Les échanges gazeux chlorophylliens et la production de la matière organique

Introduction

En plus de l’eau et les sels minéraux, les plantes ont besoin du CO2 présent dans l’atmosphère pour produire leur propre matière organique. Les plantes libèrent aussi O2, ce sont les échanges gazeux chlorophylliens.

Comment se font les échanges gazeux chlorophylliens ?
Quels sont les types de matières organiques produites par les plantes ?

I – La mise en évidence de l’absorption de CO2 par les plantes

Pour mettre en évidence les échanges gazeux chlorophylliens, on propose l’étude des expériences suivantes.

Expérience 1 :
- Le rouge de crésol est un colorant qui devient jaune dans un milieu riche en CO2 et violet dans un milieu pauvre en CO2.
- L’élodée : est une plante aquatique chlorophyllienne.

Expérience 2 :

Q – Que peut-on déduire de l’analyse des résultats de ces expériences ?

R –

Expérience 1 :
- On constate que :
  - Dans le tube 1 : tube témoin, la couleur du rouge de crésol ne change pas.
  - Dans le tube 2 : à l’obscurité la couleur du rouge de crésol ne change pas.
  - Dans le tube 3 : à la lumière le rouge de crésol devient violet.
- Donc à la lumière l’élodée absorbe du CO2, ce qui induit le changement de la couleur du rouge de crésol.
Expérience 2 :
- On constate qu’à la lumière l’élodée produit O2.

Bilan : à la lumière, les plantes chlorophylliennes absorbent le CO2 et libèrent O2, ce sont les échanges gazeux chlorophylliens.

II – Les facteurs influençant les échanges gazeux chlorophylliens

1 – Influence de la concentration externe de CO2 et de la température

La figure suivante présente deux graphiques :

A : Le taux de CO2 absorbé en UA en fonction du taux de CO2 dans l’air.
B : le taux de CO2 absorbé en UA en fonction de la température en (°C).

Q – Que peut-on déduire de l’analyse de chaque graphe.

R-

Graphique A :
- Analyse :
  - On observe que le taux de CO2 absorbée par la plante est nulle quand la [CO] externe est nulle, il augmente avec l’augmentation de la [CO] externe, et devient constant dans des concentrations élevées de CO2 externe.
  - La saturation du taux de CO2 absorbée s’explique par le fait que la plante atteint sa capacité maximale d’absorption de CO2.
Graphique B :
- Analyse :
  - À 30 °C, l’absorption de CO2 est maximale, c’est la température optimale pour ces plantes.
  - Lorsque la température diminue en dessous, ou augmente au-dessus, de la température optimale, l’absorption de CO2 diminue jusqu’au son arrêt.
Conclusion : la concentration externe du CO2 et la température ambiante influencent les échanges gazeux chlorophylliens.

2 – Influence de l’intensité lumineuse

On dispose des plantes chlorophylliennes à une intensité lumineuse croissante, en présence de CO2 et dans une température ambiante optimale. Ensuite on mesure la concentration de CO2 absorbé pour chaque intensité lumineuse, les résultats sont représentés sur le graphique A de la figure suivante.

Le graphique B présente une comparaison entre la tomate et la fougère.

Q – Analyser et interpréter ces résultats

R-

Graphique A :
- Avant C (le point de compensation) : les valeurs du taux de CO2 absorbé sont négatifs, la plante libère CO2 par respiration.
- Entre C et S (point de saturation), le de CO2 absorbé augmente avec l’augmentation de l’intensité lumineuse.
- Après S, le taux de CO2 absorbé devient constant, et cela s’explique par la saturation de la plante.
Graphique B : On distingue deux types de plantes qui diffèrent par les valeurs de C et S :
- Plantes d’ombre : atteignent les points C et S en une faible intensité lumineuse, et elles sont négativement influencées par les intensités lumineuses élevées.
- Plante de soleil : atteignent les points C et S en une intensité lumineuse élevée.

III – Les structures responsables des échanges gazeux chlorophylliens

1 – Mise en évidence de ces structures

Pour mettre en évidence les structures responsables des échanges gazeux, on utilise le chlorure de cobalt dont la couleur est bleue dans un milieu sec et rose dans un milieu humide.

La figure suivant présente l’expérience et ses résultats.

Q – Interprétez les résultats de cette expérience.

R – On observe des ponctuations roses sur le papier imbibé de chlorure de Cobalt, ces ponctuations sont dues à la sortie de la vapeur d’eau (transpiration) par des trous qui se situent sur les faces des feuilles vertes (les stomates).

Les stomates, structures responsables des échanges gazeux, sont plus abondants sur la face inférieure des feuilles des plantes vertes.

2 – Structure des stomates

La figure suivante présente une observation microscopique de l’épiderme de la face inférieure d’une feuille de plante verte (A), et deux schémas d’interprétation des stomates (B, C).

Les stomates sont constitués de :

Deux cellules stomatiques riches en chloroplastes.
Un ostiole.
Une chambre sous stomatique en liaison avec l’atmosphère par l’ostiole.

3 – Mécanisme d’ouverture et de fermeture des stomates

Pour comprendre le phénomène d’ouverture et de fermeture des stomates, la concentration des ions de potassium a été mesurée à l’intérieur des cellules stomatiques et à l’intérieur des cellules avoisinantes. Les résultats sont représentés dans le tableau suivant.

	Concentration des ions K+
Stomate ouvert	+++	+
Stomate fermé	+	+++

Q – En vous basant sur l’analyse du tableau, expliquez le mécanisme d’ouverture et de fermeture des stomates.

R-

Dans le cas d’un stomate ouvert : la concentration des ions K+ dans les cellules stomatiques et supérieur à celle dans les cellules avoisinantes, et donc la pression osmotique dans les cellules stomatiques est supérieure. Ce qui provoque l’entrée de l’eau dans les cellules stomatiques et leur turgescence.
Dans le cas d’un stomate fermé : la concentration des ions K+ dans les cellules stomatiques est inférieure à celles des cellules avoisinantes. Ce qui provoque la turgescence des cellules avoisinantes et la plasmolyse des cellules stomatiques.

Remarque : le taux d’ouverture des stomates est influencé par les conditions climatiques suivants : la température, l’humidité relative, l’intensité lumineuse.

IV – Production de la matière organique par les plantes

1 – La mise en évidence de la production de l’amidon

On éclaire une plante verte (pélargonium) pendant 12 heures et dans des conditions différentes. Le tableau suivant montre les étapes et les résultats obtenus.

Q – Analysez ces résultats, que peut-on déduire ?

R – Analyse : On remarque qu’après traitement des feuilles avec le Lugol (Eau iodée) :

La feuille normale est totalement colorée en bleu-noir.
La partie cachée de la feuille 2 ne change pas sa couleur.
Les parties non vertes des plantes panachées sont restées incolores.
La feuille mise dans un sac sans CO2 est resté incolore.

Conclusion : La synthèse de la matière organique se réalise uniquement dans les régions vertes des feuilles en présence de la lumière et du CO2.

2 – La nature chimique de la matière organique produite par les plantes

a – Les glucides

Les glucides sont constitués de 3 éléments essentiels : le carbone, l’hydrogène et l’oxygène. Les glucides sont classés en :

Oses : ce sont les monosaccharides. Ils sont constitués par de simples molécules comme le glucose, le fructose…
Osides : ce sont des molécules dont l’hydrolyse fournit 2 ou plusieurs molécules d’oses. Ces oses sont identiques ou différents. On peut citer comme exemple d’osides :
- Disaccharides : constitués par seulement deux oses : Maltose, saccharose…
- Polysaccharides : constitués par plusieurs oses : amidon, glycogène…

La figure suivante présente des exemples de glucides.

b – Les lipides

Ce sont des molécules organiques insolubles dans l’eau et solubles dans les solvants organiques apolaires comme le benzène, chloroforme…

Ils sont caractérisés par la présence dans la molécule d’au moins un acide gras ou chaîne grasse.

Exemple : la figure suivante présente la formule chimique de l’huile d’olive.

C’est un triglycéride formé par la liaison de trois acides gras au glycérol.

La formation des lipides se fait par la réaction d’estérification entre un acide gras et un alcool.

c – Les protéines

Les protéines sont formées essentiellement de quatre éléments : C, H, O et N. Les protéines sont des polymères d’acides aminés.

Les acides aminés : sont au nombre d’une vingtaine dans la matière vivante. La figure suivante présente deux exemples d’acides aminés.

Les polypeptides : ils résultent de l’union de plusieurs acides aminés. Ces derniers se lient entre eux par une liaison peptidique. La figure suivante montre la réaction de formation d’une liaison peptidique entre deux acides aminés.

Les protéines : les protéines sont des macromolécules biologiques présentes dans toutes les cellules vivantes. Elles sont formées d’une ou plusieurs chaînes polypeptidiques. Chacune de ces chaînes est constituée de l’enchaînement d’acides aminé liés entre eux par des liaisons peptidiques.