Photosynthèse

Le soleil : source d'énergie pour l'Homme de 2de1 Photosynthèse  

I- L’énergie solaire permet la photosynthèse

TP n°1 : La photosynthèse et la production de matière organique à l’échelle du végétal
Quelles sont les conditions nécessaires au déroulement de la photosynthèse, quels en sont les réactifs et les produits ?

TP n°1 : La photosynthèse, conditions, localisation, équation


Objectif notionnel : Equation de la photosynthèse

graphicProblème : Dans les feuilles vertes des végétaux chlorophylliens se produit une réaction chimique appelée photosynthèse. Quelles sont les conditions de cette réaction et quels en sont les réactifs et produits ?


Travail demandé :
A partir de l’expérience proposée et de l’étude détaillée des documents 1 et 2, établissez l’équation de la photosynthèse et le lieu de la photosynthèse dans les cellules chlorophylliennes. Précisez les conditions nécessaires au déroulement de cette réaction chimique.

Compétences : Réaliser, Communiquer


Votre équation devra satisfaire les critères suivants :
Etre formulée sous la forme A + B → C + D, avec respectivement A et B réactifs et C et D produits de la réaction.
Etre équilibrée (même nombre de chaque type d’atomes du côté des réactifs et des produits)
Les conditions nécessaires au déroulement de la réaction devront apparaître, associées à votre équation

Données :
Fiche méthode Construire et étudier un graphique
Les végétaux croissent en fabriquant leur propre matière organique.
Formule chimique du glucose (matière organique) : C6H12O6.
Dans les cellules végétales, le glucose est stocké sous forme d’amidon. L’amidon est un polymère de glucose, c'est-à-dire une chaîne de molécules de glucose. Dans l’équation de la photosynthèse, c’est le glucose qui apparaît et non l’amidon.
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Document 1 :
Le graphique proposé présente l’évolution des teneurs en O2 et CO2 dans une enceinte hermétique contenant des Euglènes, algues chlorophylliennes unicellulaires, dans différentes conditions de luminosité.
Les chiffres de l’axe des ordonnées sont en unités arbitraires (U.A.).

Expérience - Protocole :
Un plan de géranium a été placé à l’obscurité pendant 36 h, puis on a recouvert certaines de ses feuilles d’une bande de papier aluminium. On expose alors cette plante à la lumière pendant une journée, puis on prélève les feuilles. Ce sont celles dont vous disposez.
1. Dans un ballon chauffé au bain marie, décolorez les feuilles avec de l’alcool bouillant (la chlorophylle est dissoute et donc éliminée des feuilles qui deviennent jaunâtres).
2. Passez les feuilles décolorées sous l’eau froide.
3. Immergez les feuilles dans de l’eau iodée (colorant qui colore spécifiquement l’amidon en violet foncé-noir) et observez immédiatement.

Document 2 :
&  document 2 (a, b et c) p. 123.



→ Compléments/Travail maison :

Document 3 : L’incorporation du carbone dans la matière organique
En 1950, les scientifiques américains Benson et Calvin étudient la synthèse de molécules organiques par les chlorelles, des algues unicellulaires. Pour cela ils placent une suspension de chlorelles à la lumière et pour suivre la synthèse de nouvelles molécules, ils fournissent à ces algues du dioxyde de carbone dont l’élément chimique C est marqué. Ce marquage permet de suivre le devenir de cet élément chimique quelle que soit la molécule dans laquelle il est incorporé.


Glucides simples
Glucides complexes
Protides
Lipides
Début de l’expérience
-
-
-
-
Quelques secondes plus tard
+
-
+
-
Quelques minutes plus tard
++
++
++
+

Document 4 : Etude des besoins en éléments minéraux
Pour étudier les besoins en éléments minéraux des plantes, on réalise des cultures avec différentes solutions nutritives. La production de matières organiques dont les lipides et protides est précisée ci-dessous.
Solution nutritive
Solution témoin avec du potassium, du phosphore et de l’azote
Même solution sans potassium (K)
Solution témoin sans phosphore (P)
Solution témoin sans azote (N)
Production de matières organiques
Production normale
Production faible voire absente
Production faible voire absente
Production faible voire absente

A partir des documents 3 et 4 :
1. Détermineze devenir de l’élément chimique C provenant du dioxyde de carbone.
2. Montrezque les éléments minéraux sont nécessaires à la production de matière organique.

Critères de réussite/Auto-évaluation :

Décrire un graphique
Ecrire une équation
Auto-Evaluation
Auto-Evaluation
Présentation
La formulation générale imposée est respectée
Les axes sont correctement identifiés (pas d’inversion)
J

J
K

K
L

L
L’équation est formulée sous la forme  A + B → C + D
J
K
L
Description
L’allure générale des courbes est indiquée
Des valeurs chiffrées illustrent la description.
J

J
K

K
L

L
Les réactifs et produits identifiés sont exacts
J
K
L
L’équation est équilibrée (coefficients corrects)
J
K
L
Interprétation
Des hypothèses plausibles d’interprétation sont proposées.
J
K
L
Les conditions nécessaires au déroulement de la réaction apparaissent, associées à l’équation
J
K
L


L’étude de l’évolution des concentrations en O2 et en CO2 d’une enceinte contenant des cellules   chlorophylliennes placées soit à la lumière soit à l’obscurité nous permet de dire que

-  ces cellules prélèvent de l’O2 et rejettent du CO2 à l’obscurité,
   échanges gazeux correspondant à la respiration

  - elles prélèvent du CO2 et rejettent de l’O2 à la lumière,
   échanges gazeux  correspondant à la  photosynthèse.

   NB : en réalité les cellules chlorophylliennes  respirent jour et nuit mais la respiration est  cachée le jour par la photosynthèse
 prédominante.

  • A la lumière et en présence de dioxyde de carbone, une production de matière organique et de dioxygène par des végétaux chlorophylliens est mise en évidence. La synthèse de glucose puis d’amidon, composés organiques, a lieu au niveau des chloroplastes des cellules chlorophylliennes des feuilles.
  • Bilan de l’ensemble des réactions de la photosynthèse : graphic


  • Eau et sels minéraux sont aussi indispensables à la photosynthèse, ils sont puisés dans le sol par les racines de la plante.

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II- La photosynthèse permet l’entrée d’énergie dans la biosphère

TP n°2 : La photosynthèse à l’échelle de la biosphère
Quelle est l’importance de la photosynthèse dans un écosystème et à l’échelle planétaire
*Trophique : relatif à la nutrition

 


TP n°2 : La photosynthèse à l’échelle planétaire

Objectif : Comprendre l’importance de la photosynthèse
graphic Problème : Nous avons vu que les végétaux chlorophylliens réalisent la synthèse de matière organique en utilisant l’énergie solaire. Quelle est l’importance de la photosynthèse à l’échelle planétaire ?

Activité n°1 : Relations alimentaires entre les êtres vivants d’un écosystème
                                                                                                                                                                            Compétence : Raisonner

1. A partir de l’exemple proposé : écosystème simplifié de la forêt, rappelez ce que l’on appelle une chaîne alimentaire et donnez 2 exemples.
2. A partir de ces exemples, et sachant que le premier maillon des chaînes alimentaire est nommé producteur primaire (PI), le second consommateur primaire (CI) et les suivants consommateurs secondaires (CII), proposez une définition de ces termes.


Activité n°2 : La production de matière le long des chaînes alimentaires
                                                                                                                                              Compétences : Réaliser, Mettre en relation des informations

Des organismes appartiennent à un même niveau trophique s’ils sont producteurs (ils constituent alors le 1er niveau trophique) ou s’ils appartiennent au même ordre de consommateurs. Chaque niveau trophique peut être quantifié par sa biomasse et sa productivité.
Biomasse : Masse totale des organismes présents
Productivité : Biomasse produite par unité de surface et de temps (ex : kg/ha/an)
Les différents niveaux trophiques d’un écosystème peuvent être représentés par une pyramide écologique constituée de rectangles superposés dont l’aire est proportionnelle à la productivité des différents niveaux. → Exemple : le tableau ci-dessous illustre la quantité de luzerne nécessaire pour nourrir des vaches qui, à leur tour, nourrissent un garçon pendant un an.
Productivité (kg/ha/an)
Producteur primaire (luzerne)
30 000
Consommateur primaire (vache)
1040
Consommateur secondaire (garçon)
60



1. Construisez la pyramide écologique. Pour cela, tracez un rectangle de 18 cm de largeur (valeur proportionnelle à la production primaire) et de 1 cm de hauteur. Tracez au-dessus un 2ème rectangle, de même hauteur, dont la largeur respecte la même proportionnalité, pour les consommateurs primaires. Ce 2ème rectangle doit être centré par rapport au 1er de façon à établir une représentation pyramidale. De la même façon, au-dessus, tracez un 3ème rectangle proportionnel à la biomasse du consommateur secondaire. Légendez la pyramide.

2. Décrivez cette pyramide, puis expliquez sa forme en utilisant les informations apportées par le doc 2 p 124.


Activité n°3 : Le devenir de l’énergie dans un écosystème et à l’échelle planétaire
                                                                                                                                        Compétences : Réaliser, Mettre en relation des informations

1. A partir du document 3 page 125, définissez la productivité primaire brute (PPB) et la productivité primaire nette (PPN).
2. Calculez le pourcentage de l’énergie solaire reçue utilisé pour la PPB de cet écosystème ainsi que le pourcentage de la PPB consommé par la chaîne alimentaire animale.  Précisez alors pourquoi on dit que le monde vivant est le siège d’un flux d’énergie.
3. A partir du document 4 page 124,
Déterminez à quelle latitude la PPN est la plus importante. Proposez une explication.
Expliquez l’importance de l’énergie solaire à l’échelle de la biosphère.

Bilan : Répondez au problème posé en introduction.

A- Des relations trophiques* entre les êtres vivants d'un écosystème

  • Les producteurs primaires

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  • A la lumière, les végétaux, producteurs primaires, utilisent le carbone du dioxyde de carbone atmosphérique pour constituer les chaînes carbonées de leurs composants. Ils sont photoautotrophes au carbone, c’est à dire qu'ils ont la capacité de synthétiser de la matière organique à partir de matière minérale CO2, eau, sels minéraux et d'énergie lumineuse.
  • Les consommateurs

Les consommateurs primaires et secondaires utilisent le carbone des composés organiques préexistants pour constituer leurs propres composants. Ils sont hétérotrophes au carbone, c’est à dire qu'ils ont besoin de matière organique préexistante pour élaborer leur propre matière organique. Ils dépendent directement ou indirectement des producteurs primaires. Ils sont dits producteurs secondaires

  Exemple de chaîne alimentaire théorique:

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   B- Des flux d’énergie au sein d'un écosystème


& Doc 3&4 p 125
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Les transferts de matière entre les différents niveaux de la chaîne définissent des flux d’énergie entre les êtres vivants ayant pour origine la lumière. L’énergie est en partie stockée sous
forme de biomasse et en partie perdue sous forme de chaleur.
Plus les chaînes alimentaires sont longues et plus la déperdition d’énergie est grande.
Tous les milieux présentent une productivité primaire plus ou moins forte  selon
l’énergie solaire reçue et transformée en énergie chimique.

Au final, c’est la photosynthèse qui permet, à l’échelle de la planète, l’entrée de matière minérale et d’énergie dans la biosphère et donc qui assure son fonctionnement.