Annale corrigée Pratique du raisonnement scientifique 1

L'équation-bilan de la photosynthèse

Exercice 2

L'équation-bilan de la photosynthèse

1 h 50

8 points

Intérêt du sujet • Montrez comment les données expérimentales permettent de retrouver les différents aspects d'un phénomène complexe : la photosynthèse.

 

Les plantes chlorophylliennes sont capables de réaliser la photosynthèse dont l'équation bilan est :

6CO2+12H2Lumière C6H12O6+6O2+6H2O

À l'aide des informations extraites des documents proposés, justifiez chacun des membres de l'équation-bilan de la photosynthèse.

Document 1Observations microscopiques de cellules de feuilles d'Élodée du Canada montées dans l'eau iodée

a) Conditions expérimentales

Des rameaux d'Élodée ont été soumis pendant plusieurs heures aux conditions suivantes.

Tableau de 4 lignes, 3 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : Lumière;CO2*;Résultat;Corps du tableau de 3 lignes ;Ligne 1 : –; +; Photo A; Ligne 2 : +; +; Photo B; Ligne 3 : +; –; Photo C;

Les signes « + » signifient « en présence de », les signes « – » signifient « en l'absence de ».

* Eau enrichie en CO2 par apport d'ions hydrogénocarbonate HCO3. Un « – » pour le CO2 signifie une eau contenant très peu de CO2.

b) Photographies des résultats

À la fin de l'expérience, on prélève une feuille d'Élodée que l'on place dans de l'eau iodée, puis on réalise une préparation microscopique de cette feuille afin d'observer les résultats.

svtT_2000_00_36C_01

Photo A

Ph © Jean-Claude RÉVY–ISM

svtT_2000_00_36C_02

Photo B

Ph © Jean-Claude RÉVY–ISM

svtT_2000_00_36C_01

Ph © Jean-Claude RÉVY–ISM

Photo C

Document 2Variations de la concentration en dioxygène en fonction de l'éclairement dans le milieu de culture enrichi en CO2

Des fragments de feuilles d'Élodée sont placés dans un bioréacteur contenant de l'eau enrichie en CO2.

Une sonde à dioxygène reliée à un dispositif EXAO permet de suivre les variations de la teneur en O2 de l'eau de l'enceinte.

Dans le graphique ci-après, la teneur en dioxygène dissous est exprimée en unités arbitraires liées au mode d'enregistrement.

svtT_2000_00_36C_03

D'après le site rnbio.upmc.fr

Document 3Influence de la teneur en CO2 du milieu sur la production de dioxygène par des fragments de feuilles d'élodée à la lumière

svtT_2000_00_36C_04

D'après le site rnbio.upmc.fr

Document 4Expériences de Ruben et Kamen (1941)

Dans une molécule d'eau, on trouve les deux isotopes stables de l'oxygène, 16O et 18O. Le rapport isotopique 18O/16O de l'eau ordinaire est 0,2 %.

Les expériences de Ruben et Kamen permettent de déterminer l'origine des atomes des molécules de dioxygène produites par des cellules chlorophylliennes.

Expérience 1

Les chercheurs ont mis des chlorelles (algues chlorophylliennes unicellulaires) à la lumière, en suspension dans une eau enrichie en 18O (0,85 % des molécules possèdent l'isotope lourd 18O au lieu de 0,2 % dans l'eau ordinaire).

Ils ont ajouté à cette eau de l'hydrogénocarbonate (HCO3Na), source de CO2.

Puis ils ont recueilli le dioxygène produit par ces chlorelles et déterminé le rapport isotopique 18O/16O de ces molécules.

Expérience 2

Les chercheurs ont refait une expérience similaire, avec une eau ordinaire, mais en utilisant cette fois des ions HCO3 enrichis en 18O.

Résultats obtenus

Tableau de 6 lignes, 5 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : ;Rapport isotopique 18O/16O(en %);Corps du tableau de 5 lignes ;Ligne 1 : ; Eau; Ions HCO3–; O2 produit; Ligne 2 : Expérience 1; Début; 0,85; 0,20; -; Ligne 3 : Fin (65 min); 0,85; 0,41; 0,84; Ligne 4 : Expérience 2; Début; 0,20; 0,68; -; Ligne 5 : Fin (65 min); 0,20; 0,57; 0,20;

Le rapport isotopique 18O/16O du dioxygène des ions HCO3 est le même que celui de l'eau ordinaire. Il évolue lentement au cours de l'expérience car de nouveaux ions HCO3 se forment à partir du CO2 et de H :

CO2 + H2O → HCO3 + H+

 

Les clés du sujet

Étape 1. Comprendre le sujet

L'équation globale de la photosynthèse est indiquée. Il s'agit de dégager les conclusions tirées des données expérimentales fournies par les documents et, pour chacune d'elles, de préciser quelle est ou quelles sont les parties de l'équation globale qui sont confortées.

Pour chaque donnée expérimentale, il est bon d'indiquer l'équation partielle de la photosynthèse à laquelle elle fait référence.

Étape 2. Exploiter les documents

Le document 1 renseigne sur l'importance des facteurs lumière et CO2 sur la production de matières organiques.

Le document 2 met en évidence une production de dioxygène dépendante des mêmes facteurs que la production de matières organiques.

Le document 3 renseigne sur l'origine des atomes du dioxygène (CO2 ou H20).

Étape 3. Construire la réponse

Tableau de 3 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 3 lignes ;Ligne 1 : I. Les produits de la photosynthèse; Dégagez les conditions nécessaires à la synthèse de matières organiques par les cellules chlorophylliennes.Faites de même avec les conditions nécessaires à la production de dioxygène par les cellules chloro­phylliennes et comparez avec celles permettant la synthèse de matières organiques.Indiquez, pour chaque type de produits, ce qui est conforté dans l'équation bilan.; Ligne 2 : II. L'eau et la photosynthèse; Tirez des expériences de Ruben et Kamen les conclusions relatives à l'origine des atomes d'oxygène du dioxygène produit.Expliquez comment cela est traduit par l'équation-bilan.; Ligne 3 : Conclusion; Dégagez la notion d'oxydo-réduction à propos de l'équation-bilan de la photosynthèse.;

Introduction

Les plantes vertes élaborent leurs matières organiques au cours de la photosynthèse à partir de matières minérales. De nombreuses études expérimentales ont permis d'aboutir à une équation-bilan de ce phénomène. Nous allons établir en quoi les données expérimentales des documents proposés viennent conforter cette équation-bilan.

I. Les produits de la photosynthèse

A. La synthèse de matières organiques

La photo A du document 1 montre que les cellules d'une feuille d'Élodée du Canada maintenue à l'obscurité, dans un milieu riche en hydrogénocarbonate, ne contiennent pas d'amidon (absence de coloration bleu foncé en présence d'eau iodée).

mot-clé

Le bicarbonate de sodium (NaHCO3), soluble dans l'eau, fournit des ions hydrogénocarbonate (HCO3) qui enrichissent le milieu en dioxyde de carbone.

Après quelques heures d'éclairement dans ce même milieu, la coloration à l'eau iodée permet de mettre en évidence la présence d'amidon dans les chloroplastes (photo B). À la lumière, les chloroplastes des feuilles ont synthétisé de l'amidon (polymère du glucose), c'est-à-dire une molécule organique.

La photo C indique qu'en l'absence de CO2, toutes les autres conditions étant réunies, la plante ne produit pas d'amidon.

Le dioxyde de carbone est indispensable à la synthèse d'amidon, donc de matières organiques. Par rapport à l'équation-bilan, nous avons démontré qu'il existait une synthèse de matières organiques uniquement à la lumière et uniquement en présence de CO2.

Dans l'équation-bilan reprise ci-dessous, cela conforte les termes indiqués en rouge, mais non ceux en noir (sans les infirmer).

6CO2+12H2Lumière C6H12O6+6O2+6H2O

C6H12O6 est la formule de la molécule de glucose (qui est stocké sous forme d'amidon, C6H10O5). Les six atomes de carbone des six molécules de CO2 se retrouvent dans les six atomes de carbone de la molécule de glucose.

Le piège à éviter

Le fait que le CO2 soit nécessaire à la synthèse de matières organiques ne prouve pas rigoureusement qu'il soit un réactif de l'équation.

Une démonstration plus rigoureuse serait fournie par l'utilisation de molécules de CO2 composées d'atomes de carbone radioactifs. La formation de composés organiques radioactifs confirmerait alors pleinement l'utilisation du CO2 pour la synthèse de matières organiques.

B. La production de dioxygène

Le document 2 montre que la teneur en dioxygène de l'eau enrichie en CO2 dans laquelle baigne un rameau d'Élodée du Canada augmente uniquement durant les 3 minutes où la préparation est aussi éclairée. Cela traduit donc une production d'O2 par la plante à la lumière.

à noter

À l'obscurité, on constate une légère diminution de la teneur en O2. Cela est dû à la respiration des plantes. Cette consommation d'O2 se produit également à la lumière, mais elle est alors masquée car très inférieure à la production d'O2.

Le document 3 montre qu'en l'absence de CO2, même à la lumière, les plantes ne produisent pas d'O2. Un apport de CO2 au milieu entraîne immédiatement la reprise de la production d'O2.

La production d'O2 dépend des mêmes facteurs que ceux nécessaires à la synthèse des matières organiques : lumière et dioxyde de carbone. Cela indique que synthèse de matières organiques et production d'O2 sont deux aspects de la photosynthèse.

Un nouvel élément de l'équation globale est donc conforté, la production de dioxygène :

6CO2+12H2Lumière C6H12O6+6O2+6H2O

L'ensemble des données expérimentales vues jusqu'ici confortent donc les éléments en rouge de l'équation globale. En revanche, rien n'indique que l'eau est un réactif de la photosynthèse, ni ne l'infirme. On peut seulement en faire l'hypothèse, car il faut bien une source d'atomes d'hydrogène pour synthétiser du glucose.

II. L'eau et la photosynthèse

Les expériences de Ruben et Kamen présentées dans le document 4 permettent de préciser le rôle de l'eau et l'origine du dioxygène.

Dans la première expérience, où l'eau seule est enrichie en 18O, le rapport isotopique 18O/16O du dioxygène produit par les chlorelles est très proche de celui de l'eau et éloigné de celui des ions HCO3.

Dans la deuxième expérience, où ce sont les ions HCO3 qui sont enrichis en 18O, le rapport isotopique est à nouveau le même que celui de l'eau et éloigné de celui des ions HCO3.

Le rapport isotopique du dioxygène produit ne dépend pas de celui du CO2. Si les atomes de dioxygène provenaient des ions HCO3, on devrait avoir le même rapport isotopique pour le dioxygène et les ions. Puisque ce n'est pas le cas, les atomes d'oxygène du dioxygène ne proviennent pas des ions HCO3 (et ne proviennent donc pas du CO2).

En revanche, ce rapport étant le même que celui de l'eau, on peut penser que les atomes d'O2 proviennent de molécules d'eau : les atomes de dioxygène sont issus de la photolyse de l'eau.

Ces dernières données permettent de conforter l'équation-bilan dans son ensemble :

6CO2+12H2Lumière C6H12O6+6O2+6H2O

L'eau comme le CO2 sont les substances à partir desquelles les plantes synthétisent leurs molécules organiques.

Pour obtenir six molécules de dioxygène, il faut nécessairement utiliser douze molécules d'eau. La présence de ces « 12 H2O » dans la partie gauche de l'équation-bilan traduit ainsi l'origine des « 6 O2 » dans la partie droite. Pour équilibrer cette équation-bilan, il faut ajouter « 6 H2O » dans la partie droite de l'équation.

Conclusion

L'équation-bilan traduit que la photosynthèse est globalement une réaction d'oxydo-réduction : l'oxydation de l'eau étant associée à la réduction du CO2.

à noter

L'équation-bilan ne signifie pas que la réaction d'oxydo-réduction s'ef­fectue en une seule étape. En réalité, de nombreuses étapes sont en jeu et permettent de reconnaître deux grandes phases : une phase photochimique, où l'énergie lumineuse permet la photolyse de l'eau, suivie d'une phase biochimique, où le CO2 est utilisé pour la synthèse de matières organiques.

Cette réaction n'est pas spontanée, mais elle se réalise grâce à l'énergie lumineuse captée par les pigments chlorophylliens contenus dans les chloroplastes (ce que ne montrent pas les documents).

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