Préparation à l Agrégation Interne 2009-2010 Séances des 9 et 13 janvier AUTOTROPHIE HETEROTROPHIE CYCLES DE MATIERES Les mots clés : Autotrophie, hétérotrophie, type trophique, photo chimio litho autotrophie, fermentation, respiration, photosynthèse. Photosynthèse oxygénique, photosynthèse anoxygénique, chloroplaste, thylakoïde, pigment photorécepteur, chlorophylles, caroténoïdes, phycobilines, antenne collectrice, conversion de l énergie lumineuse, photosystème, pouvoir réducteur, potentiel redox, coenzymes d oxydoréduction, réaction d oxydoréducton, ATP-synthase, photophosphorylations cyclique et acyclique, membrane transductrice d énergie, cycle de Calvin, Rubisco, ribulose 1,5-biP, triose-phosphate, photosynthèse en C 4-C3... Chimiosynthèse, nitrification, nitrosation, nitratation, archébactéries et eubactéries, cyanobactéries, bactéries pourpres (sulfureuses ou non), bactéries méthanogènes, organismes diazotrophes, symbiose, Rhizobium, nodosité, nitrosation, nitratation, nitrification, dénitrification, humification, ammonisation... Réseau trophique, niveau trophique, producteur, consommateur, production primaire, production secondaire, productivité (primaire et secondaire), pyramide écologique, cycle biogéochimique du carbone, cycle de l azote. Dans les programmes : 6 ième : Origine de la matière des êtres vivants : tous les êtres vivants sont des producteurs ; les végétaux chlorophylliens n ont besoin pour se nourrir que de matière minérale à condition de recevoir de la lumière. Ce sont des producteurs primaires. 2 nde : II/ Cellule, ADN et unité du vivant : L hétérotrophie et l autotrophie sont deux grands types de métabolismes. 1 ière ES: Alimentation, production alimentaire, environnement : la production végétale est à la base de la production animale et d une partie de la production humaine. Importance et gestion des écosystèmes forestiers : participation du bois aux grands équilibres de la planète 1 ière L: Quantifier les productions alimentaires, construction d une pyramide des biomasses (la production animale nécessite une production végétale importante). Analyser le fonctionnement d un agrosystème et ses conséquence environnementales 1
TS spécialité: Du carbone minéral aux composants du vivant : la photoautotrophie pour le carbone : relations trophiques au sein des écosystèmes, structures et ultrastructures d une feuille, mise en évidence d une production de matière organique au niveau d une feuille, séparation des pigments par chromatographie, spectres d absorption et spectres d action, étude des conditions du dégagement d O 2, réaction de Hill. BCPST : - La photosynthèse eucaryote - Chaîne photosynthétique et photophosphorylation acyclique et cyclique. - Les cycles de carboxylation photosynthétique en C3 et C4-C3. - Le catabolisme oxydatif - L oxydation des substrats organiques. - oxydation du glycéraldéhyde -3P dans le cytosol (glycolyse). - Oxydation du pyruvate et des acides gras dans la mitochondrie. - Oxydation de l acétyl-coenzyme A dans la mitochondrie (cycle de Krebs). - Chaîne respiratoire et oxydations phosphorylantes. - Fermentations lactique et éthanolique. Diversité des types trophiques Types trophiques des micro-organismes : principales modalités Les orientations bibliographiques : - LAVAL-MARTIN D. et MAZLIAK P., Physiologie végétale I : Nutrition et métabolisme, Hermann, 1995 - MAZLIAK P., Physiologie végétale II : Croissance et développement, Hermann, 1998 - HOPKINS W., Physiologie végétale, de Boeck, 2003 - ALBERTS et al., Biologie moléculaire de la cellule, Flammarion, 2003 - DARNELL J. et al., Biologie moléculaire de la cellule, - STRYER H., Biochimie, Flammarion - RAVEN et al., Biologie, De Boeck, 2007 - DAJOZ R., Précis d écologie, Dunod, 1996 - Travaux pratiques (Physiologie végétale) - PRAT R., Expérimentation en physiologie végétale, Hermann, 1994 - POL D., Travaux Pratiques de Biologie, Bordas, 1994 Exemples d'épreuves orales portant sur ce thème : Leçons : La place des végétaux dans les réseaux trophiques (6 ième ) Production de matière chez les végétaux (6 ième ) Autotrophie et hétérotrophie à l échelle de la cellule (2 nde ) Unité et diversité des cellules eucaryotes (2 nde ) Rôle des végétaux dans les cycles de l oxygène et du carbone (2 nde ) 2
Chloroplaste et mitochondrie (TS spé) Compartimentation cellulaire et métabolisme chez les végétaux (TS spé) TP : Unité et diversité des cellules végétales (2 nde 1 ère S) Autotrophie et hétérotrophie (2 nde ) Respiration et fermentation à l échelle de la cellule (TS Spécialité) Le chloroplaste (TS Spécialité) La photo-autotrophie pour le carbone (TS Spécialité) La photosynthèse (TS Spécialité) La lumière et les végétaux (TS Spécialité) Caractéristiques structurales et fonctionnelles de la cellule végétale (2 nde - 1 ière S) Diversité et complémentarité des cellules dans un végétal chlorophyllien (TS Spécialité) Étude structurale et fonctionnelle de la cellule chlorophyllienne (TS Spécialité) La feuille, organe photosynthétique (TS Spécialité) Des pistes de révision : - Les caractères des réactions d oxydoréduction - Les relations structure - fonction au niveau des chloroplastes - Les réactions photochimiques de la photosynthèse - Les réactions chimiques de la photosynthèse - Les différents types trophiques - Les relations trophiques dans un écosystème Des supports à maîtriser : - Coupes histologiques et électronographies : feuilles, chloroplastes, thylakoïdes - Manipulations : extraction et chromatographie des pigments photorécepteurs, réaction de Hill, manipulations EXAO mettant en évidence les facteurs de la photosynthèse (éclairement, longueurs d ondes incidentes, taux de CO 2 etc.), mise en évidence de l amidon à l échelle de la feuille ou du chloroplaste... - Résultats expérimentaux "classiques" : comparaison du spectre d action de la photosynthèse et du spectre d absorption de la chlorophylle brute, expérience de Hill, expérience de Ruben et Kamen, potentiels redox des différents transporteurs d électrons de la chaîne photosynthétique, expériences de Calvin... Organisation de la séance : 1 - Correction de l épreuve sur dossier. 2 Une activité : Présentez, en utilisant un document du dossier, une activité expérimentale qui s inscrirait au 3
niveau Seconde dans l établissement de la notion d autotrophie. Indiquez, en vous fondant autant que possible sur les documents fournis, comment cette notion serait abordée en 6ème, puis complétée et explicitée en Terminale. 3 - Rappels scientifiques sur les types trophiques et les cycles de matières. Document 1 Chloroplaste d Algue exposée à la lumière (MET x 18 000) Document 2 Coupe transversale de racine de Ranonculus. Les grains colorés en rouge sont des grains d amidon. 4
Document 3 Coupe transversale d un limbe foliaire de Glechoma hederacea. Document 4 Résultats d une expérimentation EXAO. Des feuilles d épinard sont broyées pendant deux minutes dans un mortier réfrigéré à 4 C (ce qui évite les actions enzymatiques), en présence de solutions tampons (qui neutralisent en particulier les acides organiques, susceptibles d altérer les enzymes). Le broyat est ensuite filtré sur du coton hydrophile maintenu par une gaze : le filtrat renferme, outre des chloroplastes, différents autres organites dont des mitochondries. On place 5 ml du filtrat dans l enceinte de mesure. Le filtrat est placé alternativement à l obscurité puis à la lumière (l intensité lumineuse est indiquée par la partie inférieure du graphique, les périodes lumineuses étant représentées par une bande noire, comme entre t1 et t3 par exemple). À t2, est injecté dans l enceinte du fer ferrique (Fe3+) sous forme de ferricyanure de potassium. On mesure, grâce à une sonde à dioxygène, l évolution de la concentration de ce gaz dans le milieu. 5
Document 5 Évolution des concentrations d oxygène et de dioxyde de carbone dans des suspensions d algues exposées ou non à la lumière (EXAO). Document 6 Cellules de feuilles d Élodée (x 1400) À gauche, montage dans l eau À droite, montage dans le réactif iodo-ioduré. 6
Document 7 Culture de deux plants de misère en présence ou en absence de dioxyde de carbone. Les deux plants sont identiques en début d expérience. 7