La production de chaleur chez l’arum

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Énergie et cellule vivante
Type : Pratique du raisonnement scientifique 2 | Année : 2015 | Académie : France métropolitaine
Corpus Corpus 1
La production de chaleur chez l’arum

France métropolitaine 2015

svtT_1506_07_01C

Sujet complet

4

France métropolitaine • Juin 2015

pratique du raisonnement scientifique

Exercice 2 spécialité • 5 points

L’inflorescence d’arum présente une particularité remarquable : lorsque les fleurs mâles produisent du pollen, une brutale élévation de température se produit dans l’inflorescence, provoquant l’émission de substances volatiles qui attirent les insectes pollinisateurs.

> À partir des informations extraites des documents et de vos connaissances, identifiez et décrivez le mécanisme expliquant la brutale production de chaleur chez l’arum.

 Document 1 
Température mesurée au niveau de l’inflorescence d’arum lors du brutal épisode de production de chaleur

 

Un pied d’arum

 
Température mesurée dans l’inflorescence

 

D’après Seymour et Ito, 2010

1. Le spadice correspond à l’inflorescence.

 Document 2 
Mesure de la température et de la production de CO2 dans l’inflorescence au cours de la journée

 

 

D’après Lance, Signol et Chauveau, 1976

 Document 3 
Mesures de la quantité de dioxygène consommé et de la quantité de réserves d’amidon dans l’inflorescence à différents stades

 

Stades de l’inflorescence

1 : plusieurs jours avant la production de chaleur

2 : juste avant la production de chaleur

3 : au moment de la production de chaleur

4 : après la production de chaleur

D’après Lance, Signol et Chauveau, 1976, modifié

 Document 4 
Mesure de la quantité de l’organite photographié ci-dessous dans le spadice

 

D’après la banque d’images SVT de Dijon

 

Plusieurs jours avant la production de chaleur

Juste avant la production de chaleur

Au moment de la production de chaleur

Après la production de chaleur

Abondance relative de l’organite photographié ci-dessus

+

++++

++++

+

 
Les clés du sujet

Comprendre le sujet

  • La biologie florale de l’arum n’est pas, en tant que telle, au programme. En conséquence, toutes les informations nécessaires sont fournies par les documents et sont à extraire de ceux-ci. Elles sont à exploiter en faisant appel aux connaissances de base sur la respiration cellulaire.
  • Il faut bien se rendre compte que c’est l’inflorescence, le spadice, qui produit la chaleur entraînant une élévation de température, mais seulement pendant une période brève qui correspond à la maturation des fleurs mâles.
  • Avec l’identification de la respiration cellulaire comme responsable de la production de chaleur, le sujet demande de décrire ce mécanisme. Il ne s’agit pas de réciter tout ce que vous savez sur la respiration cellulaire (glycolyse, cycle de Krebs, fonctionnement des chaînes respiratoires mitochondriales), sinon il s’agirait d’une question de type 1, c’est-à-dire d’une restitution de connaissances. Il faut seulement préciser le bilan des transformations énergétiques associées à la respiration, à savoir la production d’ATP et de chaleur. La chaleur est un déchet énergétique non utilisable pour la vie cellulaire, mais qui joue un rôle essentiel dans la reproduction de l’arum.

Mobiliser ses connaissances

  • La plupart des cellules eucaryotes respirent à l’aide du dioxygène ; elles oxydent la matière organique en matière minérale. La mitochondrie joue un rôle majeur dans la respiration cellulaire.
  • Les réactions d’oxydation s’accompagnent de la production d’ATP qui permet les activités cellulaires.
Corrigé
 
Corrigé

Info

Durant cette période, le spadice se comporte un peu comme un animal à température constante et supérieure à celle du milieu (exemple : les mammifères, dont l’homme).

Introduction : le spadice, un organe producteur de chaleur

Le document 1 montre que la température du spadice, c’est-à-dire de l’inflorescence, est supérieure de 10 à 20 °C à celle de son environnement. Cela signifie qu’il produit intensément de la chaleur à un moment de son développement qui correspond à la maturation des fleurs mâles.

Le problème à résoudre est celui du mécanisme ayant lieu dans l’inflorescence et à l’origine de cette production de chaleur

I. Respiration du spadice et production de chaleur (documents 2 et 3)

  • Le document 3 renseigne sur l’évolution de la consommation de dioxygène et du contenu en amidon du spadice au cours de son développement, et notamment pendant la période où il produit beaucoup de chaleur.
  • On constate que la consommation de dioxygèneaugmente considérablement (près de 40 fois à son maximum) pendant la période de production de chaleur et reprend sa valeur initiale basse lorsqu’elle cesse. Il y a donc une corrélation entre consommation de dioxygène et production de chaleur.
  • La teneur en amidon du spadice évolue au cours de son développement. On reconnaît deux phases :
  • la première phase, qui se termine au moment où débute la période de production de chaleur, est caractérisée par une augmentation de la teneur en amidon. C’est une phase où la synthèse d’amidon a lieu dans le spadice qui se comporte comme un tissu de réserve ;
  • la deuxième phase, qui a lieu pendant la période de production de chaleur, est marquée par une diminution rapide de la teneur en amidon du spadice et finit par devenir quasi nulle.

En résumé, il y a synthèse d’amidon dans le spadice pendant la période qui précède la production de chaleur, et consommation de cet amidon pendant la production de chaleur.

Attention !

Le titre du document indique « au cours de la journée » ; il s’agit en réalité de l’évolution de la température et du CO2 au cours de la période de production de chaleur qui dure une dizaine d’heures. Cela n’est pas lié aux variations des conditions externes.

  • Le document 2 indique une augmentation de la température du spadice de l’ordre d’une quinzaine de degrés. On se trouve alors durant la période de production de chaleur.
  • La courbe d’évolution de la production de CO2 par l’inflorescence est tout à fait semblable à celle de l’évolution de la température. Cela traduit une corrélation entre production de CO2 et production de chaleur.
  • Au cours de la période de production de chaleur, il y a donc une forte augmentation de la consommation de dioxygène et de matières organiques (amidon) par le spadice ainsi qu’une production de CO2. Ces caractéristiques indiquent une augmentation de l’intensité respiratoire du spadice, puisqu’au cours de la respiration, les matières organiques sont oxydées avec production de CO2. Le bilan global de la respiration pour le glucose (qui peut provenir de l’hydrolyse de l’amidon) est :

C6H12O6+ 6 O2 → 6 CO2+ 6 H2O

On peut parler de crise respiratoirecorrélée à la production de chaleur. Cette corrélation traduit une relation de cause à effet : c’est l’augmentation de l’intensité respiratoire du spadice qui provoque l’augmentation de la production de chaleur.

II. Mitochondries et production de chaleur chez l’arum

  • L’organite représenté dans le document 4 a une longueur de 2 µm environ, est limité par une double membrane et possède une membrane interne présentant des replis. Cela est caractéristique d’une mitochondrie.

Notez bien

Il ne faut pas se contenter de dire que c’est une mitochondrie, il faut justifier votre identification (comme ici).

  • Le tableau du document 4 indique une augmentation considérable du nombre de mitochondries dans les cellules du spadice juste avant et pendant la période de production de chaleur. Or, les mitochondries sont les organites respiratoires de la cellule où le dioxygène est utilisé pour l’oxydation des métabolites. L’accroissement du nombre de mitochondries est donc un facteur expliquant l’augmentation de l’intensité respiratoire des cellules du spadice.
  • Normalement, les oxydations mitochondriales sont couplées à la synthèse d’ATP. En effet, c’est l’énergie libérée par les oxydations qui sert à la synthèse de l’ATP à partir de l’ADP et du phosphate. Toutefois, cette conversion énergétique ne se fait pas à 100 % et s’accompagne d’une production de chaleur. On peut supposer que, dans les cellules de l’inflorescence d’arum, le couplage entre oxydations et synthèse d’ATP est beaucoup plus faible que ce que l’on constate normalement, et que presque toute l’énergie provenant des oxydations mitochondriales est libérée sous forme de chaleur.

Bilan

La chaleur est un déchet énergétique des oxydations respiratoires, non utilisable pour la vie cellulaire et donc par les cellules du spadice d’arum. La chaleur produite par le spadice au cours de la crise respiratoire qu’accompagne la maturation des étamines entraîne l’émission de substances volatiles qui attirent les insectes pollinisateurs.

Ainsi, la production de chaleur par l’inflorescence s’avère fondamentale pour la reproduction de l’espèce.