La production de la matière organique de la part des plantes vertes (chlorophylliennes) exige l’intervention de structures spécifiques et des éléments nécessaires pour cette production. Une plante chlorophillienne, comme tout etre vivant, établit differents types d’échanges avec le milieu exterieur, échange d’eau et aussi des gaz pour produire de la matière organique mais aussi de l’énergie chimique:

Comment se font ces échanges gazeux?
Quel est le mécanisme de l’éxploitation et de la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique?
Quels sont les structures et mécanismes responsables de la production de la maatière organique?
Quelle est la nature de la matière organique?

Mise en évidence des échanges gazeux clorophylliens

L’absorption du CO₂

Manipulation: le Bleu de Bromothymol (BBT) est un indicateur coloré, utilisé pour la détection du CO2 dans les solutions:

- En présence du CO2 la solution prend une couleur verte

En absence du CO2 la couleur est bleue

On fait cultiver des plantes de l’élodée (plante chlorophyllienne aquatique) puis on prépare 4 tubes à essai en modifiant les conditions expérimentales pour chacun des 4 tubes:

Tube 1: Eau + BBT
Tube 2: Eau + CO2 + BBT
Tube 3: Eau + CO2 + Elodée + BBT
Tube 4: Eau + CO2 + Elodée + BBT sans lumière

Résultats:

Les tubes 1 et 2 sont témoins: Le BBT en présence du CO2 donne une couleur verte et en absence du CO2 la couleur est bleue.
Le tube 3: les contours de la plantes deviennent bleue: absence du CO2 à proximité de la plante implique l’absorption de ce gaz par la plante
Le tube 4: en obscurité et en gardant les memes conditions précédente la couleur bleue disparait impliquant un role essentiel de la lumière dans l’absorption du CO2

Déduction:

La plante chlorophylienne absorbe le CO2 en présence de la lumière

Le dégagement du dioxygène

Manipulation:

On prépare 3 milieux expérimentaux composé de:

Une plante d’élodée sous un entonnoir
Un tube à essai renversé
Eau

En modifiant deux variables: Le CO2 et la lumière

Le protocole expérimental et les résultats sont présentés par la figure suivante:

Résultats:

Milieu 1: en absence de la lumière la plante ne produit pas d’O2
Milieu 2: en présence de la lumière et du CO2, la plante dégage l’O2
Milieu 3: en présence de la lumière avec le manque du CO2 la plante ne dégage plus de l’O2

Déduction:

En présence de la lumière, les plantes chlorophylliennes absorbent le CO2 pour dégager l’O2

Les facteurs agissant sur les échanges gazeux

Dans l’objectif de controler l’ensemble des paramètres et varibles d’une manipulation, on procède à l’utilisation du système informatique et ainsi les résultats seront plus rapides mais aussi plus fiables.

La température

En gardant L’intensité de l’éclairement et la concentration constantes, on augmente progressivement le degré de température du milieu de culture d’une plante chlorophyllienne. La figure suivante présente les résultats de cette expérience:

Analyse:

Dans des températures plus faibles que la Temperature optimale (37°C): Le volume d’O2 dégagé augmente impliquant une augmentation de l’intensité de photosynthèse

Si la temperature diminue danss ce premier intervalle, l’intensité de la photosynthèse diminue parallélement pour retourner à la valeur initiale

Dans des temperatures supérieures de 37°C: l’intensité photosynthétique diminue. Si l’on diminue le degré de temperature dans cet intervalle l’intensite de la photosynthèse ne peut pas récupérer son allure initiale du fait de la destruction de quelques structures internes de la plante (dans des temperatures des élevées)

Déduction:

Le degré de température contrôle l’intensité de la photosynthèse

La teneur en CO2

Manipulation

En gardant le degré de température et l’intensité d’éclairement constantes, on fait augmenter le taux du CO2 dans l’air ambiant d’une plante chlorophyllienne, on obtient les résultats suivants:

Analyse et déductions:

l’intervalle 1: dans des taux très faibles de CO2, la photosynthèse ne peut pas s’exécuter et la plante absorbe ainsi le CO2 au lieu de le dégager (respiration au lieu de la photosynthèse)
L’intervalle 2: à partir d’un taux avoisinant 0,15% de CO2, la photosynthèse commence et augmente d’intensité en parallèle de l’augmentation du taux de CO2 jusqu’à 0,09%
L’intervalle 3 et 4: à partir de 0,09% toute augmentation du taux de CO2 n’a pas d’effet sur la photosynthèse
L’intervalle 5: une concentration très élevée en CO2 dépassant les 2% inhibe la photosynthèse

Le taux du CO2 est un facteur agissant sur la photosynthèse qui ne peut commencer que dans des teneurs faibles de CO2, sera plus intense dans des teneurs entre 0,03% et 0,00%, mais lorsque le CO2 atteint des taux très élevés, ce sera toxique pour la plante qui commence à d’arreter ses fonctions vitales.

L’intensité de l’éclairement

Manipulation: en gardant le taux de CO2 et la température constants, on augmente progressivement l’intensité de l’éclairage , on obtient les résultats suivants:

Pour une plante de lumière

La photosynthèse commence à partir d’une intensité d’éclairement « C1 » appelé point de compensation

L’intensité de la photosynthèse augmente en parallèle avec l’augmentation de l’intensité d’éclairement jusqu’au point de saturation « S1 » représentant l’intensité optimum pour la plus forte intensité de photosynthèse, à partir duquel toute nouvelle intensité d’éclairement n’a aucun effet sur la photosynthèse.

Pour la plante d’ombre

L’évolution de l’intensité de photosynthèse reste la même, à l’exception des faibles valeurs de C1 et S1.

Les structures responsales des échanges gazeux

Les échanges gazeux entre la plante verte et le milieu extérieur se fait au niveau des feuilles. Pour mettre en évidence les structures responsable de ces échanges on effectue la manipulation suivante:

- On imbibe deux feuilles (de papier) du chlorure de cobalt utilisé comme indicateur coloré de l’eau:

Rose en présence d’au
Bleu en absence d’eau

On dépose une feuille (fraiche) d’une plante chlorophyllienne entre les deux feuilles de papier imbibées de chlorure de cobalt. Les résultats sont représentés sur la figure suivante:

Les points roses confirment l’échappement de la vapeur d’eau à travers de petits pores au niveau des deux faces de la feuille chlorophyllienne: Les stomates

Les stomates

Au microscope photonique, les stomates se présentent sous forme de deux cellules de forme ovoïde juxtaposées cote à cote, le centre est occupé par une lumière appelé Ostiole.

Chez les plantes chlorophylliennes, la densité et le nombre des stomates au niveau des feuilles n’est pas constante mais souvent, c’est la face inférieure qui comporte le plus de stomates. Cette répartition trouve son explication dans le fait que la face inferieure est souvent à l’abri des conductions climatiques ambiantes (surtout la température et le vent)

Rôle des stomates

Le role que jouent les stomates dans les échanges gazeux (au cour de la photosynthèse) est en fonction de la lumière. L’ostiole s’ouvre en présence de la lumière et se ferme en obscurité.

Manipulation:

Chez une plante chlorophyllienne, on mesure l’intensité de l’ouverture des stomates durant les heures d’une journée, en relation avec le volume du CO2 absorbé et l’O2 rejeté. Le diagramme suivant résume les résultats de cette expérience.

Analyse:

L’évolution de l’intensité d’ouverture des ostioles est parallèle avec celle du volume du CO2 absorbé et l’O2 rejeté:
les échanges gazeux se font au niveau des stomates
L’ouverture est maximale vers 10H à 12H: Les conditions de Temperature et d’éclairement sont optimales
L’intensité de l’ouverture des stomates diminue : minimiser la transpiration (perte d’eau) due aux degrés élevés de température.
une nouvelle diminution plus accentuée et rapide vers 18H: diminution de l’intensité d’éclairement jusqu’à obscurité (fermeture des ostioles).

Les stomates sont donc le siège des échanges gazeux, de la transpiration et moteur de l’appel foliaire responsable de l’acheminement de la sève brute des racines vers les parties aérienne de la plante.

Les facteurs agissant sur l’ouverture des stomates

Le vent:

Un agent agissant sur les ostioles en les gardant ouverts ce qui favorise la transpiration

L’état du sol:

Un sol très humide favorise l’ouverture des ostioles et ainsi la transpiration, alors qu’un sol peu humide ou sec induit la fermeture des stomates.

La température:

Les plantes chlorophylliennes sont soumises quotidiennement à l’action de la température et les changements de ce paramètre.

Manipulations:

A- On soumet une plante verte à une augmentation progressive de la température, la figure 1 présente les résultats de cette expérience:

Analyse et déductions:
- Intervalle 1: L’augmentation de la température induit l’augmentation de l’intensité de transpiration ce qui explique l’augmentation d’ouverture des stomates

- Intervalle 2: Après un seuil de température (environ 27°C) les stomates diminuent d’ouverture affin de diminuer l’effet de la transpiration.

B- On mesure l’ouverture des stomates d’une plante chlorophyllienne dans des climats différents, les résultats sont présentés dans le document suivant:

Analyse et déductions:
- Eté très chaud et pluvieux: la transpiration est élevé (donc l’ouverture des stomates atteint son maximum), la perte d’eau est compensée par la pluie
- Été chaud et sec: pendant les heures claires de la journée, les stomates s’ouvrent mais le manque de pluie prive la plante d’une probable compensantion de l’eau perdue suite à la transpiration et ainsi l’intensité de l’ouverture des stomates diminue
- Été très sec: l’ouverture des stomates se fait dans les heures de la matinée évitant la forte transpiration
- Automne froid et pluvieux: l’ouverture des stomates se fait vers 12H quand les conditions d’éclairement et de température sont favorables

L’ouverture des stomates est donc soumise à la nature du climat:

Mécanisme d’ouverture des stomates.

Manipulations:

Afin de mettre en évidence le mécanisme responsable de l’ouverture des stomates, on réalise les expériences suivantes:

Mesure de la pression osmotique dans les cellules de la feuille (fig1)
Mesure du taux de K⁺ dans le milieu intracellulaire (fig2)
Données expérimentales (fig.3)

Analyse et déductions:

Fig.1: après l’éclairage on assiste à une inversion de la pression osmotique des deux types de cellules, les cellules stomatiques présentent la pression la plus élevée

Fig2: après éclairage, un gradient de concentration des K+ se grée entre les deux types de cellules, la concentration devient diminue dans les cellules avoisinantes alors qu’elle augmente dans es cellules de garde (stomatiques)

Dans les conditions favorable à l’ouverture des stomates (éclairage surtout), les ions K+ passent des cellules avoisinantes vers les cellules de garde, qui deviennent ainsi hypertonique ce qui induit l’élévation de la pression osmotique dans ces dernière et ainsi permettre l’ouverture des stomates

Fig.3: d’après les données expérimentales, le transport des ions K+ est un transport qui nécessite de l’énergie: Un transport actif.

Eté très chaud et pluvieux: la transpiration est élevé (donc l’ouverture des stomates atteint son maximum), la perte d’eau est compensée par la pluie
Été chaud et sec: pendant les heures claires de la journée, les stomates s’ouvrent mais le manque de pluie prive la plante d’une probable compensantion de l’eau perdue suite à la transpiration et ainsi l’intensité de l’ouverture des stomates diminue
Été très sec: l’ouverture des stomates se fait dans les heures de la matinée évitant la forte transpiration
Automne froid et pluvieux: l’ouverture des stomates se fait vers 12H quand les conditions d’éclairement et de température sont favorables

Production de la matière organique

Les conditions nécessaires à la production de la matière organique

Manipulation:

Pour mettre en évidence les différentes conditions nécessaires pour la production de l’amidon (matière organique), on réalise les manipulations suivantes:

Mettre la plante dans l’obscurité durant 48H
Exposer la plante à l’éclairage pendant plusieurs heures
Choisir 4 feuilles comme indiqué dans le document

**L’eau iodée est un indicateur coloré de l’amidon: En présence de ce sucre la couleur devient bleu à bleu nuit

Analyse et déduction:

Feuille 1- Conditions normales: La plante produit de l’amidon

Feuille 2- Absence de CO₂: Pas de production de matière organique

Feuille 3- Absence de la lumière: Pas de production de M.O

Feuille 4- absence de la couleur verte (chlorophylle): pas de production de M.O

La production de la matière organique de la part des plantes chlorophyllienne nécessite la présence de:

CO2
Chlorophylle
Lumière

La nature chimique de la matière organique

La matière organique produite par les plantes chlorophyllienne peut etre soit des glucides, des proteines ou des lipides.

Les glucides

En fonction du nombre des molécules s’associant pour former le glucide, on distingue:

Les oses: ou monosaccharides dont la formule chimique est: CnH2nOn n 7
Les osides : combinaison de deux ou plusieurs oses.
- Les diholosides: combinaison de deux oses
- Les polyholosides: combinaison de plusieurs oses

Les lipides

Combinaison d’acides gras et alcools

Simples : Carbone, oxygène, hydrogène

Complexes : Carbone, oxygène, hydrogène, azote

Insolubles dans l’eau mais soluble dans l’éther et l’alcool

c- Les protides (ou protéines) :

Chaines d’acides aminés

Mise en évidence des échanges gazeux clorophylliens

L’absorption du CO2

Le dégagement du dioxygène

Les facteurs agissant sur les échanges gazeux

La température

La teneur en CO2

L’intensité de l’éclairement

Pour une plante de lumière

Les structures responsales des échanges gazeux

Les stomates

Rôle des stomates

Les facteurs agissant sur l’ouverture des stomates

Le vent:

L’état du sol:

La température:

Mécanisme d’ouverture des stomates.

Production de la matière organique

Les conditions nécessaires à la production de la matière organique

La nature chimique de la matière organique

Les glucides

Les lipides

c- Les protides (ou protéines) :

L’absorption du CO₂