Simulateur de photosynthèse

Photosynthèse : de l'énergie lumineuse à la matière organique

La photosynthèse est l'ensemble des réactions par lesquelles les cellules chlorophylliennes d'un végétal, d'une algue ou d'une cyanobactérie utilisent l'énergie lumineuse pour fabriquer de la matière organique à partir de matière minérale. Chez les végétaux et les algues, elle se déroule dans les chloroplastes, qui contiennent la chlorophylle, pigment capable d'absorber la lumière ; les cyanobactéries, dépourvues de chloroplastes, réalisent aussi la photosynthèse.

Bilan : énergie et matière

• La lumière apporte de l'énergie, pas de la matière. Elle n'est pas transformée en glucides : son énergie est convertie en énergie chimique stockée dans les molécules organiques.
• Le carbone des glucides provient du dioxyde de carbone (CO₂) prélevé dans l'air ou dissous dans l'eau.
• L'eau est utilisée, et le dioxygène libéré provient de l'eau.
• Bilan simplifié : CO₂ + eau, en présence de lumière, donnent des glucides + dioxygène. On n'attribue pas ici chaque atome d'oxygène du glucose à une origine précise.

Des facteurs qui limitent l'activité

L'intensité lumineuse, la disponibilité en CO₂, la température et l'eau influencent l'activité photosynthétique. Un facteur est dit limitant lorsque, étant le plus défavorable, il fixe le niveau d'activité : augmenter un autre facteur ne change alors rien. Pour l'identifier, on enregistre un témoin puis on ne modifie qu'un seul facteur à la fois.

Un modèle théorique pour raisonner

Nous utilisons un modèle explicite, sans bruit. La lumière L et le CO₂ C sont des indices de disponibilité de 0 à 100, sans unité. La température T varie de 0 à 50 °C, avec 25 °C par défaut. L'eau est supposée suffisante. Réglages par défaut : L = 60 et C = 60. L'indice d'activité est :

I = 100 × min(L/100 ; C/100) × max(0 ; 1 − ((T − 25)/25)²)

Le minimum traduit le facteur limitant entre lumière et CO₂. Le dernier terme, compris entre 0 et 1, traduit l'effet de la température. L'optimum à 25 °C et l'activité nulle à 0 et 50 °C sont des hypothèses artificielles, pas des valeurs valables pour toutes les espèces. L'indice I n'est ni une mesure de dioxygène net ni une biomasse.

Exemple calculé

Pour T = 40 °C : (40 − 25)/25 = 0,6 ; 0,6² = 0,36 ; 1 − 0,36 = 0,64 ; I = 80 × 0,64 = 51,2.

Respiration et limites

La respiration consomme du dioxygène et libère du CO₂ dans les cellules, à la lumière comme à l'obscurité. Elle est hors modèle. Une mesure réelle de dioxygène à la lumière est donc un bilan net : production par photosynthèse moins consommation par respiration. L'absence de photosynthèse à l'obscurité ne signifie pas l'absence de synthèses : une plante peut continuer à fabriquer des molécules et à croître en utilisant ses réserves, pendant un temps limité.

Exercice 1 : Pourquoi plus de lumière n'augmente pas toujours l'activité

Un groupe veut expliquer pourquoi un éclairage plus intense d'une culture d'algues ne fait pas toujours progresser son activité photosynthétique. Il utilise le modèle théorique, sans bruit.

Document 1 : protocole et mesures virtuelles

Le témoin est enregistré avec L = 60, C = 60, T = 25 °C. Seule L est ensuite modifiée, et chaque mesure virtuelle est ajoutée au tableau comparatif.

Document 2 : seconde série

On garde L = 100 et T = 25 °C, puis on modifie seulement C.

1. Dans le document 1, nommer le facteur modifié et les paramètres maintenus constants.
2. Vérifier par le calcul les valeurs de I pour L = 40 et L = 80.
3. Décrire l'évolution de I, indiquer la valeur de L à partir de laquelle I cesse d'augmenter et justifier avec la formule.
4. Avec le document 2, désigner le facteur limitant à L = 100 et prévoir I pour C = 45 (T = 25 °C).
5. Le bouton Témoin à l'obscurité crée un comparateur L = 0 (T et CO₂ actuels conservés) sans modifier l'expérience en cours ; ce comparateur donne I = 0. Un élève conclut que la plante ne fabrique plus rien. Discuter cette conclusion.

Exercice 2 : CO2 et température

Une équipe étudie deux facteurs séparément dans le modèle. Elle veut savoir lequel limite l'activité quand la lumière est déjà élevée, et comment la température modifie le résultat.

Document 1 : effet du CO2 (L = 80, T = 25 °C)

Document 2 : effet de la température (L = 80, C = 80)

Le témoin L = 80, C = 80, T = 25 °C est enregistré, puis seule T est modifiée.

1. Calculer I pour L = 80, C = 70, T = 25 °C.
2. Dans le document 1, repérer à partir de quelle valeur de C l'augmentation du CO₂ n'a plus d'effet et nommer alors le facteur limitant.
3. Calculer le terme température puis I pour T = 35 °C (L = 80, C = 80).
4. Écrire les réglages d'un protocole testant T = 20 °C à partir du témoin du document 2 et donner la valeur attendue de I.
5. Les valeurs pour 10 °C et 40 °C sont identiques. Expliquer ce résultat, puis dire s'il autorise à affirmer que toutes les plantes ont un optimum à 25 °C.

Exercice 3 : Lumière, matière et réserves

Un élève affirme : « la lumière se transforme en glucose, et sans lumière la plante ne fabrique plus rien ». On confronte cette idée à des mesures virtuelles et à des données construites pour l'exercice, sans lien avec une étude réelle.

Document 1 : tableau comparatif à partir du témoin L = 60, C = 60, T = 25 °C

Document 2 : plantule de pois cultivée à l'obscurité (données construites)

1. Calculer I pour T = 35 °C (L = 60, C = 60) et vérifier le document 1.
2. Expliquer pourquoi L = 90 ne change pas I alors que C = 30 le diminue.
3. Dire ce que montre la ligne Obscurité et ce qu'elle ne permet pas de conclure.
4. Calculer la variation de la masse de réserves entre les jours 0 et 4 (en mg et en pourcentage) et l'allongement de la tige, puis conclure prudemment.
5. Corriger l'affirmation de l'élève en trois phrases : rôle de la lumière, origine du carbone, origine du dioxygène libéré.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. Le facteur modifié est la lumière L. Sont maintenus constants : C = 60, T = 25 °C, et l'eau suffisante.
2. Pour L = 40 : min(0,4 ; 0,6) = 0,4, terme température = 1, donc I = 100 × 0,4 × 1 = 40. Pour L = 80 : min(0,8 ; 0,6) = 0,6, donc I = 60.
3. I passe de 0 à 60 quand L passe de 0 à 60 : I est égal à L, la progression est proportionnelle. Pour L supérieur ou égal à 60, I reste à 60 car min(L/100 ; 0,6) = 0,6. Le CO₂ (C = 60) devient limitant.
4. À L = 100, min(1 ; C/100) = C/100 donc I = C : le CO₂ est limitant. Pour C = 45 : I = 100 × 0,45 × 1 = 45.
5. I = 0 signifie seulement qu'il n'y a pas de photosynthèse dans le modèle. La respiration, hors modèle, continue. Le modèle ne mesure ni synthèses ni biomasse : la conclusion « ne fabrique plus rien » dépasse les preuves. Une plante peut synthétiser des molécules à partir de ses réserves.

Exercice 2 : correction

1. min(0,8 ; 0,7) = 0,7 ; terme température = 1 ; I = 100 × 0,7 = 70 (sans unité).
2. I suit C jusqu'à 80, puis reste à 80 pour C = 100. À partir de C = 80, le CO₂ n'est plus limitant : la lumière (L = 80) l'est, car min(0,8 ; C/100) = 0,8.
3. (35 − 25)/25 = 0,4 ; 0,4² = 0,16 ; terme température = 1 − 0,16 = 0,84. I = 80 × 0,84 = 67,2.
4. Réglages : enregistrer L = 80, C = 80, T = 25 °C (I = 80), puis modifier seulement T à 20 °C et ajouter la mesure. Calcul : (20 − 25)/25 = −0,2 ; 0,04 ; terme = 0,96 ; I = 80 × 0,96 = 76,8.
5. 10 °C et 40 °C sont à 15 °C de 25 °C : (15/25)² = 0,36, terme = 0,64, I = 80 × 0,64 = 51,2. Cette symétrie vient de la formule choisie. Ces données ne prouvent rien sur les plantes réelles : l'optimum à 25 °C et les zéros à 0 et 50 °C sont des hypothèses artificielles, et les espèces diffèrent.

Exercice 3 : correction

1. (35 − 25)/25 = 0,4 ; terme = 1 − 0,16 = 0,84 ; min(0,6 ; 0,6) = 0,6 ; I = 100 × 0,6 × 0,84 = 50,4. Le tableau est cohérent.
2. Dans le témoin, L et C valent tous deux 60 : le minimum vaut 0,6. Monter L à 90 donne min(0,9 ; 0,6) = 0,6, donc I reste 60. Baisser C à 30 donne min(0,6 ; 0,3) = 0,3, donc I = 30 : le CO₂ fixe la valeur.
3. La ligne Obscurité montre que, dans le modèle, I = 0 quand L = 0, avec T et CO₂ conservés. Elle ne permet pas de conclure sur la respiration, les réserves, les synthèses ou la croissance, car le modèle ne les représente pas.
4. Réserves : 55 − 100 = −45 mg, soit −45 % de la masse initiale (45/100). La tige s'allonge de 7 cm. Une croissance a lieu à l'obscurité pendant que les réserves diminuent : elle peut s'appuyer sur elles. Ces données ne mesurent pas la photosynthèse et ne disent rien de la suite : les réserves s'épuisent.
5. La lumière apporte de l'énergie, elle n'est pas transformée en matière. Le carbone des glucides provient du CO₂. Le dioxygène libéré provient de l'eau.