Karamö, le prof virtuelLeçon 6 sur 13
La photosynthèse
Je sais définir la photosynthèse, écrire son équation bilan, situer son siège (le chloroplaste) et expliquer le rôle des pigments qui captent la lumière.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 3 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir la photosynthèse et écrire son équation bilan équilibrée
- Retracer les grandes expériences historiques qui ont permis de la découvrir
- Décrire le chloroplaste et les pigments chlorophylliens (chromatographie)
- Interpréter le spectre d'absorption de la chlorophylle et l'expérience d'Engelmann
Avant de commencer : Les besoins nutritifs des végétaux ; l'absorption de l'eau et du CO2 ; notions de chimie (formule, masse molaire, équation équilibrée).
1Je découvre
Au bord du fleuve Niger, à Faranah, Mariama observe les rizières en pleine saison des pluies. En quelques semaines, les jeunes plants repiqués, hauts d'une main, sont devenus une mer verte qui lui arrive à la taille. Plus tard, chaque touffe portera des panicules lourdes de grains.
Elle se souvient de la leçon sur les besoins nutritifs : le riz ne prend dans le sol que de l'eau et quelques ions minéraux. Et pourtant, un grain de riz contient surtout de l'amidon, une substance organique faite de carbone, d'hydrogène et d'oxygène.
Son camarade Alpha propose : « Le carbone vient du CO2 de l'air, on l'a vu. Mais un gaz invisible et une goutte d'eau, ça ne fait pas un grain de riz tout seul ! Il faut bien une usine quelque part, et de l'énergie pour la faire tourner. »
Mariama regarde le soleil qui brille sur les feuilles d'un vert éclatant.
Comment la plante verte transforme-t-elle du CO2 et de l'eau en matière organique, où cela se passe-t-il, et quel est le rôle de la lumière et de la couleur verte ?
2Je comprends
1. Une découverte en plusieurs étapes
La photosynthèse a été comprise peu à peu, grâce à des expériences célèbres.
- Van Helmont (XVIIe siècle) plante un jeune saule dans un pot de terre pesée et l'arrose seulement d'eau pendant cinq ans. L'arbre gagne plusieurs dizaines de kilogrammes, alors que la terre n'a presque pas perdu de masse. Il en conclut, à tort, que la plante est faite seulement d'eau : il ignorait le rôle de l'air.
- Priestley (1771) enferme une bougie sous une cloche : elle s'éteint, l'air est « vicié ». S'il place un pied de menthe sous la cloche, l'air redevient capable d'entretenir la flamme ou de faire vivre une souris : la plante régénère l'air.
- Ingenhousz (1779) montre que ce phénomène n'a lieu qu'à la lumière et seulement par les parties vertes.
- Senebier (vers 1782) montre que la plante absorbe le « gaz carbonique » (CO2) et rejette de l'oxygène.
- De Saussure (1804) montre par des pesées que l'eau participe aussi à la formation de la matière de la plante.
- 1Van Helmont (XVIIe siècle) : le saule grossit sans que la terre perde de masse
- 2Priestley (1771) : la plante « répare » l'air vicié par une bougie
- 3Ingenhousz (1779) : cela ne se fait qu'à la lumière, par les parties vertes
- 4Senebier (vers 1782) : la plante absorbe le CO2 et rejette de l'O2
- 5De Saussure (1804) : l'eau participe aussi à la synthèse de la matière
2. Définition et équation bilan
La photosynthèse est la synthèse de matière organique (glucides) à partir de matière minérale (dioxyde de carbone et eau), réalisée par les cellules chlorophylliennes grâce à l'énergie lumineuse, avec dégagement de dioxygène.
Le premier glucide stable formé est un sucre à six carbones, le glucose (C6H12O6). L'équation bilan simplifiée est :
6 CO2 + 6 H2O xrightarrow[chlorophylle]lumière C6H12O6 + 6 O2
Vérifions l'équilibre : à gauche, 6 C, 12 H et 6 × 2 + 6 = 18 O ; à droite, 6 C, 12 H et 6 + 6 × 2 = 18 O.
La photosynthèse est une conversion d'énergie : l'énergie lumineuse est transformée en énergie chimique, stockée dans les liaisons des molécules organiques. C'est cette énergie que nous récupérons quand nous mangeons du riz ou du fonio, ou quand on brûle du bois de chauffe.
Exemple
Calcule la masse de CO2 absorbée et la masse de O2 rejetée quand une plante fabrique 1 kg de glucose. (C = 12 ; H = 1 ; O = 16, en g/mol.)
M(CO2) = 12 + 2 × 16 = 44 g/mol ; M(C6H12O6) = 6 × 12 + 12 × 1 + 6 × 16 = 180 g/mol ; M(O2) = 32 g/mol.
Pour 1 mole de glucose (180 g) : 6 × 44 = 264 g de CO2 absorbés et 6 × 32 = 192 g de O2 rejetés.
Pour 1 000 g de glucose : CO2 = 264 × 1 000 ÷ 180 ≈ 1 467 g, soit environ 1,47 kg ; O2 = 192 × 1 000 ÷ 180 ≈ 1 067 g, soit environ 1,07 kg.
Vérification avec l'eau : 6 × 18 = 108 g d'eau pour 180 g de glucose ; 264 + 108 = 372 = 180 + 192.
3. Le siège de la photosynthèse : le chloroplaste
Dans une cellule du parenchyme palissadique, on observe au microscope de nombreux petits organites verts, de quelques micromètres : les chloroplastes. Au microscope électronique, un chloroplaste montre :
- une double membrane (enveloppe) ;
- un liquide intérieur, le stroma ;
- un système de sacs aplatis, les thylakoïdes, empilés par endroits en grana (un granum, des grana) ; c'est dans la membrane des thylakoïdes que se trouvent les pigments ;
- souvent des grains d'amidon dans le stroma, là où l'amidon est mis en réserve temporaire.
Une cellule sans chloroplastes (cellule de racine, épiderme d'oignon) ne fait pas de photosynthèse.
4. Les pigments chlorophylliens
La couleur verte des feuilles cache en réalité plusieurs pigments. On le montre par chromatographie :
Méthode
Pour séparer les pigments d'une feuille par chromatographie sur papier :
- Je broie des feuilles vertes (épinard, amarante, feuille de patate douce) avec un peu de sable et d'alcool (ou d'acétone) : j'obtiens une solution verte, la « solution de chlorophylle brute ».
- Je dépose une petite tache de cette solution à 2 cm du bas d'une bande de papier filtre, je la sèche, puis je recommence plusieurs fois.
- Je place la bande dans un tube contenant un peu de solvant, sans que la tache trempe dedans.
- Le solvant monte par capillarité et entraîne les pigments plus ou moins vite : ils se séparent en bandes colorées.
- J'identifie les bandes, de haut en bas.
On obtient, du haut vers le bas :
| Pigment | Couleur | Famille |
|---|---|---|
| Carotènes | jaune orangé | caroténoïdes |
| Xanthophylles | jaune | caroténoïdes |
| Chlorophylle a | vert bleuté | chlorophylles |
| Chlorophylle b | vert jaunâtre | chlorophylles |
Les chlorophylles sont les pigments principaux ; leur molécule contient un atome de magnésium (d'où les feuilles jaunes en cas de carence en magnésium). Les caroténoïdes les accompagnent ; ils deviennent visibles quand la chlorophylle se dégrade, par exemple dans les feuilles qui jaunissent en fin de saison ou dans la peau d'une mangue qui mûrit.
5. Quelles lumières sont absorbées ?
La lumière blanche du soleil est un mélange de couleurs (radiations de différentes longueurs d'onde, du violet vers 400 nm au rouge vers 700 nm), qu'on sépare avec un prisme.
Spectre d'absorption. Si l'on fait passer de la lumière blanche à travers une solution de chlorophylle avant le prisme, on voit que certaines couleurs disparaissent : la chlorophylle absorbe fortement le bleu-violet (vers 430-450 nm) et le rouge (vers 640-680 nm). Elle absorbe très peu le vert, qu'elle laisse passer ou renvoie : c'est pourquoi les feuilles nous paraissent vertes.
- Bleu-violet (vers 430-450 nm)
- Rouge (vers 640-680 nm)
- Énergie captée : photosynthèse intense
- Vert (vers 500-570 nm)
- Jaune (en partie)
- Lumière renvoyée : la feuille paraît verte
L'expérience d'Engelmann (1882). Engelmann éclaire un filament d'algue verte avec une lumière décomposée par un prisme : chaque partie du filament reçoit une couleur différente. Dans l'eau, il a mis des bactéries qui recherchent l'oxygène. Il observe que les bactéries s'accumulent autour des zones de l'algue éclairées en bleu et en rouge, et très peu autour de la zone éclairée en vert.
Exemple
Interprète l'expérience d'Engelmann.
Les bactéries se rassemblent là où il y a le plus d'oxygène.
L'oxygène est rejeté par la photosynthèse : les zones de l'algue qui en produisent le plus sont celles éclairées en bleu et en rouge.
Ce sont justement les couleurs que la chlorophylle absorbe le plus.
Conclusion : seule la lumière absorbée par les pigments est efficace pour la photosynthèse ; la lumière verte, peu absorbée, est peu efficace.
Le graphique de l'efficacité de la photosynthèse selon la couleur (le spectre d'action) a donc la même allure que le spectre d'absorption des pigments : ce sont bien eux qui captent l'énergie lumineuse.
6. Où la photosynthèse a-t-elle lieu dans la plante ?
Dans tous les organes verts : surtout les feuilles, organes spécialisés (larges, minces, riches en chloroplastes, percées de stomates, parcourues de nervures), mais aussi les jeunes tiges vertes et certains fruits verts. Les racines, le bois, les pétales colorés et les tubercules n'en font pas. La photosynthèse n'a lieu qu'à la lumière : la nuit, la plante ne fait que respirer.
- CO2 (air, par les stomates)
- Eau (sol, par la sève brute)
- Énergie lumineuse (captée par la chlorophylle)
- Glucose puis amidon, saccharose
- Dioxygène O2 rejeté dans l'air
- Énergie chimique stockée dans la matière organique
3Je retiens
Je retiens
Photosynthèse : synthèse de matière organique à partir de CO2 et d'eau, par les cellules chlorophylliennes, grâce à l'énergie lumineuse, avec dégagement de O2.
Équation bilan : 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2 (lumière, chlorophylle).
Elle convertit l'énergie lumineuse en énergie chimique.
Siège : le chloroplaste (enveloppe, stroma, thylakoïdes empilés en grana portant les pigments).
Pigments (chromatographie, de haut en bas) : carotènes, xanthophylles, chlorophylle a, chlorophylle b.
La chlorophylle absorbe surtout le bleu-violet et le rouge, très peu le vert.
Engelmann (1882) : la photosynthèse est la plus intense dans les lumières absorbées par la chlorophylle.
4Erreurs fréquentes
- Écrire une équation non équilibrée (par exemple CO2 + H2O → C6H12O6 + O2) : il faut 6 CO2, 6 H2O et 6 O2.
- Dire que la feuille est verte « parce qu'elle absorbe le vert » : c'est l'inverse, elle absorbe peu le vert et le renvoie.
- Penser que la photosynthèse remplace la respiration : la plante respire jour et nuit ; la photosynthèse s'ajoute, le jour seulement.
- Croire que toutes les cellules de la plante font la photosynthèse : seules les cellules à chloroplastes, éclairées, la réalisent.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Définis la photosynthèse.
b) Écris son équation bilan et vérifie qu'elle est équilibrée.
c) Nomme les parties d'un chloroplaste.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) La photosynthèse est la synthèse de matière organique (glucides) à partir de dioxyde de carbone et d'eau, par les cellules chlorophylliennes, grâce à l'énergie lumineuse, avec dégagement de dioxygène.
b) 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2 (lumière, chlorophylle). À gauche : 6 C, 12 H, 18 O ; à droite : 6 C, 12 H, 6 + 12 = 18 O. L'équation est équilibrée.
c) Enveloppe (double membrane), stroma, thylakoïdes (empilés en grana), grains d'amidon.
2Exercice 2
Une plantation de palmiers à huile fabrique en une journée l'équivalent de 540 kg de glucose. Calcule la masse de CO2 absorbée et la masse de O2 rejetée. (C = 12 ; H = 1 ; O = 16.)
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540 kg de glucose = 540 000 g ÷ 180 g/mol = 3 000 mol.
CO2 : 6 × 3 000 = 18 000 mol × 44 g/mol = 792 000 g = 792 kg.
O2 : 6 × 3 000 = 18 000 mol × 32 g/mol = 576 000 g = 576 kg.
3Exercice 3
Lors d'une chromatographie de pigments de feuille de manioc, on obtient quatre bandes : A (orangée, tout en haut), B (jaune), C (vert bleuté), D (vert jaunâtre, tout en bas).
a) Identifie chaque bande.
b) Pourquoi les feuilles de manioc qui vieillissent deviennent-elles jaunes ?
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a) A : carotènes ; B : xanthophylles ; C : chlorophylle a ; D : chlorophylle b.
b) Dans les feuilles âgées, la chlorophylle se dégrade la première ; les caroténoïdes (jaunes et orangés), qui étaient masqués par le vert, deviennent visibles.
4Exercice 4
Explique, à l'aide des notions d'absorption de la lumière, pourquoi une plante cultivée sous une lumière uniquement verte pousse très mal.
Voir le corrigéCacher le corrigé
La chlorophylle absorbe surtout le bleu et le rouge, et très peu le vert. Sous une lumière verte, les pigments ne captent presque pas d'énergie : la photosynthèse est très faible, la plante fabrique peu de matière organique et pousse mal.
5Exercice 5
(Type examen) On place des rameaux d'une plante aquatique (élodée) dans des tubes d'eau riche en CO2, éclairés chacun par une lumière de couleur différente, de même intensité. On compte le nombre de bulles d'oxygène dégagées par minute.
| Couleur de la lumière | Violet | Bleu | Vert | Jaune | Orangé | Rouge |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Bulles par minute | 22 | 30 | 4 | 8 | 17 | 28 |
a) Quel phénomène le dégagement de bulles traduit-il ? Justifie.
b) Dans quelles couleurs la photosynthèse est-elle la plus intense ? la plus faible ?
c) Compare ces résultats avec le spectre d'absorption de la chlorophylle.
d) Quelle expérience historique ces résultats rappellent-ils ? Quelle conclusion générale peut-on en tirer ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Les bulles sont du dioxygène rejeté par la plante ; ce rejet de O2 à la lumière traduit la photosynthèse.
b) Photosynthèse la plus intense : bleu (30 bulles/min) et rouge (28) ; la plus faible : vert (4).
c) Les résultats ont la même allure que le spectre d'absorption de la chlorophylle, qui présente deux maximums dans le bleu-violet et le rouge et un minimum dans le vert.
d) Ils rappellent l'expérience d'Engelmann (1882). Conclusion : la lumière efficace pour la photosynthèse est celle qui est absorbée par les pigments chlorophylliens ; ce sont eux qui captent l'énergie lumineuse.
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6Je vérifie
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