Dans les écosystèmes, les relations entre les différents êtres vivants s’organisent dans des chaines et réseaux trophiques pour permettre l’équilibre du milieu. Au niveau des différents réseaux trophiques, le premier organisme qui constituent le premier maillon sont toujours des plates et surtout les plantes vertes qui sont capables de produire leur matière organique et ainsi l’énergie et sont donc autotrophe (leur nutrition ne se fait pas au dépend d’autres organismes vivants) en utilisant des éléments et composés chimiques présents dans le milieu ambiant (Les gaz, H2O, sels minéraux, lumière…)

Quels sont les éléments nécessaires à la synthèse de la matière organique ?
Comment se fait l’absorption de l’eau et des sels minéraux ?
Comment capter l’énergie solaire et comment l’exploiter dans la formation de la matière organique ?

L’absorption de l’eau et des sels minéraux chez les plantes chlorophylliennes

Mise en évidence des échanges d’eau chez les plantes chlorophylliennes

Au niveau tissulaire

Manipulation :

On prépare des échantillons de frites de pomme de terre de taille et épaisseur égales, on les incube ensuite dans différentes solutions sucrées différant par leur concentration en saccharose. On mesure la taille (des frites) initiale et celle finale Vers la fin de la manipulation La figure 1 : Le protocole expérimentale La figure 2 : Les résultats

Exploitation des résultats

La fig.3 présente l’évolution de la variation de longueur des frites en fonction de la concentration du milieu, on remarque :

Dans des concentrations inferieures à 0,27 mol/l de saccharose : augmentation de la taille (augmentation de la variation de la longueur)
À la concentration 0,27 mol/l : la taille ne change pas
Dans des valeurs de concentration supérieure à 0,27 mol/l : la taille diminue

Interprétation :

Dans des concentrations inferieures à 0,27 mol/l de saccharose : la concentration élevée à l’intérieur du tissu permet le passage de l’eau du milieu extérieur (la solution de saccharose) vers le milieu intérieur (le tissu). On qualifie le milieu dans ce cas de milieu hypotonique
Lorsque la concentration du milieu extérieur est équivalente à la concentration de l’intérieur du tissu, le déplacement d’eau s’arrête, le milieu est dit ainsi isotonique
Dans des concentrations de saccharose supérieures à 0,27 mol/l, le milieu extérieur devient plus concentré que les cellules du tissu et cela pousse l’eau à sortir du tissu vers le milieu extérieur qu’on qualifie d’hypertonique

Déduction : Les échanges d’eau entre les tissus et le milieu extérieur se fait sur la basse de la différence de concentration : l’eau passe toujours du milieu hypotonique vers le milieu hypertonique

Au niveau cellulaire

Structure de la cellule

Dans la nature, deux types de cellules se présentent : animale et végétale, qui ne différent que par quelques caractéristiques. La fig. ci-après présente la structure de ces cellules.

Manipulation :

On cherche à identifier les cellules au niveau d’un tissu végétal, et dans cet objectif on réalise la manipulation suivante : On prélève un petit fragment de l’épiderme supérieur d’une écaille charnue de l’ognon On incube les échantillons (séparément) dans deux solutions de rouge neutre (solution tampon de couleur rouge) en modifiant la concentration en NaCl :

Solution 1 : [NaCl] = 2g/l
Solution 2 : [NaCl] = 20g/l

La fig.1 : Protocole expérimental La fig.2 : Observations microscopiques niveau cellulaire, l’eau passe toujours du milieu hypotonique vers le milieu hypertonique. L’observation microscopique permet de déterminer le gradient de concentration entre la cellule et le milieu extérieur. On distingue deux états d’observations :

La turgescence : le milieu extérieur a moins de concentration que la cellule, l’eau continue de passe vers la cellule, elle s’emplit d’eau
La plasmolyse : le milieu extérieur est moins concentré, l’eau quitte la cellule vers le milieu extérieur.

On appelle ce principe d’échanges d’eau entre la cellule et son milieu extérieur : l’osmose

Interprétation physique des échanges d’eau

Les travaux de Dutrochet :

Manipulation

L’osmomètre de Dutrochet est un dispositif muni dans sa base d’une membrane perméable uniquement à l’eau (Hémiperméable). On met un volume d’eau distillée dans un bécher, dans l’osmomètre de Dutrochet on ajoute une solution de saccharose jusqu’à la hauteur H0 au niveau de la colonne. A la fin de la manipulation, le volume de la solution dans la colonne augmente et atteint la hauteur H1 alors que le volume d’eau distillée du bécher diminue.

Déduction :

Les molécules du soluté exercent une pression d’absorption sur les molécules d’eau : la pression osmotique π Cette pression peut être mesurée en utilisant la formule suivante

Mise en évidence des échanges des solutés au niveau cellulaire

La diffusion

a- Manipulation1 : On met dans un entonnoir une feuille de cellophane, on ajoute une solution de sulfate de cuivre. En dessous de l’entonnoir, un bécher est rempli d’eau distillée. Résultats : l’eau dans le bécher prend la couleur des sulfates de cuivre Déduction : les molécules des sulfates de cuivre ont passées du milieu hypertonique (l’entonnoir) vers le milieu hypotonique (l’eau distillée du bécher) : il y a diffusion des molécules du milieu hypertonique vers le milieu hypotonique : La Diffusion La diffusion s’arrête une fois la concentration dans les deux milieux deviennent égales.

Manipulation 2 :

en utilisant le dispositif de Dutrochet et en remplaçant la membrane hémiperméable par une autre perméable on aura les résultats suivants :

Montée de la solution dans la colonne de H1 à H2 : Osmose (passage de l’eau du bécher vers l’osmomètre)
Diminution du volume de la solution de H1 à H2 : Diffusion des molécules de saccharose de l’osmomètre vers le bécher
Les échanges de l’eau et du soluté s’arrêteront lors de l’équilibre des concentrations des deux milieux

Les échanges des solutés se fait à l’opposé des échanges d’eau

Types de diffusion

La diffusion peut se faire suivant différents mécanismes :

la diffusion orientée

Manipulation : on prépare un tissu de l’épiderme d’oignon préalablement immergé dans une solution de rouge neutre d’une concentration de 1g/l et pH= 7,4 Résultats : Le rouge neutre se déplace à l’intérieur des vacuoles au début de l’expérience par diffusion (du milieu hypertonique vers le milieu hypotonique Dans un milieu hypertonique, la cellule devient hypotonique, l’eau quitte la vacuole vers le milieu extérieur, alors que le rouge neutre est conservé à l’intérieur de la vacuole et ne quitte pas la cellule : c’est la diffusion orientée qui permet l’échange de quelques types de molécules et empêche d’autre de pouvoir quitter le milieu initial

La diffusion facilitée

Manipulation : On cherche à mesurer la vitesse de diffusion de deux types de molécules NaCl et Glucose du milieu extérieur hypertonique vers la cellule (hypotonique). La courbe suivante présente les résultats de ces mesures : Déduction : la diffusion du NaCl se fait plus rapidement par rapport au glucose. Au niveau de la membrane plasmique de la cellule, des transporteurs (de nature protéique) sont disponibles pour permettre la diffusion des molécules volumineuse (glucose) ce qui explique qu’au début la vitesse de la diffusion de cette molécule était très élevé, mais une fois l’ensemble de ces transporteurs sont inclus dans cette diffusion, la vitesse reste stable. Pour le NaCl sa diffusion se fait à travers la membrane plasmique sans l’intervention de transporteurs spécifiques ce qui explique la progression et la continuité de l’augmentation de la vitesse de sa diffusion. Ce transport des différentes molécules se fait sans consommation d’énergie.

Le transport actif

Pour mettre en évidence ce type d’échange de molécules entre la cellule et le milieu extérieur, on propose l’expérience suivante : Chez la Vallonnai (plante verte aquatique) on mesure la concentration de deux cations (K+ et Na+) dans l’espace intra et extracellulaire. Les résultats sont présentés dans le tableau suivant :

Dans les conditions normales : la concentration de K+ est plus élevée dans la cellule par rapport au milieu extérieur et c’est l’inverse pour le Na+ et cela fait exception à la loi de diffusion du fait que les molécules doivent passer (selon ce principe) du milieu le plus concentré vers le milieu le moins concentré.
La cellule dispose d’un mécanisme la permettant de conserver ce gradient des concentrations pour les deux ions.
Lors de l’ajout du cyanure (inhibitrice de la production de l’énergie) : le gradient de concentration disparait et les deux ions ont la même concentration des deux côtés de la membrane plasmique de la cellule.

Déduction : L’échange des ions Na+ et K+ entre la cellule et le milieu extérieur se fait en présence de l’énergie : C’est le transport actif Ce transport est assuré par la présence de transport spécifiques appelés les pompes sodium/potassium dont le fonctionnement nécessite la consommation de molécules énergétiques (ATP)

Mécanismes et structures responsables de l’absorption de l’eau et des sels minéraux

L'absorption de l'eau et sels minéraux (sève brute) se fait au niveau des racines et fait intervenir des structures spécifiques

Mise en évidence du rôle des poils absorbants

Expérience de Rosène

On met en culture des graines de radis, on les laisse pousser pour obtenir de jeunes plants. Les étapes de l’expérience sont présentées ci-dessous : La croissance du plant n’est possible que lorsque la zone pilifère est immergée dans l’eau Déduction : l’absorption de l’eau et solutés se fait par les poils absorbants

Les structures responsables de l'absorption

Les poils absorbants

Structure des poils absorbants

Poil absorbant : Cellule doté d’un prolongement très important permettant une grande surface de contact avec la solution du sol

Mesure de la pression osmotique au niveau de la racine

Les valeurs de la pression osmotiques permettent de déterminer les différents mécanismes et principes intervenant dans l’absorption de l’eau et des sels minéraux

Absorption de l’eau :

L’augmentation progressive de la pression osmotique au niveau du cortex permet le passage d’eau suivant le principe d’osmose, alors qu’en sortant du cortex vers cylindre conducteur, la pression chute ce qui empêche l’absorption de l’eau par osmose qui va être remplacée par le transport actif

Absorption des solutés (sels minéraux)

Se fait toujours par transport actif

Rôle de la transpiration dans l’acheminement de la sève brute
- Expérience de Hales 1727

On fait planter une racine de vigne coupée à la basse de la tige, on la relie à un manomètre à mercure pour mesurer la pression Résultats : Montée du mercure dans le manomètre Déduction : les parties aériennes de la plante appliquent une pression sur la racine permettant la montée de la sève brute (eau et sels minéraux absorbés de la part des poils absorbants) : La pression radiculaire en relation avec l’action des parties aérienne de la plante et la transpiration (au niveau des feuilles)

Rôle de la l'appel foliaire dans l’acheminement de la sève brute

Pour mettre en évidence la relation entre la pression radiculaire et la transpiration, on propose la manipulation présentée dans la figure suivante : Remarque : la différence entre les deux plantes est juste au niveau du nombre des feuilles (la deuxième ayant moins de feuilles) Résultats : après 20min du début de la manipulation le niveau d’eau douce diminue dans les deux cas mais cette diminution est plus grande chez la plante 1 (avec plus de feuilles) Déduction : les feuilles sont le siège de la transpiration (perte d’eau vers le milieu extérieur), une partie d’eau absorbée de la part des raines est acheminée vers les feuilles pour la transpiration : c’est l’appel foliaire responsable de la pression radiculaire. Cet appel foliaire permet l’acheminement de l’eau et aussi des solutés (la sève brute)

La paroi squelettique :

L’une des caractères spécifiques des cellules végétales. Vue son enrichissement en pectine (protéine) et cellulose (sucre) on la qualifie aussi de paroi pectocellulosique ou aussi squelettique. Les figures ci-dessous présentent la structure de cette paroi La structure de la paroi squelettique ne permet le passage de l’eau (et sève brute) qu’à travers de très fins canaux de connexion entre les différentes cellules : les plasmodesmes.

La membrane plasmique :

Présente chez toutes les cellules animales ou végétale, constituée essentiellement de phospholipides, sucre, et protéines. Structure : au microscope photonique cette membrane apparait sous forme de ligne entourant la cellule Ultrastructure : au microscope électronique, la membrane plasmique se présente sous forme de deux bandes sombres séparées d’une bande claire. Afin d’interpréter l’ultrastructure de cette membrane, plusieurs modèles ont été proposé, parmi lesquels : Le modèle de Davson-Danielli a été infirmé par l’impossibilité de l’échange d’eau entre la cellule et le milieu extérieur à cause des pôles hydrophobes des phospholipides Le modèle de Singer-Nicholson permet de déterminer le mode des échanges hydriques entre les cellules à travers la membrane plasmique du fait de la présence des protéines intrinsèques formant des structures perméables à l’eau. Ce modèle est qualifié de « mosaïque fluide » du fait que les constituants de la membrane plasmique ont la particularité de pouvoir se déplacer le long de la membrane et ainsi assurer les différents types d’échanges entre la cellule et son milieu extérieur.