Karamö, le prof virtuelLeçon 9 sur 13
Facteurs influençant la photosynthèse et importance de la photosynthèse
Je sais expliquer comment la lumière, le CO2, la température et l'eau font varier l'intensité de la photosynthèse, identifier un facteur limitant, et montrer pourquoi la photosynthèse est vitale pour la planète et pour la Guinée.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 4 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire et interpréter l'effet de l'éclairement, de la teneur en CO2, de la température et de l'eau sur l'intensité de la photosynthèse
- Appliquer la loi des facteurs limitants à des courbes et à des tableaux
- Citer les applications agricoles de ces connaissances
- Expliquer l'importance de la photosynthèse pour l'alimentation, l'atmosphère, l'énergie et le climat
Avant de commencer : La photosynthèse (équation, pigments, phases claire et sombre) ; les échanges gazeux chlorophylliens ; la nutrition minérale.
1Je découvre
À Kankan, Sékou et sa sœur Mariama préparent un exposé. Ils comparent deux jardins maraîchers. Dans le premier, au bord du Milo, les planches de salade reçoivent de l'eau matin et soir et un peu d'ombre à midi grâce à des branches de palmier. Dans le second, sur un sol sec, loin de l'eau, les mêmes salades sont petites et dures.
Puis ils se rendent dans un champ de maïs d'un ami de leur père. Il a bien arrosé, mis de l'engrais… et pourtant, dans la partie du champ plantée trop serrée, sous l'ombre des manguiers, les épis sont petits.
« L'eau, l'engrais, la lumière, la chaleur… dit Mariama. Chaque fois qu'il manque une seule chose, toute la production baisse. »
Sékou ajoute : « Et si les plantes produisent moins, ce n'est pas seulement le jardinier qui y perd : tout ce que nous mangeons, même la viande et le lait, vient au départ de la photosynthèse. »
Quels facteurs font varier l'intensité de la photosynthèse, comment les combiner pour mieux produire, et pourquoi la photosynthèse est-elle si importante ?
2Je comprends
1. Mesurer l'intensité de la photosynthèse
L'intensité photosynthétique est la quantité de O2 dégagée (ou de CO2 absorbée, ou de matière sèche produite) par unité de temps et par unité de masse ou de surface de feuille. Un moyen simple est de compter les bulles de O2 dégagées par minute par un rameau d'élodée (plante aquatique) dans l'eau : on fait varier un seul facteur à la fois, les autres restant constants.
2. L'éclairement (intensité lumineuse)
Quand l'éclairement augmente, l'intensité photosynthétique :
- est nulle à l'obscurité (il n'y a que la respiration) ;
- augmente d'abord à peu près proportionnellement à l'éclairement ;
- puis augmente de moins en moins et atteint un plateau : c'est la saturation lumineuse. Au-delà, plus de lumière ne sert à rien ; une lumière trop forte peut même abîmer les pigments.
Toutes les plantes n'ont pas les mêmes besoins : les plantes de lumière (maïs, riz, mil) supportent le plein soleil ; les plantes d'ombre (plants de caféier en pépinière, plantes du sous-bois de la forêt de Guinée forestière) saturent à un éclairement plus faible.
La qualité de la lumière compte aussi : le bleu et le rouge sont efficaces, le vert l'est peu (leçon sur la photosynthèse).
3. La teneur en CO2
L'air contient très peu de CO2 (environ 0,04 %). Quand on augmente la teneur en CO2 (à éclairement fort et constant), l'intensité photosynthétique augmente, puis atteint un plateau. À des teneurs très élevées, le CO2 devient toxique et fait fermer les stomates. Dans les conditions naturelles, par une journée ensoleillée, le CO2 est souvent le facteur limitant : c'est pourquoi certains producteurs sous serre, dans les pays qui en utilisent, enrichissent l'air en CO2.
4. La température
La photosynthèse (surtout la phase sombre) repose sur des enzymes, comme la rubisco. Or l'activité des enzymes dépend de la température :
- à basse température, les réactions sont lentes ;
- l'intensité augmente jusqu'à une température optimale (souvent entre 25 et 35 °C pour les plantes tropicales) ;
- au-delà, elle chute rapidement : les enzymes sont abîmées et, par forte chaleur, les stomates se ferment pour limiter les pertes d'eau.
5. L'eau et les éléments minéraux
- L'eau est un réactif de la photosynthèse, mais c'est surtout par les stomates qu'elle agit : quand la plante manque d'eau (saison sèche, harmattan), elle ferme ses stomates, le CO2 n'entre plus et la photosynthèse s'effondre.
- Les ions minéraux : l'azote et le magnésium entrent dans la chlorophylle ; une carence réduit la quantité de pigments, donc la photosynthèse.
- Des facteurs internes jouent aussi : quantité de chlorophylle, âge et surface des feuilles, nombre de stomates.
6. La loi des facteurs limitants
Quand plusieurs facteurs agissent en même temps, l'intensité de la photosynthèse est réglée par le facteur qui est le plus en défaut : c'est la loi des facteurs limitants (énoncée par Blackman en 1905). Augmenter un autre facteur ne sert à rien tant que le facteur limitant n'est pas corrigé.
Interprétation d'un graphique. On mesure l'intensité photosynthétique en fonction de l'éclairement, pour deux teneurs en CO2 :
- Aux faibles éclairements, les deux courbes sont presque confondues : augmenter le CO2 ne change presque rien ; c'est la lumière qui est limitante.
- Aux forts éclairements, chaque courbe atteint un plateau, et le plateau est plus haut avec plus de CO2 : la lumière n'est plus limitante, c'est le CO2 qui limite.
Méthode
Pour trouver le facteur limitant sur un graphique ou un tableau :
- Je repère le facteur qui varie sur l'axe horizontal et les facteurs fixés pour chaque courbe.
- Dans la partie montante d'une courbe : le facteur en abscisse est limitant (l'augmenter augmente la photosynthèse).
- Sur le plateau : ce facteur n'est plus limitant ; un autre facteur (fixé) limite.
- Je compare les courbes : si leurs plateaux diffèrent, le facteur qui les distingue était limitant sur le plateau.
Exemple
On mesure le nombre de bulles de O2 par minute dégagées par un rameau d'élodée, à 25 °C.
Éclairement faible, CO2 faible : 8 ; éclairement faible, CO2 élevé : 9.
Éclairement fort, CO2 faible : 14 ; éclairement fort, CO2 élevé : 32.
Quel est le facteur limitant dans chaque situation ?
À éclairement faible, doubler le CO2 ne change presque rien (8 → 9) : la lumière est limitante.
À éclairement fort, enrichir en CO2 fait passer de 14 à 32 : avec un CO2 faible et beaucoup de lumière, c'est le CO2 qui était limitant.
Quand les deux facteurs sont élevés : 32 bulles, soit 32 ÷ 8 = 4 fois plus que dans la situation de départ. Il faut corriger tous les facteurs limitants pour obtenir la meilleure production.
7. Applications agricoles
Connaître ces facteurs permet d'améliorer les rendements :
- Densité de semis adaptée : des plants trop serrés se font de l'ombre ; trop espacés, ils perdent de la lumière utile au sol.
- Irrigation et maîtrise de l'eau (bas-fonds aménagés, arrosage des cultures maraîchères de contre-saison) pour garder les stomates ouverts.
- Fertilisation équilibrée (azote, magnésium…) pour une bonne teneur en chlorophylle.
- Calendrier cultural : semer au début de l'hivernage pour que la croissance coïncide avec l'eau disponible.
- Ombrage pour les plantes d'ombre (pépinières de caféier, cacaoyer).
- Lutte contre les mauvaises herbes, qui concurrencent les cultures pour la lumière, l'eau et les ions.
8. L'importance de la photosynthèse
a) Source de toute la matière organique. La photosynthèse est la seule grande voie par laquelle la matière minérale devient matière organique. Les végétaux chlorophylliens sont les producteurs primaires : toutes les chaînes alimentaires partent d'eux. Le riz, le fonio, le manioc, les fruits, mais aussi la viande de bœuf, le lait ou le poisson du fleuve proviennent, au départ, de la photosynthèse.
- 1Énergie lumineuse du soleil
- 2Photosynthèse des plantes vertes et des algues : producteurs
- 3Herbivores (bœuf, mouton, criquet, poissons herbivores) : consommateurs primaires
- 4Carnivores et être humain : consommateurs secondaires
- 5Décomposeurs : la matière organique redevient minérale (CO2, eau, ions)
b) Source du dioxygène. Le O2 de l'air que nous respirons a été produit par la photosynthèse des plantes et des algues. La photosynthèse compense la consommation de O2 par la respiration des êtres vivants et par les combustions.
c) Régulation du CO2 et du climat. En fixant le CO2, les plantes retirent de l'atmosphère un gaz à effet de serre. Les forêts, comme celles de Guinée forestière, et les mangroves du littoral stockent de grandes quantités de carbone : ce sont des puits de carbone. Les feux de brousse et la déforestation, au contraire, rejettent ce carbone dans l'air.
d) Source d'énergie et de matériaux. Le bois de chauffe et le charbon de bois, très utilisés dans les foyers guinéens, sont de l'énergie solaire stockée par la photosynthèse. Le charbon, le pétrole et le gaz naturel sont eux aussi issus de matière organique produite par la photosynthèse il y a des millions d'années (énergies fossiles). La photosynthèse fournit aussi des fibres (coton), du bois d'œuvre, des huiles, des médicaments.
3Je retiens
Je retiens
L'intensité photosynthétique dépend de l'éclairement, de la teneur en CO2, de la température, de l'eau, des ions minéraux et de la chlorophylle.
Éclairement et CO2 : augmentation puis plateau (saturation). Température : optimum (souvent 25 à 35 °C pour les plantes tropicales), puis chute.
Le manque d'eau fait fermer les stomates et bloque l'entrée du CO2.
Loi des facteurs limitants (Blackman, 1905) : la photosynthèse est réglée par le facteur le plus en défaut.
Applications : densité de semis, irrigation, fertilisation, calendrier cultural, ombrage, désherbage.
Importance : base de toutes les chaînes alimentaires, source du O2 atmosphérique, puits de carbone (forêts, mangroves), origine du bois et des énergies fossiles.
4Erreurs fréquentes
- Croire que plus de lumière donne toujours plus de photosynthèse : au-delà de la saturation, la production n'augmente plus.
- Penser que la chaleur favorise toujours la photosynthèse : au-dessus de l'optimum, elle diminue fortement.
- Changer plusieurs facteurs à la fois dans une expérience : on ne peut plus savoir lequel est responsable du résultat.
- Dire que la photosynthèse n'est utile qu'aux plantes : toute l'alimentation humaine et le O2 que nous respirons en dépendent.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Cite cinq facteurs qui influencent l'intensité de la photosynthèse.
b) Énonce la loi des facteurs limitants.
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a) L'éclairement (intensité et couleur de la lumière), la teneur en CO2, la température, la disponibilité en eau, les ions minéraux (azote, magnésium), la quantité de chlorophylle.
b) Lorsque plusieurs facteurs agissent sur la photosynthèse, son intensité est réglée par le facteur qui est le plus en défaut, appelé facteur limitant ; augmenter les autres facteurs n'augmente pas la photosynthèse tant que ce facteur n'est pas corrigé.
2Exercice 2
On mesure le dégagement de O2 (en unités relatives) par un rameau d'élodée à différentes températures, à éclairement et CO2 constants.
| Température (°C) | 10 | 20 | 30 | 40 | 45 |
|---|---|---|---|---|---|
| Dégagement de O2 | 6 | 14 | 20 | 9 | 2 |
a) Décris l'évolution du dégagement de O2.
b) Quelle est la température optimale dans cette expérience ?
c) Explique la chute au-delà de 30 °C.
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a) Le dégagement de O2 augmente de 6 à 20 unités entre 10 et 30 °C, puis chute à 9 à 40 °C et à 2 à 45 °C.
b) La température optimale est d'environ 30 °C (valeur la plus élevée mesurée).
c) La photosynthèse repose sur des enzymes ; au-delà de l'optimum, la chaleur les abîme et elles fonctionnent de moins en moins bien, d'où la chute rapide.
3Exercice 3
Explique pourquoi, en pleine saison sèche, un champ non irrigué produit très peu, même s'il reçoit un ensoleillement très fort.
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En saison sèche, le sol manque d'eau : les plantes ferment leurs stomates pour ne pas se dessécher. Le CO2 n'entre plus dans les feuilles ; la photosynthèse est alors limitée par le CO2 (et par l'eau), et la forte lumière ne peut pas être utilisée. De plus, la chaleur excessive peut dépasser l'optimum. La production est donc très faible.
4Exercice 4
Cite quatre raisons qui montrent l'importance de la photosynthèse pour les habitants de la Guinée.
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La photosynthèse fournit toute la nourriture (riz, fonio, manioc, fruits, et indirectement la viande, le lait, le poisson) ; elle produit le dioxygène que nous respirons ; elle fournit le bois de chauffe et le charbon de bois, principales sources d'énergie de nombreux foyers ; les forêts et mangroves fixent le CO2 et participent à la régulation du climat ; elle fournit aussi des matériaux (bois, fibres) et des médicaments.
5Exercice 5
(Type examen) On mesure l'intensité photosynthétique (en mg de CO2 absorbé par dm² de feuille et par heure) d'une plante de maïs, selon l'éclairement et la teneur en CO2, à 30 °C.
| Éclairement (unités) | 0 | 10 | 20 | 40 | 60 | 80 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Air à 0,04 % de CO2 | 0 | 12 | 22 | 30 | 31 | 31 |
| Air à 0,1 % de CO2 | 0 | 13 | 24 | 42 | 52 | 53 |
a) Décris l'évolution de l'intensité photosynthétique dans l'air à 0,04 % de CO2.
b) Entre 0 et 20 unités d'éclairement, quel est le facteur limitant ? Justifie.
c) Au-delà de 40 unités, quel est le facteur limitant dans l'air à 0,04 % ? Justifie.
d) Calcule, pour un éclairement de 80, l'augmentation en pourcentage due à l'enrichissement en CO2.
e) Pourquoi ces valeurs sont-elles nulles à éclairement 0 alors que la plante respire ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) L'intensité augmente de 0 à 30 mg entre 0 et 40 unités d'éclairement, puis se stabilise autour de 31 mg (plateau).
b) La lumière : entre 0 et 20 unités, l'intensité augmente avec l'éclairement, et les deux teneurs en CO2 donnent presque les mêmes valeurs (12 et 13 ; 22 et 24) : enrichir en CO2 ne sert presque à rien.
c) Le CO2 : dans l'air à 0,04 %, l'intensité ne dépasse plus 31 malgré l'augmentation de l'éclairement, alors qu'elle monte jusqu'à 53 dans l'air enrichi. C'est donc la teneur en CO2 qui limite.
d) (53 − 31) ÷ 31 × 100 = 22 ÷ 31 × 100 ≈ 71 %.
e) Ces valeurs mesurent la photosynthèse (absorption de CO2) ; à l'obscurité, il n'y a pas de photosynthèse. La respiration existe, mais elle rejette du CO2 au lieu d'en absorber : elle n'est pas comptée ici (les valeurs sont des intensités de photosynthèse, et non des échanges nets).
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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