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Les besoins de la photosynthèse

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Objectifs

Savoir mettre en évidence expérimentalement une activité photosynthétique.
Savoir identifier les besoins de la photosynthèse par des approches expérimentales.
Savoir mettre en évidence et connaitre les mécanismes et les éléments nécessaires à la production de la matière organique par les végétaux.

Points clés

Les végétaux chlorophylliens sont des organismes autotrophes dont certaines cellules spécialisées sont équipées d’un organite particulier : le chloroplaste.
Le chloroplaste est le siège de la photosynthèse, un processus cellulaire complexe qui conduit à la production de la matière organique, indépendamment de tout autre être vivant présent dans le milieu.
Des expériences montrent que la production de matière organique par photosynthèse nécessite :
- de la lumière et du dioxyde de carbone qui sont prélevés par la partie aérienne de la plante ;
- de l’eau prélevée par la partie racinaire.

Pour bien comprendre

Organisation de la cellule végétale spécialisée assurant la photosynthèse
Notion de métabolisme autotrophe
Les échanges gazeux de la photosynthèse
Distinction matière organique/matière minérale

Les végétaux verts, c’est-à-dire ceux possédant des chloroplastes et de la chlorophylle, sont les seuls capables de photosynthèse. Cette réaction du métabolisme cellulaire est fondamentale puisqu’elle est la seule à permettre la production de molécules organiques à partir d’éléments minéraux.

Elle a lieu dans les chloroplastes au niveau des feuilles du végétal et nécessite de la lumière et du dioxyde de carbone.

1. Mise en évidence des besoins en lumière pour la production de matière organique par photosynthèse

a. Mise en évidence de la production de matière en présence de lumière

Prenons une plante et plaçons la moitié de ses feuilles à l’obscurité et l’autre moitié en plein soleil. Au bout de 12 h, nous récupérons les feuilles et nous les plaçons à l’étuve à 100 °C afin de les déshydrater.

Mise en évidence de la production de matière en présence de lumière

Dans ces conditions, on constate que la masse sèche des feuilles placées à la lumière est supérieure à celle des feuilles placées à l’obscurité. Donc, la plante a produit de la matière en présence de lumière.

b. Identification de la nature des molécules produites en présence de lumière

Sur le plant précédent, on prélève des feuilles ayant été placées 12 h soit à l’obscurité, soit à la lumière. On les décolore en les plongeant dans de l’alcool bouillant afin de les débarrasser de la chlorophylle. Après refroidissement, on incube ces feuilles dans de l’eau iodée, un colorant spécifique de l’amidon.

Mise en évidence de la production d’amidon en présence de lumière

On constate que les feuilles ayant été placées à l’obscurité restent jaunes alors que celles ayant été placées à la lumière adoptent une coloration bleu/noir. Cette coloration traduit la présence d’amidon.

L’amidon est une molécule organique, et plus précisément un glucide complexe, formé par l’enchaînement de glucose. Il sert de réserve énergétique aux végétaux.

c. Localisation de la production de la matière organique en présence de lumière

Précédemment, nous avons vu que ce sont les feuilles ayant été placées à la lumière qui ont produit de la matière organique.

Si on réalise une expérience similaire avec des feuilles d’élodée (plante aquatique), et que l’on observe les feuilles après coloration à l’eau iodée, on constate que :

la coloration est spécifique des feuilles ayant été placées à la lumière ;
la coloration est localisée essentiellement dans les chloroplastes.

Localisation de la production d’amidon dans les chloroplastes

Les chloroplastes sont des organites cellulaires qui caractérisent les végétaux chlorophylliens. Ils contiennent notamment la chlorophylle, pigment qui donne leur couleur verte aux végétaux.

Donc, la réaction de synthèse de la matière organique a lieu dans les chloroplastes et nécessite de l’énergie lumineuse.

2. Mise en évidence des besoins en CO2 pour la production de matière organique par photosynthèse

Lorsque l’on place des végétaux verts dans une enceinte fermée en présence de lumière, on constate que la quantité de dioxyde de carbone diminue dans l’enceinte au cours du temps tandis que la quantité de dioxygène augmente.

Le dioxyde de carbone pourrait donc intervenir dans la synthèse de la matière organique par les végétaux.

Pour tester cette hypothèse, on place des feuilles dans un récipient fermé hermétiquement et contenant de la potasse (qui absorbe le CO₂ de l’air) et d'autres feuilles dans un récipient contenant une eau riche en CO₂. On expose le plant ainsi équipé 24 h à la lumière puis on traite les feuilles à l’alcool bouillant avant de les colorer à l’eau iodée.

Mise en évidence des besoins en CO₂ de la plante chlorophyllienne pour la production de matière organique

On constate que seule la feuille ayant été mise en présence d’eau enrichie en CO₂ adopte une couleur bleu noir caractéristique.

Ceci prouve que le CO₂ contenu dans l’air est utilisé par les végétaux pour produire de la matière organique. Il apporte notamment le carbone qui sert de squelette à toutes les molécules organiques.

3. Mise en évidence des besoins en eau pour la production de matière organique par photosynthèse

Quelle que soit la plante, elle a besoin de l’eau pour survivre, qu’elle prélève dans le sol grâce à son système racinaire. Mais cette eau est-elle utilisée par la photosynthèse ?

En 1941, Ruben et Kamen réalisent une expérience historique en utilisant l’isotope stable ¹⁸O de l’oxygène comme marqueur.

Ils mettent en culture des chlorelles (algues unicellulaires photosynthétiques) dans deux conditions différentes :

Condition n °1 : les algues sont mises en culture dans de l’eau à oxygène lourd (¹⁸O) en présence de bicarbonate de potassium ordinaire comme source de CO₂.
Condition n °2 : les algues sont mises en culture dans de l’eau à oxygène ordinaire (¹⁶O) en présence de bicarbonate de potassium à oxygène lourd (¹⁸O) comme source de CO₂.

Puis, ils analysent la composition isotopique du dioxygène libéré par la réaction de photosynthèse réalisée en présence de lumière. Ils constatent que dans les conditions n °1, le dioxygène libéré est composé d’atomes d’oxygène lourd (¹⁸O) tandis que dans les conditions n °2, le dioxygène libéré est composé d’atomes d'oxygène ordinaire (¹⁶O).

Ainsi, le dioxygène produit au cours de la photosynthèse provient de la photolyse de l’eau.

4. Conclusion

Au cours de la réaction de photosynthèse réalisée par les végétaux verts, ces derniers prélèvent dans leur environnement du CO₂ et de l’eau et captent l’énergie lumineuse du soleil. L’ensemble des réactions ont lieu dans les chloroplastes présents dans les cellules chlorophylliennes des feuilles et aboutissent à la production d’une nouvelle matière organique dont la forme initiale est un glucide complexe, l’amidon.