Elaboration de la matière organique par les êtres vivants

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1 Elaboration de la matière organique par les êtres vivants Mots clés : photosynthèse, respiration cellulaire, fermentation, autotrophie, hétérotrophie I) La photosynthèse 1) De quoi est composée la matière végétale? Matière végétale fraîche = Où est localisée l eau dans le végétal? Que reste-t-il après combustion d une plante? Matière sèche = Janvier

2 Que comprend la matière organique? BPREA Biologie Une analyse quantitative montre l inégale abondance des constituants selon les espèces et les organes végétaux considérés (tableau suivant). La matière sèche du végétal est essentiellement constituée de matière organique. La production de matière végétale est une production de matière organique. Les éléments chimiques les plus abondants dans la matière sèche sont respectivement le carbone (40 à 50%), l oxygène (40 à 50%), l hydrogène (5 à 10%) et l azote (1 à 3%). Ces éléments chimiques sont les principaux constituants des biomolécules. Les glucides et les lipides sont, dans leur majorité, uniquement formés de C, H et O. Les protides contiennent, en plus, de l azote (N) et un peu de soufre (S). Janvier

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4 En résumé : Matière végétale fraîche = Matière sèche = La matière organique végétale comprend Les éléments chimiques les plus abondants dans la matière végétale sont 2) Quelle est l origine des éléments nécessaires à la production de matière organique? La chimie en quelques mots : «Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme.» D où provient la matière organique dont est constitué le végétal chlorophyllien? Provient-elle, comme le pensaient Aristote et les premiers physiologistes, d une matière très élaborée, de nature organique (comme l humus), présente dans le sol? Est-elle fabriquée par la plante elle-même à partir d éléments chimiques puisés sous une forme minérale? Autrement dit, les plantes vertes peuvent-elles se nourrir seulement de substances minérales ou bien ont-elles besoin de substances organiques? Cultures hydroponiques Que sont les cultures hydroponiques? Expériences de Sachs Janvier

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6 Expériences concernant le dioxyde de carbone de l air BPREA Biologie La teneur de l air en dioxyde de carbone (CO 2 ) est très faible (0,03% soit 3 litres dans un volume de 10 m3 d air). On peut se demander comment les plantes peuvent se nourrir d un gaz aussi rare, et par conséquent, si le gaz carbonique est bien l aliment carboné des plantes. Regardons 2 expériences : 1- Que veut-on tester par cette expérience? 2- Quels sont les résultats de cette expérience? Quelles hypothèses peut-on en tirer? Janvier

7 En conclusion de ces deux expériences, on peut dire que le dioxyde de carbone est la seule source de carbone pour la plante. Origine de l hydrogène, de l azote et de l oxygène D où vient l hydrogène? D où vient l azote? D où vient l oxygène? En résumé : Janvier

8 3) Mise en évidence du phénomène de la photosynthèse Expérience : On place durant 12 heures une culture d élodée à l obscurité et une autre au soleil sous une source lumineuse forte. A l issue de ces 12h, on prélève sur chaque plante une petite partie de feuille que l on plonge dans l eau iodée puis que l on place entre deux lames au microscope. Voici ce que l on observe : - Pour la plante non éclairée, une cellule remplie de chloroplastes de couleur verte. - Pour la plante éclairée, une cellule remplie de chloroplastes de couleur très foncée bleuenoir. Remarque : l eau iodée colore l amidon en bleu noir. Observation pour la plante non éclairée Observation pour la plante éclairée Conclusion? 4) Localisation de la photosynthèse Rôle des feuilles Janvier

9 La croissance des organes non chlorophylliens (tiges, tubercules, fruits, racines ) dépend du développement et de l état sanitaire des feuilles. Une réduction de leur surface (liée à la présence d animaux phytophages) ou de leur teneur en chlorophylle (jaunissement lié à des attaques parasitaires ou à des carences en oligo-éléments) provoque une baisse de rendement. Chez les Angiospermes, la photosynthèse est essentiellement localisée au niveau de la feuille. Cet organe aplati, en relation étroite avec la tige, possède une morphologie lui permettant de présenter une grande surface vis à vis de l'environnement. Structure schématique d'une feuille d'angiosperme Dicotylédone. Janvier

10 La plupart des feuilles d'angiospermes Dicotylédones présente un parenchyme chlorophyllien palissadique sur la face supérieure : c'est à son niveau que se déroule la photosynthèse. Ce tissu est en relation aussi bien avec l'extérieur (par les stomates) qu'avec l'intérieur de la plante (par les tissus conducteurs des nervures). Rôle des chloroplastes Partie d une cellule végétale chlorophyllienne Rq : Le noyau n'est pas dans le champ de l'observation Au sein des cellules chlorophylliennes, la photosynthèse se déroule dans les chloroplastes. Les chloroplastes sont les organites cellulaires qui contiennent la chlorophylle. La photosynthèse se déroule au niveau des chloroplastes où elle se traduit par l apparition de glucides (amidon, glucose ). Ainsi, les feuilles sont le lieu principal d élaboration de la matière organique. En résumé : 5) Rejet d oxygène La production de matière organique par les végétaux chlorophylliens s accompagne du rejet d oxygène (sous la forme de gaz dioxygène O 2 ) dans l atmosphère. C est encore l usage d un élément radioactif qui a permis de comprendre ce mécanisme biologique. L utilisation d eau possédant un atome d oxygène radioactif a montré que c est bien cet oxygène qui est rejeté par la plante. Il a pour origine la molécule d eau et pas celle du dioxyde de carbone comme on l a cru pendant longtemps. Cet oxygène est ensuite utilisé par tous les êtres vivants pour leur respiration. 6) Bilan de la photosynthèse Equation bilan : Janvier

11 La photosynthèse est la fonction par laquelle la plante verte, exposée à la lumière, synthétise ses substances organiques à partir du gaz carbonique et de l eau absorbée par les racines. La photosynthèse est le processus biochimique qui permet aux plantes vertes grâce à la présence des chloroplastes de : - capter l énergie lumineuse - transformer le carbone atmosphérique minéral CO 2 en carbone organique - de restituer de l oxygène à l atmosphère La réaction chimique de la photosynthèse est fortement endothermique : elle consomme beaucoup d énergie. L énergie nécessaire provient de l énergie lumineuse captée par la chlorophylle. Cette énergie lumineuse est le plus souvent d origine naturelle (rayonnement solaire) mais peut être d origine artificielle (éclairage artificiel en culture sous serres). Résumé général : Janvier

12 7) Devenir des produits synthétisés BPREA Biologie Circulation des produits de la photosynthèse dans la plante Sève élaborée : Sève brute : Lorsque la synthèse des molécules organiques dans la cellule chlorophyllienne est plus importante que la capacité d évacuation des substances par la sève élaborée, il y a alors stockage provisoire dans la feuille. L évacuation de ce stock se fait alors durant la nuit suivante. Croissance et développement des plantes Les substances organiques formées dans les feuilles servent : - d une part d aliments à tous les organes (tiges, racines, feuilles, bourgeon, fleurs, fruits, graine) - d une autre part à la synthèse de molécules constitutives qui permettront la croissance et le développement de tous les organes mais aussi la mise en place des réserves nécessaires à la reproduction ou à la survie lors d activité photosynthétique réduite. Une plante verte possède deux types d organes : - Des organes chlorophylliens : - Des organes non chlorophylliens : Janvier

13 A partir des substances glucidiques formées dans ses feuilles, la plante verte élabore d autres molécules variées dans ses différents organes : - Des glucides (amidon, saccharose, fructose, cellulose, ) - Des lipides (vitamines, pigments, huiles, ) - Des protides (gluten, ) - Des acides nucléiques Pour élaborer certaines de ces molécules, la plante a besoin d autres éléments que ceux contenus dans les glucides (C, H, O). Elle les prélève par ses racines dans la solution de sol sous forme d ions (nitrates, phosphates, ions métalliques). En particulier, pour la synthèse des protides, il faut de l azote (N) qui est prélevé principalement sous forme d ions NO 3 - (azote nitrique). Les plantes chlorophylliennes sont autotrophes : Janvier

14 BILAN : Les plantes vertes sont le point de départ de toutes les chaînes alimentaires, à la base des réseaux trophiques. Les végétaux chlorophylliens sont les seuls êtres vivants autotrophes sur Terre, c'est-à-dire capable de fabriquer leur propre matière organique à partir de substances minérales et de lumière. D eux dépend donc toute la suite des chaînes alimentaires car ils sont fournisseurs d énergie organique pour les hétérotrophes. D autre part, ils rejettent du dioxygène dans l atmosphère, indispensable au phénomène de la respiration. Janvier

15 8) Les variations de la photosynthèse a) Facteurs de variations Sous l influence de différents facteurs, le rendement de la photosynthèse fluctue. Il est estimé de 5 à 10 mg de carbone par heure et par gramme de matière sèche. Mais la réalité est en dessous en raison de la plante elle-même et de son environnement. L efficacité de la photosynthèse dépend de : La plante elle même Selon la nature de la plante (plantes en C4 et en C3), la variété, l âge de la feuille et son rang sur la tige.!! Mais surtout de facteurs externes!! Janvier

16 La teneur en gaz carbonique BPREA Biologie Conclusion : La lumière Conclusion : Janvier

17 La température Conclusion : La disponibilité en eau Conclusion : Janvier

18 La nutrition minérale BPREA Biologie Conclusion : b) Adaptation particulière des plantes en C4 Chez les graminées tropicales (maïs, mil, sorgho, canne à sucre, etc.), on a découvert en 1966 un autre mécanisme, dit «photosynthèse en C4», qui permet à ces plantes d'assimiler la totalité du CO 2 de l'atmosphère interne du végétal et ainsi d'avoir un rendement photosynthétique très supérieur à celui des plantes en C3. Ce mécanisme fonctionne d'autant mieux que la lumière est plus vive et la température voisine de C. La synthèse des glucides se faisant autour des vaisseaux conducteurs, la migration des produits synthétisés est également plus rapide. Alors que les végétaux en C3 ont besoin de 150 à 250 g d'eau pour assimiler 1 g de carbone, les végétaux en C4 peuvent se contenter de 50 à 100 g. Janvier

19 Ce métabolisme peut donc être considéré comme une adaptation à la sécheresse. Comparaison de la photosynthèse de plantes en C3 et en C4 en fonction de la concentration en CO2 du milieu. Les plantes en C4 présentent un point de compensation très proche du zéro. A la concentration atmosphérique (0,037%), la photosynthèse des plantes en C4 est optimale alors que pour les plantes en C3, la concentration en CO 2 est limitante. La photosynthèse en C4 présente des inconvénients et des avantages par rapport à la photosynthèse en C3: Inconvénient : Avantage : c) Conséquences agricoles Lorsqu un phénomène biologique comme la photosynthèse dépend de plusieurs facteurs de l environnement, son intensité est limitée par celui qui est le plus éloigné de son optimum par excès ou bien par défaut. On parle alors de FACTEUR LIMITANT. Parmi les facteurs suivants, dites sur lesquels l homme peut agir : - Le dioxyde de carbone - L eau - La température - L éclairement - La nutrition Janvier

20 d) En résumé : Janvier