«Observer un phénomène dans sa continuité». ÉCHANGES GAZEUX CHEZ LES VÉGÉTAUX CHLOROPHYLLIENS - PROTOCOLE, RÉSULTATS ET INTERPRÉTATION - 1 -
Introduction À la lumière, en plus de respirer, les organismes chlorophylliens réalisent la photosynthèse. À l obscurité, seule la respiration a lieu. Il est possible de déterminer la nature du gaz absorbé ou rejeté par la plante lors de ces processus en utilisant un indicateur de ph coloré : le rouge de crésol. Celui-ci est rouge à la concentration atmosphérique en dioxyde de carbone (CO 2 ), vire au jaune lorsque la concentration en CO 2 augmente (ph acide) et au violet lorsque celle-ci diminue (ph basique). CO2 + H2O H + + HCO3-0 7,2 8,8 14 ph Jaune Rouge Pourpre Place dans les programmes de Seconde ou de Terminale S Spécialité SVT À l entrée au lycée, les élèves savent que les végétaux chlorophylliens respirent, et qu ils ont aussi la capacité d oxygéner le milieu seulement lorsqu ils sont éclairés. Au lycée, ces échanges gazeux entre organismes chlorophylliens et environnement impliquent aussi désormais le CO 2. Ils peuvent être utilisés à différents niveaux dans les programmes : - en Seconde, dans la partie LA PLANETE TERRE ET SON ENVIRONNEMENT, l étude des cycles comme celui de l'oxygène et du CO 2 montre le couplage entre les enveloppes terrestres (lithosphère, hydrosphère, atmosphère et biosphère) ; - en Seconde, dans la partie CELLULE, ADN ET UNITE DU VIVANT, l hétérotrophie et l autotrophie sont deux grands types de métabolisme à l échelle cellulaire, et les échanges gazeux photosynthétiques peuvent être reliés à l autotrophie ; - en Terminale S spécialité SVT, dans la partie DIVERSITÉ ET COMPLÉMENTARITÉ DES MÉTABOLISMES, la photoautotrophie des végétaux chlorophylliens pour le carbone permet le passage du carbone minéral aux composants du vivant. Objectifs cognitifs À l obscurité, la plante absorbe de l O 2 et rejette du CO 2 : c est la respiration. À la lumière, la plante absorbe du CO 2 et rejette du dioxygène (O 2 ) : c est la photosynthèse. Celle-ci masque les échanges respiratoires. Réalisation du montage ESAO et paramétrage du logiciel A. Raccordement des adaptateurs-capteurs à la console ESAO Visio Plus (ou ESAO Visio) et paramétrage du logiciel a. Brancher aux emplacements prévus sur la console deux adaptateurs-capteurs oxymètres. b. Brancher sur le port USB prévu à cet effet en arrière de la console la Webcam c. Lancer l Atelier Scientifique SVT, choisir le module généraliste et cliquer sur «ok». - 2 -
d. Vérifier que les voyants de la console au-dessus des sondes sont allumés, et que la Webcam est bien alimentée (cela se repère par la présence d un témoin lumineux sur la Webcam généralement). 1 : Sélectionner le module généraliste. 2 : Cliquer sur le bouton OK pour lancer l application en vue de la manipulation. 3 : Zone de vérification du type de console ESAO reliée à l ordinateur (ici Visio Plus). Écran de démarrage de l Atelier Scientifique pour les SVT. Au démarrage du module, la présence des deux oxymètres et de la Webcam est détectée. Leurs icônes apparaissent sur la droite de la fenêtre d acquisition. Capture d écran : Écran au démarrage du module généraliste après raccordement des adaptateurs-capteurs à la console ESAO Visio Plus (ou ESAO Visio). Cliquer sur l icône «Vidéo» pour le réglage des paramètres de l acquisition vidéo. - 3 -
Menu de paramétrage de la Webcam. Étape 1 : cliquer sur l icône «Vidéo». Étapes 2 et 3 : sélectionner l onglet «Paramètres», puis le bouton de paramétrage. Étape 4 : sélectionner l onglet «Image» dans le volet «Source vidéo». Permet d accéder au paramétrage de la Webcam. Permet de régler tous les paramètres liés à la Webcam dans le volet «Source vidéo». Décocher l option «contrôle automatique complet» (étape 5) pour pouvoir choisir la fréquence d image (étape 6) de la Webcam. Ici, la fréquence choisie est de 5 fps (frame per second). Étapes de paramétrage de la Webcam. IMPORTANT 1 : décocher la case pour faire en sorte que le démarrage de la vidéo soit synchrone de la mesure. Fin du paramétrage de la vidéo. 2 : choisir la même fréquence d image dans le logiciel que celle sélectionnée dans le module de paramétrage de la Webcam (ici, 5 images/s). B. Protocole de montage ESAO La mise en place du dispositif nécessite le matériel dont une liste figure en annexe. Les photographies sont celles du dispositif une fois mis en place. 1) Remplir quatre tubes à essais avec 7 ml d une solution récente de rouge de crésol. 2) Placer un rameau frais d Élodée du Canada de 3 cm dans deux des quatre tubes. 3) Disposer tous les tubes à essais sur un portoir côte à côte. 4) Installer un fond blanc uni derrière les tubes à essais. 5) Disposer une sonde à dioxygène dans les tubes contenant l Élodée. Veiller à l absence de bulles d air dans les tubes. Remarque : il est possible d utiliser une sonde à dioxygène par tube, dans la mesure où l équipement du laboratoire le permet. 6) Fermer hermétiquement tous les tubes avec un bandeau de parafilm. 7) Installer un dispositif d éclairage (de préférence une lumière «froide») face aux tubes. 8) Placer la Webcam face au portoir de telle sorte qu elle filme le contenu des tubes sans être gênée par la source de lumière. - 4 -
Photographie du dispositif une fois réalisé. - 5 -
Réalisation de la mesure et exploitation pédagogique des résultats obtenus A. Protocole d enregistrement des échanges gazeux d une plante chlorophyllienne Dans la fenêtre d acquisition du logiciel : effectuer un «glisser déposer» des capteurs oxymètres et de la Webcam aux emplacements prévus sur les axes des ordonnées ; effectuer un «glisser déposer» de l icône «Temps» en abscisse ; cliquer sur l icône «Temps» pour régler la durée de la mesure sur 60 minutes, et choisir 301 points de mesure ; lancer l acquisition en cliquant sur le bouton «feu vert» de la fenêtre d acquisition (elle peut être stoppée à tout moment en cliquant sur le bouton «croix rouge» qui se trouve à sa droite). NB : au lancement de la mesure, la manipulation peut être nommée, sinon elle s appellera par défaut «Manipulation 1» (s il s agit de la première mesure) ; il sera possible de modifier ce nom après acquisition ; envelopper d aluminium deux des quatre tubes : un tube contenant un rameau d Élodée (ou de Cabomba), l autre n en contenant pas ; Remarque : Il est préférable de lancer l acquisition avant d occulter les tubes afin de pouvoir faire une comparaison état initial/état final des tubes par l enregistrement vidéo. allumer la lampe ; à deux minutes de la fin de l acquisition, ôter l aluminium autour des tubes enveloppés afin que leur contenu apparaisse sur l enregistrement ; à la fin de la mesure, enregistrer le fichier.lab (ex : rougedecresol.lab) dans le dossier désiré. - 6 -
B. Résultats obtenus et exploitation pédagogique Deux types de données sont exploitables : - le graphique montrant l évolution de la concentration en O 2 en fonction du temps dans les tubes : - la vidéo montrant la modification de la couleur de la solution de rouge de crésol au cours du temps dans les tubes : - 7 -
Dans les tubes placés à l obscurité : dans le tube témoin, la couleur du rouge de crésol ainsi que la concentration en O 2 n ont pas changé au cours du temps. Cette description est possible en comparant les images des états initial et final obtenus par Visio. en présence d Élodée (ou de Cabomba), la concentration en O 2 a diminué au cours du temps, et la solution de rouge de crésol s est éclaircie et a eu tendance à virer au jaune. Cette couleur indique que le milieu s est acidifié, ici à la suite d un enrichissement progressif en CO 2. C est la respiration qui est mise en évidence ici. Dans les tubes placés à la lumière : dans le tube témoin, la couleur du rouge de crésol ainsi que la concentration en O 2 n ont pas changé au cours du temps. en présence d Élodée, la concentration en O2 a augmenté au cours du temps et la solution de rouge de crésol est devenue plus foncée et a eu tendance à virer au violet. Cette couleur indique que le milieu est devenu plus basique qu au départ, ici à la suite d un appauvrissement progressif en CO 2. À la lumière, les végétaux ont oxygéné le milieu et ont consommé le CO 2 présent dans le rouge de crésol. C est la photosynthèse (nette) qui est mise en évidence ici. Rappels : photosynthèse nette = photosynthèse brute - respiration Conclusion À l obscurité ou à la lumière, les végétaux respirent. Cette activité est masquée à la lumière par la photosynthèse. Ces échanges gazeux impliquent différents réservoirs de carbone et de dioxygène (programme de Seconde) : biosphère et atmosphère ou hydrosphère. La réduction du carbone minéral par les végétaux chlorophylliens permet la synthèse de matière organique au cours de la photosynthèse (programme de Terminale S spécialité SVT). Cette matière organique est oxydée lors de la respiration notamment. - 8 -
«Observer un phénomène dans sa continuité (cas d un phénomène long)» - Échanges gazeux chez des végétaux chlorophylliens. ANNEXE Liste du matériel 1) Liste du matériel ESAO - Console ESAO Visio Plus (Réf. : 451461) ou console ESAO Visio (Réf. : 451460). - Logiciel Atelier Scientifique SVT (version établissement - Réf. : 000583). - Adaptateur Oxymètre ESAO 4 - Réf. : 452108 et sonde Oxymètre ESAO - Réf. : 453001. - Webcam SPC 1000 NC Philips (Réf.: 571064). 2) Liste du matériel complémentaire (accessoires et autres consommables) - 4 tubes à essais (diamètre = 1cm environ). - Portoir pour tubes à essais. - Lampe halogène Jeulin - Réf. : 554063842. - Rouge de crésol à 0,02 % (125 ml) - Réf. : 107179 ou Rouge de crésol (25 g) - Réf. : 105114. - Rameaux frais d Élodée du Canada ou de Cabomba. - Papier d aluminium. - Parafilm. - Fond blanc (carton, feuille). - Pipette et pro-pipette. - 9 -