PHOTOSYNTHESE. Source : Pierre Stouff. Être vivant Nourriture Être vivant Nourriture. Quel est toujours le premier maillon d une chaîne alimentaire?.

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1 1. LA MATIÈRE DANS LE MONDE VIVANT 1.1. Un réseau alimentaire Réseau alimentaire d un champ de blé PHOTOSYNTHESE Source : Pierre Stouff A partir du réseau, complète deux chaînes alimentaires : Et que mangent-ils? Être vivant Nourriture Être vivant Nourriture Quel est toujours le premier maillon d une chaîne alimentaire?. Pour te rappeler les concepts importants d un réseau alimentaire et comprendre son lien avec la matière, continue au verso. 1

2 o La matière dans la chaîne alimentaire Colorie le mot matière chaque fois qu il apparaît. La chaîne alimentaire comprend 3 types de maillons jouant chacun un rôle essentiel dans le cycle de la vie : Les producteurs sont les êtres vivants se trouvant au début de la chaîne alimentaire. Par exemple les plantes sont des producteurs. Les producteurs sont toujours le premier maillon d'une chaîne alimentaire. Les producteurs sont les êtres vivants capables de produire leur propre matière vivante. Les consommateurs sont les êtres vivants qui ne peuvent pas produire seuls leur propre matière organique. Pour grandir et croître ils ont besoin de consommer d'autres êtres vivants. Par exemple, les animaux ou l'homme sont des consommateurs. Il y a des consommateurs herbivores ou carnivores. Les décomposeurs sont les êtres vivants qui dégradent les matières organiques, les transforment et les restituent à la nature sous la forme d'éléments minéraux. Les décomposeurs sont les êtres vivants chargés de "nettoyer" la terre et de recycler les êtres vivants décédés en matière organique pouvant à son tour être consommée par les producteurs. Par exemple, les asticots sont des décomposeurs. Complète ce schéma de chaîne alimentaire en y intégrant le mot matière où c est nécessaire. Alors de quoi se nourrissent les producteurs? Emet trois hypothèses. 2

3 1.2. Approche historique de la photosynthèse Depuis la nuit des temps, l homme a besoin des plantes pour se nourrir, se soigner, s abriter, C est ainsi que très tôt, il s est intéressé à leur croissance et à leurs besoins. o Aristote Dès l Antiquité, le problème a intéressé les chercheurs. Selon Aristote ( av. JC), les végétaux tirent du sol leurs aliments. Ces aliments sont «prêts à l emploi» ; ils n ont plus aucune modification à subir et sont présents dans l humus. L humus est une substance noirâtre qui résulte de la décomposition partielle, par les microorganismes, des déchets végétaux (feuilles tombées des arbres, entre autres) et des déchets animaux (excréments, cadavres, ) Aristote (de-bric-et-de-broc.com) o Van Helmont Vers 1640, le Belge Van Helmont ( ) est convaincu que ce n est pas la terre mais l eau qui nourrit les plantes. Il a mené l expérience suivante : il a placé dans un récipient une quantité de terre (sèche) dont la masse a été soigneusement mesurée (100 kg). Il y a planté une branche de saule de 2.5 kg qu il a régulièrement arrosée à l eau de pluie. Afin que la poussière ne vienne pas augmenter la quantité de terre dans le récipient, il a recouvert le récipient d un couvercle ne laissant passer que la plante et l eau. Au bout de 5 ans, il a déterminé la masse du saule : 84.5 kg. La terre, une fois séchée, n avait diminué que de 60 g. o Echanges gazeux Au XVIIIe siècle, des botanistes affirment que «l aliment principal des plantes est l air» et que «les plantes effectuent des échanges gazeux inverses de notre respiration». L Anglais Joseph Priestley a remarqué que les bulles produites par les feuilles d un végétal plongé dans l eau sont constituées par de l air très «pur», permettant à un animal de respirer. Nous savons aujourd hui qu il s agit de bulles d oxygène. Priestley suppose alors que la respiration des végétaux et celle des animaux sont de nature inverse. Les végétaux rejettent de l oxygène alors que les animaux le consomment. o L importance des feuilles A la fin du XVIIIe siècle, l Italien Malpighi met en évidence le rôle essentiel des feuilles dans le développement de la plante. Il suppose que c est là que se produit une transformation des éléments puisés dans la terre (il n a pas encore reconnu le rôle de l air). 3

4 o La lumière Au milieu du XIXe siècle, Julius Robert von Mayer, un médecin allemand, affirme que les plantes utilisent la lumière solaire (énergie lumineuse) pour effectuer des transformations 1 de matière minérale en matière organique (qui constitue les tissus de la plante). A la fin du XIXe siècle, Von Sachs puis Engelmann montrent que la chlorophylle présente dans les feuilles de la plante est le lien entre l utilisation de la lumière et la production d oxygène. En outre, il établit que les parties éclairées de la plante sont celles qui produisent de l oxygène. o Les sels minéraux Nous avons déjà vu que Van Helmont avait négligé la variation de masse de la terre (dans laquelle il a planté un saule). Il disait que cette matière n avait quasiment pas changé en 5 ans C est ce «quasiment» qui va nous intéresser ici. Il avait déjà établi que la croissance des plantes était beaucoup plus forte lorsqu elles étaient arrosées par l eau provenant d une rivière plutôt que par de l eau de pluie. L eau la plus nutritive n est donc pas une eau «pure» (composée uniquement des molécules d eau dont la formule est H 2 O). L eau en bouteille ou l eau de pluie n est d ailleurs pas un corps pur, mais un mélange d eau et de sels minéraux Approche historique de la photosynthèse activités o Modèle d Aristote Représente par des flèches noires les apports dont bénéficie une plante selon Aristote. o Van Helmont A. Dessine et légende le dispositif imaginé par Van Helmont. B. Quelle conclusion Van Helmont a-t-il pu tirer de son expérience? 1 Transformation de matière ne signifie pas création de matière! 4

5 C. Indique en bleu sur le schéma de la plante ci-dessus des flèches qui montrent les apports dont bénéficie la plante selon Van Helmont. o Echanges gazeux Rappelle les gaz impliqués dans la respiration chez l être humain. o Les sels minéraux l eau ci- Quels sont les minéraux présents dans minérale dont l étiquette est présentée contre? Synthèse Les plantes synthétisent (ou produisent) donc des substances en présence de lumière. Cette opération a dès lors été baptisée «photosynthèse» (phôtos en grec signifie lumière et synthesis signifie production). La description du phénomène de photosynthèse selon von Mayer pourrait, si l on tient compte des observations et expériences réalisées avant lui, s exprimer schématiquement comme ceci : Matières minérales Matière organique + Matière minérale OU (remplis les cases vides) + glucose + 5

6 Approche expérimentale de la photosynthèse Depuis la nuit des temps, l homme a besoin des plantes pour se nourrir, se soigner, s abriter, C est ainsi que très tôt, il s est intéressé à leur croissance et à leurs besoins. Voici trois expériences caractéristiques : Première expérience : A B arrosage quelques semaines Deuxième expérience : Au début Après quelques heures Gaz À l extérieur Sous la cloche À l extérieur Sous la cloche O 2 21 % 21 % 21 % % N 2 78 % 78 % 78 % 78 % CO % % % 0 % Troisième expérience : A carbonisation* par chauffage reste de matière minérale *Carboniser : extraire le carbone par chauffage m = 2707 mg m = 585 mg B quelques semaines carbonisation* par chauffage reste de matière minérale m = 2560 mg m = 6000 mg m = 649 mg Réponds aux questions : Première expérience : Quelle sont les constantes?... Quelle est la variable?... Cite deux conditions nécessaires pour que la plante pousse?... 6

7 Deuxième expérience : Pour chaque gaz, décris son évolution au cours des quelques heures de l expérience. Que peux-tu conclure de cette expérience?... Troisième expérience : La matière organique brûle complètement lors du chauffage. De quoi est constituée la matière organique (=vivante) de la plante?... Synthèse Les plantes synthétisent (ou produisent) donc des substances en présence de lumière. Cette opération a dès lors été baptisée «photosynthèse» (phôtos en grec signifie lumière et synthesis signifie production). Le phénomène de photosynthèse peut s exprimer schématiquement comme ceci : Matières minérales Matière organique + Matière minérale + OU (remplis les cases vides) glucose + Photosynthèse : expériences Rédige une conclusion pour chaque expérience. 1. Analyse des cendres de la plante incinérée A carbonisation* par chauffage reste de matière minérale m = 2707 mg m = 585 mg 7

8 B quelques semaines carbonisation* par chauffage reste de matière minérale m = 2560 mg m = 6000 mg m = 649 mg *Carboniser : extraire le carbone par chauffage 2. Mise en évidence d un dégagement gazeux lumière dégagement de gaz plantes aquatiques eau Si on recueille le gaz obtenu dans le tube à essai au bout de quelques heures et qu on y plonge un tison 2, celui-ci s enflamme au contact du gaz. sac étanche terre humide 3. A quel niveau l eau quitte-t-elle la plante? gouttes d eau NB : Le dioxyde de carbone ne peut pas être capté par la plante sous forme de gaz libre. Il doit être dissous dans l eau. Les cellules de la plante doivent donc être recouvertes d une pellicule d eau. Les plantes produisent de l O 2 mais en consomment également En 1804, Nicolas-Théodore de Saussure (chimiste suisse, ) remarque que : «Des feuilles saines, cueillies après un jour serein d été, et placées pendant une seule nuit sous un récipient plein d air atmosphérique, font subir au gaz oxygène qui les environne des modifications : le gaz oxygène disparaît et il se forme un volume de gaz carbonique libre». En 1850, le pharmacien Garreau met en évidence qu une plante verte rejette du gaz carbonique, qu elle soit placée à la lumière ou à l obscurité. Comment s appelle le phénomène au cours duquel un être vivant consomme de l O 2 et rejette du CO 2?... Donc cette découverte te montre que, si les animaux respirent, les plantes... 2 Tison = morceau de bois brûlé et encore rougeoyant 8

9 Synthèse Les plantes, tout comme les animaux, ont besoin d oxygène pour obtenir l énergie qui leur permet de grandir et de vivre. Le phénomène de respiration peut s exprimer schématiquement comme ceci : Matière organique + Matière minérale Matière minérale Energie OU (remplis les cases vides) glucose + + énergie Schématise les réactions de photosynthèse et de respiration sur ces dessins : + JOUR NUIT Donc, une plante produit de l oxygène lors de la photosynthèse, mais en consomme lors de la respiration! Pourquoi?... 9

10 La photosynthèse : bilan Les plantes vertes synthétisent des matières organiques à partir de substances minérales et grâce à la lumière captée par la chlorophylle, et produisent du dioxygène (O 2 ). Ces substances minérales sont le dioxyde de carbone de l air (CO 2 ), l eau et les sels minéraux puisés dans le sol par les racines. La matière organique formée est du glucose stocké sous forme d amidon dans la plante. La photosynthèse est donc une réaction chimique dont les réactifs sont le CO 2, l eau et les sels minéraux, et dont les produits sont l O 2 et le glucose. lumière CO 2 + H 2 O + sels minéraux glucose + O 2 Jour et nuit, la plante respire : elle transforme le glucose et l O 2 (réactifs) en CO 2 et en H 2 O (produits) en libérant de l énergie. glucose + O 2 CO 2 + H 2 O + ENERGIE Comme les plantes peuvent ainsi se nourrir sans manger d autres êtres vivants, grâce à la photosynthèse, on les appelle autotrophes. Elles sont indispensables aux animaux, hétérotrophes, qui doivent manger d autres êtres vivants pour obtenir la matière nécessaire à leur croissance et à leur vie. D autres substances énergétiques nécessaires à l être humain sont aussi issues de la photosynthèse : aliments, pétrole, charbon, 10