Chapitre 2.1
L’énergie solaire et les végétaux 
OBJECTIF
TP 1. Conditions de la production de matière organique par une plante
I. Les végétaux verts utilisent la lumière solaire pour se nourrir
• L'essentiel
II. La photosynthèse a une importance planétaire
A. Les végétaux chlorophylliens sont à la base de tous les réseaux trophiques
B. La production primaire varie selon les écosystèmes
• L'essentiel
BILAN
TP 2. La photosynthèse à l'échelle de la planète
TP 1. Conditions de la production de matière organique par une plante
I. Les végétaux verts utilisent la lumière solaire pour se nourrir
• L'essentiel
II. La photosynthèse a une importance planétaire
A. Les végétaux chlorophylliens sont à la base de tous les réseaux trophiques
B. La production primaire varie selon les écosystèmes
• L'essentiel
BILAN
TP 2. La photosynthèse à l'échelle de la planète
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1. Glucose (molécule organique) - 2 Dioxyde de carbone (molécule minérale) - 3 Eau (molécule minérale)
Parmi la centaine d’éléments chimiques naturels, seulement six sont nettement plus abondants dans le vivant que dans le non vivant : le carbone (C), l'hydrogène (H), l'oxygène (O), l'azote (N), le phosphore (P) et le soufre (S). Le vivant présente une unité chimique (voir chapitre. 1.1-II).
- Les molécules organiques (= molécules du vivant = matière carbonée), comme le glucose (1), possèdent toutes des atomes de carbone associés à des atomes d’hydrogène et sont susceptibles de libérer facilement de l'énergie.
- Les molécules minérales (= matière minérale = matière inorganique), comme le dioxyde de carbone (2) ou l'eau (3), ne contiennent pas de carbone associé à des atomes d’hydrogène et existent indépendamment des êtres vivants.
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1. Glucose (molécule organique) - 2 Dioxyde de carbone (molécule minérale) - 3 Eau (molécule minérale)
Parmi la centaine d’éléments chimiques naturels, seulement six sont nettement plus abondants dans le vivant que dans le non vivant : le carbone (C), l'hydrogène (H), l'oxygène (O), l'azote (N), le phosphore (P) et le soufre (S). Le vivant présente une unité chimique (voir chapitre. 1.1-II).
- Les molécules organiques (= molécules du vivant = matière carbonée), comme le glucose (1), possèdent toutes des atomes de carbone associés à des atomes d’hydrogène et sont susceptibles de libérer facilement de l'énergie.
- Les molécules minérales (= matière minérale = matière inorganique), comme le dioxyde de carbone (2) ou l'eau (3), ne contiennent pas de carbone associé à des atomes d’hydrogène et existent indépendamment des êtres vivants.
● On cherche à déterminer les modalités de la transformation de la matière minérale en matière organique et les implications de ces mécanismes à l'échelle planétaire.
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Cellules foliaires exposées à la lumière et observées au microscope : 1 Montage à l'eau, les cellules foliaires contiennent des organites verts, les chloroplastes. - 2 Montage à l'eau iodée, la coloration révèle que les chloroplastes contiennent de l'amidon. - 3 Activité photosynthétique en fonction de la lumière (ExAO) Un végétal vert respire en permanence, il consomme du dioxygène et libère du dioxyde de carbone. Lorsqu'il est exposé à la lumière, les échanges gazeux de la photosynthèse se superposent à ceux de la respiration mais leur volume est supérieur. Au bilan le végétal vert produit alors du dioxygène et consomme du dioxyde de carbone.
Images : svt.boido.pagesperso-orange.fr
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Cellules foliaires exposées à la lumière et observées au microscope : 1 Montage à l'eau, les cellules foliaires contiennent des organites verts, les chloroplastes. - 2 Montage à l'eau iodée, la coloration révèle que les chloroplastes contiennent de l'amidon. - 3 Activité photosynthétique en fonction de la lumière (ExAO) Un végétal vert respire en permanence, il consomme du dioxygène et libère du dioxyde de carbone. Lorsqu'il est exposé à la lumière, les échanges gazeux de la photosynthèse se superposent à ceux de la respiration mais leur volume est supérieur. Au bilan le végétal vert produit alors du dioxygène et consomme du dioxyde de carbone.
Images : svt.boido.pagesperso-orange.fr
La nutrition d’une plante verte
Survoler l’image et cliquer sur le texte pour observer les types cellulaires impliqués.
Racines et poils absorbants (bas, gauche et droite), tronc et tissus conducteurs (haut, milieu), feuilles et fruits (haut, gauche), feuille : tissu palissadique (haut, droite 1), feuilles : cellules chlorophylliennes (haut, droite 2), feuille, synthèse d'amidon (haut, droite 3).
Attention. Les clichés proviennent de plantes différentes.
Sources : arbre : fr.academic.ru - poils absorbants 1 : histoiresnaturelles.net - poils absorbants 2 : imagessvt.free.fr - tronc : www.larousse.fr - bois (pin) : www.snv.jussieu.fr - feuille (houx) : www.didiersvt.com - gland (chêne) : commons.wikimedia.org
Survoler l’image et cliquer sur le texte pour observer les types cellulaires impliqués.
Racines et poils absorbants (bas, gauche et droite), tronc et tissus conducteurs (haut, milieu), feuilles et fruits (haut, gauche), feuille : tissu palissadique (haut, droite 1), feuilles : cellules chlorophylliennes (haut, droite 2), feuille, synthèse d'amidon (haut, droite 3).
Attention. Les clichés proviennent de plantes différentes.
Sources : arbre : fr.academic.ru - poils absorbants 1 : histoiresnaturelles.net - poils absorbants 2 : imagessvt.free.fr - tronc : www.larousse.fr - bois (pin) : www.snv.jussieu.fr - feuille (houx) : www.didiersvt.com - gland (chêne) : commons.wikimedia.org
Une plante ne peut pas se déplacer. Elle puise les éléments chimiques dont elle a besoin pour se nourrir dans la matière minérale qui l’entoure.
Un végétal chlorophyllien se procure du carbone et de l'oxygène gazeux dans l'air (CO2) ou dissouts dans l'eau (HCO3-) et de l'hydrogène dans l'eau. Il fabrique alors de la matière organique, c'est la photosynthèse. Celle-ci est possible grâce à la chlorophylle qui permet à une plante d'utiliser l'énergie lumineuse.
Un végétal chlorophyllien se procure du carbone et de l'oxygène gazeux dans l'air (CO2) ou dissouts dans l'eau (HCO3-) et de l'hydrogène dans l'eau. Il fabrique alors de la matière organique, c'est la photosynthèse. Celle-ci est possible grâce à la chlorophylle qui permet à une plante d'utiliser l'énergie lumineuse.
Dans l'eau le CO2 est dissout :. CO2 + H20 --> H2CO3 --> HCO3- + H+
Pour une température et un éclairement donnés, la production végétale varie dans le même sens que la concentration en dioxyde de carbone, tant que celle-ci reste inférieure à 0,1 %. Au delà on observe un palier de saturation. La teneur en dioxyde de carbone de l'air étant de 0,039 % les végétaux chlorophylliens sont en déficit constant de dioxyde de carbone dans le milieu naturel.
Les autres éléments chimiques nécessaires à la production des molécules du vivant (N, P et S) sont puisés dans le sol par les racines sous forme d'ions minéraux (l'azote sous forme d'ions nitrates NO3-, le phosphore sous forme d'ions phosphates PO43-, le souffre sous forme d'ions sulfates SO42-).
Bien que le diazote soit abondant dans l’air, les végétaux verts sont incapables de l’utiliser.
Durant la photosynthèse on observe un échange gazeux entre le dioxyde de carbone et le dioxygène. Pour rechercher l'origine du dioxygène rejeté on marque l'un des produits entrants avec l'isotope lourd de l'oxygène (18O) en remplacement de l'isotope courant ( 16O). Si on marque l'eau, on obtient du 18O2. Si on marque le dioxyde de carbone, on obtient 16O2. L’ O2 rejeté provient donc de H2O et non du CO2.
● Grâce à l’énergie lumineuse, captée par la chlorophylle contenue dans les chloroplastes, les cellules chlorophylliennes produisent (= réalisent la synthèse chimique) de la matière organique. C’est la photosynthèse.
● Dans l’air, les parties vertes de la plante absorbent du dioxyde de carbone (CO2, , source de carbone (C) et d'oxygène (O) (les végétaux aquatiques absorbent des ions hydrogénocarbonates H CO3-).
● Dans le sol les racines absorbent de l’eau (H2O), source d’hydrogène (H) et des ions minéraux, notamment sources d’azote, de phosphore et de soufre. Cela constitue la sève brute (= sève montante) entraînée vers les parties vertes de la plante (notamment les feuilles).
lumière ↓ chlorophylle ↓ |
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dioxyde de carbone |
+ |
eau |
+ |
ions |
------> |
molécules organiques |
+ |
dioxygène |
[C,O] |
[H,O] |
[N,P,S] |
[C,H,O,N,P,S] |
[O] |
||||
Réaction globale de la nutrition végétale |
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● Les molécules organiques s’associent à la sève brute pour former la sève élaborée (= sève descendante) qui est distribuée dans toute la plante pour y être utilisée (métabolisme) ou accumulée dans des organes de réserve (fruits par exemple).
La réaction globale de la nutrition végétale ne tient compte que des produits initiaux et des produits finaux sans retenir les produits intermédiaires.
Pour des raisons de commodité on évalue souvent la production végétale en mesurant la quantité de dioxygène rejetée qui est proportionnelle à la quantité de matière organique produite, difficile à mesurer. Cependant une autre fonction biologique, la respiration, fait diminuer en permanence la concentration de dioxygène du milieu. On mesure en fait le bilan de dioxygène qui résulte de la consommation respiratoire et de la production photosynthétique. On appelle point de compensation, le moment où la consommation de dioxygène est exactement compensée par la production de dioxygène.
La forme aplatie des feuilles et leur nombre important entraînent une grande surface qui facilite les échanges gazeux et la réception de la lumière nécessaires à la photosynthèse. Les feuilles sont des organes spécialisés dans la nutrition.
Pour des raisons de commodité on évalue souvent la production végétale en mesurant la quantité de dioxygène rejetée qui est proportionnelle à la quantité de matière organique produite, difficile à mesurer. Cependant une autre fonction biologique, la respiration, fait diminuer en permanence la concentration de dioxygène du milieu. On mesure en fait le bilan de dioxygène qui résulte de la consommation respiratoire et de la production photosynthétique. On appelle point de compensation, le moment où la consommation de dioxygène est exactement compensée par la production de dioxygène.
La forme aplatie des feuilles et leur nombre important entraînent une grande surface qui facilite les échanges gazeux et la réception de la lumière nécessaires à la photosynthèse. Les feuilles sont des organes spécialisés dans la nutrition.
Chaînes alimentaires et réseau trophique (étang de Vaccarès dans la réserve naturelle de Camargue)
Les producteurs primaires sont les végétaux chlorophylliens qui transforment de la matière minérale en matière organique.
Les consommateurs doivent obligatoirement consommer de la matière organique pour assurer leur propre production de matière organique (= production secondaire).
L'ensemble des chaînes alimentaires forme un réseau trophique.
Source : SVT 2e Hatier 2010, p. 104.
Les producteurs primaires sont les végétaux chlorophylliens qui transforment de la matière minérale en matière organique.
Les consommateurs doivent obligatoirement consommer de la matière organique pour assurer leur propre production de matière organique (= production secondaire).
L'ensemble des chaînes alimentaires forme un réseau trophique.
Source : SVT 2e Hatier 2010, p. 104.
Organisation fonctionnelle d'un écosystème
Les différents êtres vivants producteurs primaires, consommateurs primaires, secondaires, tertiaires, etc. et les décomposeurs représentent chacun un niveau trophique.
Les décomposeurs (champignons, bactéries, animaux détritivores et saprophages) transforment la matière organique des organismes morts en en substances minérales (= minéralisation).
Source : SVT 2e Hatier 2010, p. 104.
Les différents êtres vivants producteurs primaires, consommateurs primaires, secondaires, tertiaires, etc. et les décomposeurs représentent chacun un niveau trophique.
Les décomposeurs (champignons, bactéries, animaux détritivores et saprophages) transforment la matière organique des organismes morts en en substances minérales (= minéralisation).
Source : SVT 2e Hatier 2010, p. 104.
Seule une petite partie de la matière organique d'un niveau trophique est transmise au niveau suivant.
Pyramides écologiques
La pyramide écologique est une représentation graphique qui indique les rapports entre les différents niveaux trophiques (= niveaux alimentaires).
Pour les pyramides des biomasses et des énergies, le rapport est en moyenne de 1 à 10 entre deux niveaux trophiques.
La pyramide écologique est une représentation graphique qui indique les rapports entre les différents niveaux trophiques (= niveaux alimentaires).
Pour les pyramides des biomasses et des énergies, le rapport est en moyenne de 1 à 10 entre deux niveaux trophiques.
Les écosystèmes indépendants de l’énergie lumineuse sont très rares et représentent une biomasse très réduite. On peut en trouver dans certaines grottes ou dans les grands fonds océaniques, près de la dorsale.
Fumeur noir et anémones. À 4100 mètres, près de la dorsale atlantique, cette source hydrothermale émet de l’eau sulfureuse à très haute température (350 °C). Des anémones colonisent sa structure.
Source de l'image : http://www.voilesetvoiliers.com
Fumeur noir et anémones. À 4100 mètres, près de la dorsale atlantique, cette source hydrothermale émet de l’eau sulfureuse à très haute température (350 °C). Des anémones colonisent sa structure.
Source de l'image : http://www.voilesetvoiliers.com
Production primaire des océans
Concentration de la chlorophylle en mg/m3. Cette mesure est le reflet de la production primaire dans les eaux océaniques de surface (phytoplancton).
Concentration de la chlorophylle en mg/m3. Cette mesure est le reflet de la production primaire dans les eaux océaniques de surface (phytoplancton).
Production primaire des continents
Indice relatif de végétation continentale. Il exprime l’abondance de la végétation.
Indice relatif de végétation continentale. Il exprime l’abondance de la végétation.
Source des trois images : http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/
Lien direct - Données du site SeaWIFS de la NASA.
(1) Caducifoliée : qualifie une plante dont les feuilles tombent chaque année (exemple le platane).
(2) Sempervirent : qualifie un arbre ou un arbuste dont les feuilles vertes persistent plus d’une année et ne tombent pas toutes en même temps (exemple le sapin).
(3) Upweelling : courant marin qui entraîne une remontée de matière minérale à proximité des côtes.
Source : SVT 2e Hatier 2010, p. 105
● On appelle biosphère* l’ensemble des êtres vivants et biomasse* leur quantité de matière.
● Les végétaux chlorophylliens convertissent l’énergie lumineuse en énergie chimique en produisant des molécules organiques à partir de matière minérale uniquement (ils sont autotrophes). Ce sont des producteurs primaires de matière organique.
● Une partie de la production primaire est utilisée par les consommateurs de premier ordre (= hétérotrophes) servant eux mêmes de nourriture aux consommateurs de deuxième ordre etc. Les décomposeurs transforment la matière organique en matière minérale à nouveau disponible pour les producteurs primaires (recyclage). D'un niveau trophique au suivant, une grande partie de la biomasse est perdue.
● La productivité primaire est la biomasse produite par les végétaux verts d'un écosystème par unités de surface et de temps (en général elle est exprimée en g de carbone par m2 et par an). Elle varie beaucoup selon les écosystèmes.
● Grâce à la photosynthèse les végétaux chlorophylliens sont des producteurs primaires de matière organique qui est ensuite transférée aux différents niveaux de consommateurs. ● La ph
otosynthèse permet l'entrée de matière et d'énergie dans la biosphère.