Production de la matière organique et flux d'énergie

Les végétaux chlorophylliens représentent le point de départ de toute chaîne alimentaire, ils sont des producteurs primaires capables de synthétiser la matière organique (substance indispensable au développement de tous les êtres vivants) à partir de la matière minérale ( eau, sels minéraux et dioxyde de carbone).

https://www.flickr.com/photos/121935927@N06/13578885414

– Quelles sont les mécanismes d’absorption de la matière minérale chez les plantes chlorophylliennes ?

– Comment se fait la synthèse de la matière organique chez les végétaux chlorophylliens?

1 – Mise en évidence des échanges d’eau chez les végétaux chlorophylliens.

1 – 1 – Expérience 1

 On découpe 6 morceaux de pomme de terre de même dimension ( 30 mm de long sur 1×1 cm2 de section), puis on distribue les morceaux dans des tubes à essai contenant une solution de saccharose de concentrations croissantes. Après une heure environ, on mesure la longueur de ces morceaux. Les résultats obtenus sont indiqués sur le tableau suivant :

1 – A partir de l’exploitation des données expérimentales, interpréter les résultats obtenus.

1- On observe que les morceaux de pomme de terre plongés dans une solution de saccharose de concentration inferieure à 0.2 mol/L ont une longueur qui augmente alors que ceux plongés dans une solution de saccharose de concentration supérieure à 0.2 mol/L ont une longueur qui diminue et les morceaux plongés dans une solution de saccharose de concentration égale à 0.2 mol/L ne varie pas.

Les morceaux de pomme de terre absorbent l’eau lorsqu’ils sont placés dans une solution de saccharose peu concentrée (< 0.2 mol/L), alors qu’ils perdent de l’eau lorsqu’ils sont placés dans une solution de saccharose très concentrée (> 0.2 mol/L).

1 – 2 – Expérience 2

 On prélève deux fragments d’épiderme supérieure d’oignon rouge :

  • Le premier plongé dans une solution concentrée de saccharose. (milieu 1)
  • Le deuxième plongé dans de l’eau distillée. (milieu 2)

Après quelques minutes, on monte chacun des fragments entre lame et lamelle dans une goutte de la solution correspondante, puis on observe les préparations sous microscope optique.

Les résultats obtenus sont indiqués sur les documents suivants:

Le document 1 montre les observations microscopiques des cellules des deux milieux alors que le document 2 montre des schémas de ces cellules.

Document 1

Document 2

http://svt.ac-dijon.fr/schemassvt/spip.php?article502

1 – Comparer les cellules d’épiderme supérieure d’oignon des deux milieux.

2 – Interpréter les résultats obtenus.

1- On observe que la cellule placée dans la solution de saccharose de concentration 0.6 mol/l, apparait avec une vacuole de couleur foncé, de petite taille et la membrane plasmique se décolle de la paroi pectocellulosique (reste attachée à la paroi au niveau de quelques points appelés plasmodesmes). On dit que la cellule est en état de plasmolyse. Alors que la cellule placée dans l’eau distillée, apparait avec une vacuole de couleur claire, de grande taille occupant presque tout le volume cellulaire et la membrane plasmique reste attachée à la paroi pectocellulosique. On dit que la cellule est en état de turgescence.

2 – On peut interpréter la plasmolyse de la cellule par la sortie de l’eau du milieu intérieur de la cellule vers la solution plus concentrée, tandis que la turgescence est due à  l’entrée d’eau dans la cellule.

Cet échange d’eau entre la cellule et le milieu extérieur est appelé osmose, et se fait depuis le milieu le moins concentré ( hypotonique) vers le milieu le plus concentré (hypertonique).

1 – 3 -La loi d’osmose

  • Expérience de Dutrochet 

On bouche l’extrémité évasée d’un entonnoir par une membrane semi-perméable, on le rempli par une solution de sulfate de cuivre puis on le plonge dans un cristallisoir contenant de l’eau distillée. on marque le niveau initial de la solution de sulfate de cuivre au début de l’expérience (t0) et le niveau final de la solution après une heure (t1). Le document suivant présente l’expérience et ses résultats.

1 – En exploitant l’expérience de Dutrochet, Interpréter les résultats obtenus.

1- On constate que le niveau de la solution de sulfate de cuivre monte dans le tube à entonnoir renversé et le niveau d’eau distillée dans le cristallisoir diminue.
Cela s’explique par le passage d’eau du cristallisoir (milieu hypotonique) vers l’
entonnoir (milieu hypertonique), à travers la membrane semi-perméable. Un tel passage est du à la force qui s’exerce sur la membrane semiperméable séparant deux solutions de concentrations différentes. Elle fait passer l’eau de la solution hypotonique vers la solution hypertonique jusqu’à ce que l’équilibre soit atteint (isotonie). Cette force est appelée pression osmotique.

On peut calculer la pression osmotique en appliquant la formule suivante :

                                                Po= R . C . T . i 
Po : Pression osmotique ( Pa )
R : Constante ou coefficient proportionnalité des gaz parfaits (= 0,082)
C : Concentration molaire (mol/l) 

              C=n/V  avec n=m/M 

V représente le volume (l)

n représente le nombre de mole (mol)

m représente la masse de l’échantillon (g)

M représente la masse molaire (g/mol)

T : Température absolue en °K  (T  = θ +273  avec θ  en °C)

i : Coefficient de dissociation ( nombre d’ions si le soluté est dissociable )

Bilan

Une cellule placée dans un milieu hypertonique dont la pression osmotique est plus forte que le pression intracellulaire, cela provoque la sortie de l’eau vers le milieu extracellulaire, et la cellule apparaît en état plasmolysé.

Une cellule placée dans un milieu hypotonique dont la pression osmotique est plus faible que le pression intracellulaire, cela provoque l’entrée de l’eau vers le milieu intracellulaire, et la cellule devient turgescente.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turgescence-et-plasmolyse-cellule-vegetale.png

2 – L’absorption des sels minéraux chez les végétaux chlorophylliens.

2 – 1 – Le phénomène de diffusion

On remplit un osmomètre de Dutrochet avec une solution de sulfate de cuivre puis on l’immerge dans un cristallisoir rempli d’eau distillée. Le document suivant montre les résultats suivants :

1 – En exploitant le document, Interpréter les résultats obtenus.

1- On constate que en temps t1 le niveau de la solution de sulfate de cuivre monte dans l’osmomètre et le niveau d’eau distillée dans le cristallisoir diminue.
Cela s’explique par le passage d’eau par osmose du cristallisoir (milieu hypotonique) vers l’entonnoir (milieu hypertonique), à travers la membrane perméable. Mais en temps t2 le niveau dans l’osmomètre redescend, le niveau d’eau dans le cristallisoir monte et devient bleue (couleur du sulfate de cuivre), ce qui indique le passage du sulfate de cuivre du milieu hypertonique ver le milieu hypotonique. Ce passage fait augmenter la pression osmotique du liquide dans le cristallisoir et donc la sortie d’eau de l’osmomètre et donc la diminution du niveau. A la fin de l’expérience, on atteint un équilibre entre la pression osmotique du liquide qui se trouve dans le cristallisoir et celui qui se trouve dans l’osmomètre ( isotonie).

Ce phénomène s’appelle la diffusion qui permet aux substances dissoutes de traverser librement la membrane cytoplasmique du milieu hypertonique au milieu hypotonique. C’est un transport passif sans apport d’énergie.

2 – 2 – La diffusion facilitée

On mesure la vitesse de diffusion d’une substance à travers la membrane plasmique (courbe 1) et à travers une membrane synthétique dépourvue des protéines membranaires (courbe 2), en fonction de sa concentration. Le document suivant montre les résultats obtenus.

1 – En exploitant le document, Interpréter les résultats obtenus.

1- On constate que la vitesse la diffusion à travers la membrane synthétique augmente avec l’augmentation de la concentration de la substance. Alors que la vitesse de diffusion à travers la membrane plasmique augmente rapidement avec l’augmentation de la concentration de la substance jusqu’à un maximum et reste constante. On peut l’expliquer par l’intervention des transporteurs membranaires (protéines) qui facilitent le transport de la substance. Lorsque tous les transporteurs sont saturés, la vitesse de transport devient maximale. On parle de la diffusion facilitée.

Si on dépose un fragment d’épiderme d’oignon non coloré dans une solution de rouge neutre à 1%, pH= 7,4, on s’aperçoit au bout de quelques temps que les vacuoles deviennent colorées. Si ensuite, on place le fragment coloré dans de l’eau, on constate qu’il n’y a pas sortie de rouge neutre quel que soit le temps.

  • Si on monte un fragment d’épiderme de Tulipe rouge dans une goutte d’une solution de formamide (H-CONH2) à 10%, on constate, au microscope, que les cellules se plasmolysent aussitôt, mais que cet état va en s’atténuant progressivement. En 2 à 5 minutes, la déplasmolyse spontanée est totale.
  • Si on dépose les cellules dans la solution saccharose, on constate qu’elles restent toujours plasmolysées. La quantité de saccharose absorbée est nulle ou négligeable.

1 – En exploitant ces données expérimentales, Interpréter les résultats obtenus.

1- Le rouge neutre ne traverse la membrane que dans un seul sens : sa diffusion est dite orientée. La membrane plasmique est donc perméable au rouge neutre, mais il s’agit d’une perméabilité à sens unique : perméabilité orientée.
La cellule absorbe lentement le formamide, et cette absorption entraîne le retour dans la vacuole d’une quantité équivalente d’eau : d’où la déplasmolyse constatée. on ne saurait donc parler de semi-perméabilité, mais de perméabilité différentielle.
L’absence d’absorption de saccharose montre que la perméabilité de la membrane est non seulement différentielle, mais aussi sélective.
Ainsi, les phénomènes physiques (osmose, diffusion) ne sauraient expliquer la pénétration des substances dissoutes dans la cellule.

2 – 3 – Le transport actif

Pour l’étude des échanges membranaires chez une espèce d’algue verte appelée Valonia ventricosa , on propose les données suivantes :

Le tableau suivant montre une comparaison des concentrations de quelques ions dans l’eau de mer et le milieu intracellulaire.

1 – En exploitant le tableau, comparer les concentrations d’ions. Que peut-on conclure concernant les échanges d’ions qui s’effectuent entre Valonia ventricosa et l’eau de mer ?

2 – Interpréter les données du tableau sachant que l’utilisation du cyanure; substance inhibitrice d’ATP (l’énergie), conduit à la disparition de la différence de concentration entre l’eau de mer et le milieu intracellulaire.

1- On observe que les concentrations des ions Na+ et K+ diffèrent entre le milieu intracellulaire et l’eau de mer, puisque: la concentration de Na+ est plus grande dans l’eau de mer par rapport au milieu intracellulaire alors que la concentration K+ est plus grande dans le milieu intracellulaire par rapport à l’eau de mer.

Si les échanges d’ions entre les cellules de Valonia ventricosa et l’eau de mer s’effectuent uniquement selon le phénomène de la diffusion, il faut que les différences de concentrations s’annulent.

2 – En plus de la diffusion, il existe un autre type de transport des molécules à travers la membrane plasmique, c’est le transport actif. Ce transport est lié à la vie de la cellule, et nécessite de l’énergie. Ainsi il est bloqué lorsque l’énergie est inhibée par le cyanure.

En plus de la diffusion, il existe un autre type de transport des molécules à travers la membrane plasmique, c’est le transport actif. Ce transport nécessite de l’énergie (ATP), et s’effectue dans le sens inverse de la diffusion, c’est-à-dire du milieu le moins concentré au milieu le plus concentré.

3 – Les structures cellulaires intervenant dans l’absorption d’eau et des sels minéraux

3 – 1 – Structure et ultrastructure de la paroi squelettique = pectocellulosique

Cette paroi rigide est spécifique de la cellule végétale, elle constitue le « squelette » externe et permet de relier les cellules végétales entre elles et leur protection. La paroi pectocellulosique comporte des pores appelés plasmodesmes qui permettent les échanges entre les cellules. Elle est essentiellement composée de polymères glucidiques, cellulose et pectine, de protéines et éventuellement d’autres composés de nature phénolique (lignine et subérine).

La paroi est composée de trois parties essentielles: 

  •  La lamelle moyenne : constituée de matières pectiques, est la partie la plus externe de la paroi et elle est commune à deux cellules voisines. 
  •  La paroi primaire : de nature pecto-cellulosique,
  •  La paroi secondaire : constituée de cellulose et d’hémicellulose et est enrichie en composés phénoliques : lignine (pour renforcer la rigidité), cutine et subérine (pour l’imperméabilité). 

3 – 2 – Structure et ultrastructure de la membrane plasmique

Elle est également appelée membrane cellulaire ou plasmalemme, elle délimite le contenu de la cellule (le cytoplasme) et contrôle les échanges entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule.

Le document 1 suivant montre une observation de la membrane plasmique au microscope électronique.

http://bio.m2osw.com/gcartable/mbc.jpg

Le document 2 montre l’organisation des phospholipides de la membrane plasmique.

Le document 3 suivant montre le modèle de mosaïque fluide de la  membrane plasmique (structure dynamique).

http://homepage.mac.com/ltbo/images/membrane.GIF
1 – En exploitant le document 1, décrire l’aspect de la membrane plasmique sous microscope électronique.
2 – En se basant sur le document 2,
     a. Proposer une définition pour les termes hydrophile et hydrophobe.
     b. Décrire l’organisation des phospholipides au niveau de la membrane plasmique.
3- En exploitant le document 3, dégager les constituants de la membrane plasmique.

1 – Sous microscope électronique la membrane plasmique apparait formée de deux feuillets visibles.

2. a –  Lorsque un composé ayant une affinité pour l’eau et tendance à s’y dissoudre, on dit qu’il est hydrophile. Mais quand il repousse l’eau ou est repoussé par l’eau, on dit qu’il est que hydrophobe.

b – Les phospholipides au niveau de la membrane plasmique sont organisés en double couche, les régions hydrophiles dirigées vers les milieux intra et extracellulaire alors que les régions hydrophobes sont dirigées vers l’intérieur de la membrane. 

3 – La membrane plasmique est composée d’une double couche de phospholipides dans laquelle on trouve, du cholestérol, des protéines et des glucides (polysaccharides ) liés à des phospholipides et à des protéines. 

Exercice 1 : Voir lien

Exercice 2 : Voir lien

4 – Bilan

Les séquences vidéos suivantes montrent les différents mécanismes de transports membranaires.

Le document suivant montre un schéma des différents mécanismes de transports membranaires.

1 – En exploitant les séquences vidéos et en utilisant ce qui suit :
Protéine consommant de l’énergie – Diffusion facilitée – Canaux ou pores – Transport actif – Intervention des protéines porteuses – Diffusion (transport passif) – Pompe – Substances lipophiles – Perméase – Diffusion simple.
Attribuer les termes convenables aux numéros du document.

1 – 

1 – Intervention des protéines porteuses ; 2 – Diffusion (transport passif) ; 3 – Transport actif

4 – Diffusion simple ; 5 – Diffusion facilitée ; 6 – Pompe ; 7 – Substances lipophiles ; 8 – Canaux ou pores ; 9 – Perméase ; 10 – Protéine consommant de l’énergie ;

5 – L’absorption d’eau et des sels minéraux au niveau de la racine

5 – 1 – Mise en évidence de la zone l’absorption d’eau et des sels minéraux

Le document 1 montre une photo des graines de la laitue en germination, et le document 2 représente un schéma d’une graine en germination

Document 1

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Document 2

1 – Dégager du document 2, les différentes parties de la racine.

1 – L’observation de la germination des graines de la laitue, montre que la racine formée de quatre zones distinctes :
– La zone subéreuse : partie supérieure de la racine constituée de liège.
– La zone pilifère : riche en poils absorbants (jusqu’à 2000 par cm2).
– La zone de croissance : derrière la coiffe et responsable de la multiplication cellulaire.
– La coiffe : enveloppe protectrice de la racine.

Pour identifier la zone d’absorption de la racine, on propose d’étudier l’expérience de Rosène :
On dispose de cinq jeunes plants et de 5 tubes à essais A, B, C, D et E. On remplit le tube A avec de l’eau et les tubes B, C, D et E avec de l’eau et de l’huile. On plonge les racines des jeunes plants dans les cinq tubes comme suit :
• Dans le tube A, plonger toute la racine dans l’eau.
• Dans le tube B, plonger la coiffe et la zone pilifère dans l’eau, la zone subéreuse dans l’huile.
• Dans le tube C, plonger la coiffe dans l’eau, la zone pilifère dans l’huile.
• Dans le tube D, plonger la zone pilifère dans l’eau, la coiffe et la zone subéreuse dans l’huile.
• Dans le tube E, plonger la zone subéreuse dans l’eau, la zone pilifère et la coiffe dans l’huile.
On observe le résultat de l’expérience au bout de 24 heures.

1 – Décrire les résultats obtenus pour chacun des tubes.
2 – Déduire la partie de la racine responsable de l’absorption de l’eau et des sels minéraux.

1 – On constate que la plante ne fane pas : 

  • Dans le tube A quand toute la racine est dans l’eau, la plante vit. donc elle a pu récupérer l’eau et les sels minéraux du sol.
  • Dans le tube B  quand la zone tubéreuse est dans l’huile mais la zone pilifère et la coiffe dans l’eau.
  • Dans le tube D quand la zone tubéreuse et la coiffe sont dans l’huile et la zone pilifère dans l’eau.

Alors que la plante fane :

  • Dans le tube C quand la zone pilifère est dans l’huile et la coiffe dans l’eau.
  • Dans le tube E quand la zone pilifère et la coiffe sont dans l’huile et la zone tubéreuse dans l’eau.

2 – C’est la zone pilifère, riche en poils absorbants, qui est responsable de l’absorption d’eau et des sels minéraux par les racines au niveau du sol.

5 – 2 – Rôle des poils absorbants dans l’absorption de l’eau et des sels minéraux 

– Structure des poils absorbants

Les documents suivants montrent une observation microscopique d’une coupe transversale au niveau de la zone pilifère d’une jeune racine et un schéma de cette observation. 

http://www.rouen.iufm.fr/pedagogie/disciplines/svt/svt%20tice/coupes/poils.JPG
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cadres_de_Caspary.JPG

Le document suivant montre un schéma d’un poil absorbant vu au microscope ( les proportions ne sont pas respectées ). 

1 – En exploitant les documents, décrire l’aspect des poils absorbants, puis déterminer l’importance de leur structure.

1 – Les poils absorbants sont des prolongements des cellules de la couche externe des jeunes racines (rhizoderme), ils ont une forme allongée, une grande vacuole et une paroi cellulaire amincie, ce qui favorise l’absorption d’eau et des minéraux.

– Mécanismes d’absorption de l’eau et des sels minéraux au niveau de la racine

Le document suivant montre des mesures de pression osmotique réalisée sur une racine.

1 – En exploitant le document, montrer comment l’eau et les sels minéraux passent du sol vers les vaisseaux conducteurs des racines.

1 – On observe que la cellule du poil absorbant est hypertonique par rapport à la solution du sol, d’autre part, la pression osmotique augmente des poils absorbants jusqu’à la fin de la zone corticale, puis diminue au niveau du cylindre central.
• Les poils absorbants absorbent donc l’eau passivement par osmose qui circule de l’assise pilifère à la fin de la zone corticale par le même phénomène d’osmose alors que les sels minéraux nécessitent un transport actif.
• De la zone corticale jusqu’au niveau central les sels minéraux peuvent être transportés par diffusion alors que l’eau nécessite un travail cellulaire avec dépense d’énergie.

La solution provenant des racines, qui est constituée d’eau et de sels minéraux, forme la sève brute, qui va être acheminée vers les feuilles.

– Rôle de la transpiration dans l’acheminement de la sève brute vers les feuilles

  • En 1727, Stephen Hales, un chimiste anglais, coupa un pied de vigne et le mis en contact avec un tube de verre contenant de l’eau + sève plongé dans une cuve de mercure. Le dispositif et le résultat sur le document 1.
  • On met deux plantes herbacées P1 et P2 dans deux potomètres A et B et on enlève quelques feuilles de la plante P2 puis on couvre la partie aérienne de chacune des plantes P1 et P2 par un sac en plastique. Au bout de quelques heures, on obtient les résultats illustrés sur le document 2.

Document 1

Document 2

1 – En exploitant le document 1, Interpréter le résultat obtenu.
2 –En exploitant le document 2,
   a – Comparer le déplacement de l’index dans les deux potomètres.
   b – Interpréter les résultats obtenus

1 – On observe la montée du niveau du mercure dans le manomètre, ce phénomène est dû au fait que la sève brute ascendante circule sous pression dans les vaisseaux conducteurs. La montée de la sève s’effectue au prix d’une dépense d’énergie de la part de certaines cellules de la racine: c’est la poussée racinaire.

2 –  a – Le déplacement de l’index dans le potomètre A est plus grand que celui du potomètre B.
      b – La plante P1 a plus de feuilles et le nombre de gouttelettes d’eau sur la paroi interne du sac en plastique est plus élevé, donc elle a émis plus de vapeur d’eau par transpiration, en conséquence, une aspiration au niveau des feuilles d’où le déplacement du niveau du liquide dans le tube plus grand que celui crée par la plante P2 qui a moins de feuilles.
 

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