimique de la photosynthèse.
(montrer que le CO2 est réduit en C organique sous forme de glucose)
-a- CO2 et formation d’un glucide chez une plante chlorophyllienne
Première expérience:
Mettre une bonne couche de potasse à saturation recouverte de beaucoup
d’eau
Des feuilles d'un Pelargonium (communément appelé Géranium) sont placées dans deux sacs
transparents où l'air est mis en circulation grâce à une pompe d'aquarium.
L'air ambiant circule dans le sac 1; on débarrasse l'air ambiant du sac 2 de son CO2 par barbotage
dans une solution de potasse comme l'indique le dispositif expérimental ci-contre.
Après l'avoir fait fonctionné pendant une journée avec un éclairage uniforme, une feuille de chacun
des sacs est traitée comme le montre le schéma ci-dessous, qui révèle également les résultats
obtenus:
 traitement à l'eau bouillante,
 traitement à l'alcool bouillant,
 immersion dans le Lugol qui colore spécifiquement l'amidon en bleu violacé sombre.
Rendez compte des résultats et concluez.
On cherche à présent à préciser les conditions de la formation du glucide amidon.
Deuxième expérience:
Un Pelargonium est mis à l'obscurité pendant 24 heures (traitement
préalable), en ayant soin de recouvrir quelques feuilles de caches
partiels ou totaux.
Puis on le replace à la lumière.
Après quelques heures d'exposition à la lumière, détachons les feuilles
cachées et une feuille non cachée, enlevons le papier noir.
On ne note aucune différence apparente. Traitons les feuilles comme
précédemment (traitement à l'eau et à l'alcool bouillants, trempage
dans l'eau iodée).
Le schéma ci-dessous rend compte des résultats:
Exprimez une conclusion à l'expérience précédente. Qu'advient-il de l'amidon lorsque
la plante est placée à l'obscurité (traitement préalable) ?
On refait la même expérience (traitement à l'eau et à l'alcool bouillants, trempage dans l'eau iodée)
avec une feuille de Pelargonium panaché.
Voici
les résultats:
Concluez. Faites le bilan de cette série
d'expériences.
-b- Phénomène associé à la photosynthèse : le dégagement d’O2
Une expérience simple:
Un fragment d'élodée placé dans l'eau et à la lumière se recouvre
de bulles de gaz qui remontent à la surface. Recueilli grâce à un
entonnoir, dans une éprouvette, ce gaz entretient les combustions.
-c- Un autre phénomène associé à la photosynthèse : la consommation de CO2
ExAO : Consommation de CO2
On réalise le montage ci-dessous avec des Euglènes.
 Mettre une culture d’Euglènes dans un bécher bien éclairé, avec un bulleur, pendant au moins 20
minutes.
 Placer quelques mL de cette culture dans le bioréacteur en veillant à ce qu’il n’y ait pas de bulles
d’air.
 Placer une sonde mesurant la concentration de dioxyde de carbone.
 Eclairer le bioréacteur, lancer l’agitation et faire une mesure sur plusieurs minutes.
Mesure par ExAO de la consommation de CO2 pendant la photosynthèse
Un enregistrement a été obtenu (pas de sonde à O2 dans notre cas)
Si on met du 14 CO2 chez un végétal on retrouve la radioactivité dans le carbone des glucides
produits
Analysez et interprétez les deux expériences ci-dessus. Faites un bilan
général des connaissances acquises dans ce §.
On peut résumer les transformations de matière lors de la photosynthèse par l'équation-bilan:
Lumière
6 CO2 + 6 H2O  C6H12O6 + 6O2
Il s'agit d'une réduction du dioxyde de carbone en maillon glucidique "glucose" qui nécessite la
présence d'énergie lumineuse. Réduction du carbone minéral en carbone organique.
BILAN : La cellule chlorophyllienne effectue la photosynthèse grâce à l’énergie
lumineuse