Écosystème et relations trophiques

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1 CAPITRE 10 DIVERSITÉ ET CMPLÉMENTARITÉ DU MÉTABLISME 1 Écosystème et relations trophiques Au sein d un écosystème, de nombreuses interactions existent entre les êtres vivants qui le constituent. Les relations trophiques qui s établissent régissent le cycle de la matière carbonée. 1. Un écosystème comprend des êtres vivants et des facteurs abiotiques Un écosystème est un ensemble constitué d un biotope et d une biocénose. Le biotope regroupe tous les éléments physico-chimiques du milieu de vie et la biocénose est l ensemble des êtres vivants peuplant ce biotope. Dans un écosystème, les êtres vivants dépendent les uns des autres ; des relations alimentaires s établissent entre eux : ce sont les relations trophiques. Elles peuvent regrouper plusieurs chaînes alimentaires c est-à-dire divers transferts de matière depuis les producteurs jusqu aux consommateurs. La place d un être vivant dans une chaîne alimentaire représente son niveau trophique. 2. Producteurs, consommateurs et cycle du carbone Les producteurs primaires sont les végétaux chlorophylliens ; ils sont autotrophes et utilisent le C2 atmosphérique comme source de carbone pour la production de matière organique. Pour réaliser cela, ils utilisent l énergie lumineuse produite par le Soleil : c est la photo-autotrophie. Ils sont à la base de la production de matière. Les consommateurs (ou producteurs secondaires) ne peuvent pas synthétiser de matière organique carbonée à partir de matière minérale : ils sont hétérotrophes pour le carbone. Ils utilisent la matière organique formée par les végétaux autotrophes pour synthétiser à leur tour leur propre matière organique. Il existe différents niveaux de consommateurs. Tous les êtres vivants décomposent la matière organique le long des chaînes alimentaires libérant de la matière minérale (C2). Les décomposeurs les plus actifs sont les organismes détritivores (champignons et bactéries) ; ils recyclent la matière organique morte. 226

2 cours savoir-faire sujets bac corrigés C 2 atmosphérique flux de carbone minéral (oxydé) flux de carbone organique (réduit) producteurs primaires consommateurs primaires consommateurs secondaires décomposeurs Flux de matière dans un écosystème. La matière est sans cesse recyclée et circule dans un écosystème entre les différents compartiments ; il existe un équilibre de flux entre la formation de carbone organique par photosynthèse et la minéralisation de ce dernier par respiration ou fermentation. Un écosystème s auto-entretient par le biais des relations trophiques qui y règnent mais il s agit d un équilibre fragile dépendant du biotope et de la biocénose. L erreur classique à éviter Le carbone minéral est à l état oxydé (C2, C 3 ). Le carbone organique résulte de la réduction du C2 par les organismes autotrophes. Ces derniers sont à la base des chaînes alimentaires. 227

3 CAPITRE 10 DIVERSITÉ ET CMPLÉMENTARITÉ DU MÉTABLISME 2 La photosynthèse La photo-autotrophie nécessite des substances minérales, de l eau et de l énergie lumineuse. Le C2 pénètre dans les feuilles ; l eau est transportée par la sève brute ; la lumière pénètre directement au travers de l épiderme. Les chloroplastes sont les organites qui réalisent la photosynthèse. Celle-ci se déroule en deux phases. 1. L apport de matières minérales dans les feuilles, lieu de la photosynthèse Les feuilles présentent des nervures qui contiennent les tissus conducteurs de sève. L eau est transportée par la sève brute depuis les racines où elle est absorbée jusqu aux feuilles. La face inférieure de la plupart des feuilles présente des stomates : ce sont des structures dont l ouverture est contrôlée et qui permettent aux gaz de diffuser librement depuis le milieu extérieur vers l intérieur de la feuille et inversement. Le C2 pénètre à travers ces ouvertures jusqu au parenchyme chlorophyllien qui possède, au sein des chloroplastes, les pigments (chlorophylle ) nécessaires à la photosynthèse. énergie lumineuse membrane externe cuticule face supérieure épiderme supérieur membrane interne stroma parenchyme chlorophyllien thylakoïdes cellule stomatique chloroplaste épiderme inférieur cuticule face inférieure C 2 2 tissus conducteurs de sève stomate Localisation de la photosynthèse. 228

4 cours savoir-faire sujets bac corrigés 2. Le déroulement de la photosynthèse : deux phases se succèdent La phase photochimique a lieu dans les thylakoïdes des chloroplastes où les pigments collectent les photons ; leur énergie est utilisée pour oxyder des molécules d eau. Cette réaction produit des composés intermédiaires (ATP et coenzymes réduits R2), et libère du dioxygène. La phase non photochimique se déroule dans le stroma. L assimilation du C2 nécessite l intervention de ribulose-1,5 bisphophate (composé en C5) et des produits de la phase photochimique : utilisation de l ATP et des coenzymes réduits. Elle donne naissance à des trioses-phosphate (composés en C3) permettant, d une part, la régénération du ribulose, d autre part, la formation ultérieure de glucose. Bilan : 6 C K C énergie lumineuse 2 TYLAKÏDES 2 phase photochimique : photo-oxydation de l eau, production d 2, R 2, ATP ATP ADP R 2 R STRMA phase non photochimique : utilisation de l ATP, de R 2, réduction du C 2, synthèse de glucides C 2 C (fructose, glucose) Déroulement de la photosynthèse. L erreur classique à éviter Le bilan simplifié 6 C K C ne tient pas compte du fait que le dioxygène produit provient de l eau et non du C2. 229

5 CAPITRE 10 DIVERSITÉ ET CMPLÉMENTARITÉ DU MÉTABLISME 3 Le devenir des composés glucidiques chez les végétaux Les produits de la photosynthèse peuvent être temporairement stockés dans les chloroplastes sous forme d amidon, servir de squelettes carbonés pour de nombreuses molécules biologiques, servir de source d énergie ou être exportés vers d autres parties du végétal. 1. L utilisation des composés glucidiques de la photosynthèse dans la cellule chlorophyllienne À l issue de la photosynthèse, au sein du chloroplaste, des molécules de trioses-phosphate sont formées ; selon les besoins, celles-ci vont servir, soit au stockage, soit à diverses réactions cellulaires. À l intérieur même du chloroplaste, les composés glucidiques peuvent servir à la synthèse et au stockage d amidon si la cellule dispose d assez d énergie. Ce stockage sous forme d amidon dans le chloroplaste est temporaire. Une grande partie des trioses exportés hors du chloroplaste, dans le cytoplasme de la cellule chlorophyllienne, sert à l obtention de fructose et de glucose, sucres à l origine du saccharose stocké dans la vacuole. Glucose et fructose permettent de fournir l énergie nécessaire à la vie cellulaire. Cette énergie est obtenue, comme chez les organismes hétérotrophes, par dégradation de ces molécules glucidiques (glycolyse, respiration ). Une autre partie sert de point de départ à l ensemble des biosynthèses cellulaires qui nécessitent des chaînes carbonées. En effet, le carbone organique obtenu par photosynthèse est à la base de toutes les molécules biologiques (glucides, acides aminés et protéines, lipides, nucléotides et acides nucléiques ). 2. Le devenir du saccharose dans la plante L excédent de saccharose formé est exporté hors de la cellule chlorophyllienne et mis en circulation dans la sève élaborée qui le transporte vers l ensemble du végétal notamment : 230

6 cours savoir-faire sujets bac corrigés les graines, les fruits, les organes de réserve (tubercules, bulbes, rhizomes); toutes les parties non chlorophylliennes du végétal. Ces dernières ont un comportement hétérotrophe à l échelle cellulaire, nécessitant un apport de matière organique pour survivre ; les zones en croissance où le saccharose exporté sert également à la synthèse des parois cellulosiques et du bois. 2, 2 C 2 2 C 2 PTSYNTÈSE amidon cytoplasme RESPIRATIN noyau SYNTÈSES chloroplaste trioses-p saccharose vacuole nutriment pour zones en croissance et cellules non chlorophylliennes glucose : élément de base de la paroi cellulosique et du bois SÈVE ÉLABRÉE stockage dans les organes de réserve, les fruits et les graines Devenir des produits de la photosynthèse. L erreur classique à éviter Les cellules autotrophes réalisent à la fois photosynthèse et respiration. Les cellules non chlorophylliennes d un végétal autotrophe ont un métabolisme hétérotrophe. 231

7 CAPITRE 10 DIVERSITÉ ET CMPLÉMENTARITÉ DU MÉTABLISME 4 L ATP, molécule indispensable à la vie cellulaire La molécule d ATP est la molécule préférentielle utilisée par toutes les cellules comme vecteur d énergie. Son hydrolyse libère une certaine quantité d énergie et permet de réaliser de nombreuses réactions chimiques et les mouvements cellulaires. 1. La molécule d ATP : une structure simple mais un rôle important La molécule d ATP (Adénosine Tri-Phosphate) possède trois groupements phosphate (P4 3 ) : les deux derniers sont reliés par des liaisons particulières (phosphoanhydrides) dont la rupture libère de l énergie. Ces groupements phosphates peuvent être transférés à d autres molécules. Celles-ci sont alors «chargées» énergétiquement (exemple : triosesphosphate ). N N C C N C C N C N 2 C P P P Molécule d ATP. De très nombreuses réactions du métabolisme consomment de l ATP pour pouvoir se réaliser. Il n existe pas de stock d ATP mais il est régénéré aussi vite qu il est détruit. 232

8 cours savoir-faire sujets bac corrigés 2. Les biosynthèses nécessitent l utilisation d ATP Toutes les biosynthèses nécessitent une consommation d énergie. Elles font intervenir l ATP ou d autres intermédiaires phosphorylés (possédant au moins un groupement phosphate). Ceux-ci sont issus du transfert de liaison phosphoanhydride par une molécule d ATP comme par exemple le triose-phosphate, le glucose-phosphate Dans toutes les cellules, animales ou végétales (sauf au sein des chloroplastes), les synthèses sont réalisées à partir de molécules organiques provenant de la digestion chez les organismes hétérotrophes ou de la photosynthèse chez les organismes photo-autotrophes. 3. Transports, mouvements cellulaires et ATP Les déplacements actifs requièrent également de l énergie car ils ne se font pas spontanément. L utilisation d ATP par la cellule permet de réaliser les fonctions suivantes : elle permet aux transporteurs de molécules de faire migrer des ions ou toute autre molécule spécifique de part et d autre des membranes, en allant à l encontre de leur gradient de concentration ; ces transporteurs les font alors transiter du compartiment le moins concentré dans le compartiment le plus concentré ; elle est nécessaire à tous les mouvements intracellulaires et permet aux organites (chloroplastes, mitochondries) et aux vésicules (vésicules de sécrétion, lysosomes ) de se déplacer dans le cytoplasme de la cellule ; dans les cellules musculaires, les filaments responsables du mouvement (ensemble actine-myosine) consomment des molécules d ATP pour coulisser les unes par rapport aux autres et permettre un raccourcissement du sarcomère assurant ainsi la contraction musculaire. L erreur classique à éviter D autres molécules possèdent des groupements phosphate mais l ATP a un rôle central car il peut facilement accepter et restituer ces groupements. L ATP est un intermédiaire du métabolisme et il permet la réalisation de l ensemble des travaux cellulaires. 233

9 CAPITRE 10 DIVERSITÉ ET CMPLÉMENTARITÉ DU MÉTABLISME 5 Respiration et fermentation La fourniture d énergie dans les cellules nécessite toujours la dégradation de matière organique. Les cellules autotrophes, comme les cellules hétérotrophes réalisent la respiration ou la fermentation. Ces réactions permettent l obtention d ATP utilisable par la cellule. 1. Le bilan de la respiration Dans le cas d une molécule de glucose, le bilan de la respiration peut s écrire : C K 6 C Il faut tenir compte du fait que l eau produite provient du dioxygène. 2. Une respiration en trois étapes La respiration se réalise dans deux compartiments cellulaires : le cytoplasme et la mitochondrie. Trois étapes se succèdent : glycolyse, décarboxylations oxydatives (cycle de Krebs) et chaîne oxydative. La glycolyse a lieu dans le cytoplasme ; elle permet l oxydation du glucose en pyruvate (C3CC) en produisant des coenzymes réduits R 2 et 2 molécules d ATP par molécule de glucose. C R 2 C 3 CC + 2R 2 2ADP + 2P i 2 ATP Le cycle de Krebs : il s agit d une succession de décarboxylations (libérant du C2) à partir du pyruvate, à l intérieur de la matrice mitochondriale produisant à nouveau ATP et R 2. 2C 3 CC + 10R C R 2 2ADP + 2P i 2 ATP 234

10 cours savoir-faire sujets bac corrigés La dernière étape est la réoxydation par le dioxygène des composés réduits R 2 dans les crêtes de la membrane interne des mitochondries. Une importante quantité d ATP est ainsi produite. 2 pyruvate 2 C 3 CC 2 R C cycle de Krebs 2 ATP 2 ADP + Pi 10 R 2 32 ADP + 32 Pi 32 ATP chaîne oxydative 12 R 32 ADP + 32 Pi 32 ATP Rôle de la mitochondrie dans la respiration. 3. La fermentation anaérobie Quand la respiration est impossible, la glycolyse a lieu mais le pyruvate obtenu ne peut être dégradé davantage ; l oxydation du substrat demeure incomplète. C est la fermentation qui permet la réoxydation des coenzymes réduits. Elle aboutit à un déchet organique. Dans le cas de la fermentation alcoolique, le pyruvate est converti en éthanol (C3C2). Cette fermentation est anaérobie : C3CC + R 2 K C3C2 + C2 +R Le bilan de la fermentation est de 2 molécules d ATP par molécule de glucose : Glucose + 2 ADP K 2 Éthanol + 2 ATP L erreur classique à éviter Toutes les fermentations ne sont pas anaérobies ; la fermentation acétique nécessite du dioxygène. 235