Métabolisme cellulaire : respiration, photosynthèse et échanges de matière

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Une cellule échange en permanence de la matière et de l'énergie

Le métabolisme désigne l'ensemble des réactions chimiques qui se déroulent dans une cellule. Une cellule est un système ouvert : elle prélève dans son milieu des substances (dioxygène, dioxyde de carbone, eau, ions, molécules organiques) et y rejette des déchets. Ces échanges de matière s'accompagnent de transformations d'énergie. Les réactions métaboliques sont accélérées par des enzymes, protéines spécifiques d'une réaction, qui ne sont pas consommées par elle.

La photosynthèse : fabriquer de la matière organique à partir de matière minérale

Dans les cellules chlorophylliennes des feuilles, les chloroplastes contiennent de la chlorophylle, pigment qui absorbe une partie de la lumière. Cette énergie lumineuse permet de construire des molécules organiques à partir de matière minérale :

6 CO₂ + 6 H₂O + énergie lumineuse → C₆H₁₂O₆ (glucose) + 6 O₂

Le dioxyde de carbone entre dans la feuille par les stomates, l'eau est prélevée par les racines, et le dioxygène est rejeté. L'énergie lumineuse est convertie en énergie chimique stockée dans la matière organique. Un organisme capable de ce mode de nutrition est dit autotrophe. Le glucose sert ensuite à fabriquer d'autres constituants : amidon de réserve, cellulose, protéines, lipides.

La respiration : libérer l'énergie de la matière organique

Dans presque toutes les cellules eucaryotes, la matière organique est dégradée en présence de dioxygène. Le glucose est d'abord transformé dans le cytoplasme, puis la dégradation s'achève dans les mitochondries :

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + énergie

Une partie de cette énergie est stockée sous forme d'ATP, molécule que la cellule utilise pour ses activités (contraction, synthèses, transports). Le reste est dissipé sous forme de chaleur. En l'absence de dioxygène, certaines cellules recourent à la fermentation, qui libère beaucoup moins d'énergie par molécule de glucose.

Deux processus distincts, souvent simultanés

Les cellules chlorophylliennes possèdent à la fois des chloroplastes et des mitochondries. Elles respirent jour et nuit, et réalisent la photosynthèse seulement lorsqu'elles sont éclairées. Les échanges gazeux mesurés sont donc un bilan net :

• photosynthèse nette = photosynthèse brute − respiration ;
• à l'obscurité, seule la respiration agit ;
• le point de compensation est l'éclairement pour lequel la photosynthèse brute égale la respiration, de sorte que les échanges gazeux nets sont nuls.

Exemple analysé

Une feuille est placée dans une enceinte close. À la lumière, la concentration en CO₂ diminue de 40 ppm en 10 minutes. À l'obscurité, elle augmente de 25 ppm en 10 minutes.

À l'obscurité, la variation traduit la respiration seule : +2,5 ppm par minute. À la lumière, la variation nette est de −4,0 ppm par minute. Si l'on suppose la respiration inchangée, la photosynthèse brute vaut 4,0 + 2,5 = 6,5 ppm par minute. La conclusion reste limitée à cette feuille, dans ces conditions, et repose sur l'hypothèse d'une respiration constante.

Un piège à éviter

Il est faux de croire que la lumière est une matière que la plante transforme en glucose : la lumière apporte de l'énergie, la matière provient du CO₂ et de l'eau. Il est tout aussi faux de croire que la plante ne respire que la nuit. Enfin, une plantule qui germe à l'obscurité utilise et transforme les réserves de la graine pour synthétiser ses constituants, mais elle ne produit pas de matière organique par photosynthèse à partir de matière minérale.

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Situation-problème

Une classe de seconde veut savoir si une plante verte placée sous un faible éclairement accumule de la matière organique ou en consomme. L'équipe A étudie un rameau d'élodée, plante aquatique, dans un flacon d'eau. L'équipe B étudie une plante terrestre dans une enceinte fermée. Chaque équipe mesure la variation d'un gaz. Vous devez exploiter ces mesures pour distinguer ce qui relève de la photosynthèse et de la respiration, puis évaluer le bilan sur une journée. Données pédagogiques simplifiées.

Document 1 : mesures de l'équipe A (dioxygène dissous)

10 g de feuilles d'élodée sont placés dans un flacon fermé, rempli d'eau à 20 °C contenant du CO₂ dissous en quantité non limitante. Une sonde mesure la masse de O₂ dissous au début et à la fin d'une heure, pour cinq éclairements. Le flacon à 0 lux est entouré d'aluminium. Les mêmes feuilles sont utilisées à chaque mesure.

Document 2 : mesures de l'équipe B (dioxyde de carbone dans l'air)

Une plante en pot, dont les racines et le pot sont isolés dans un sac étanche, est placée dans une enceinte fermée de 20 L à 22 °C. Une seconde enceinte identique, sans plante, sert de témoin. Un capteur mesure la concentration en CO₂ toutes les 10 minutes. La lampe est allumée de 0 à 30 minutes, puis éteinte de 30 à 60 minutes.

Exercice 1 : lire et exploiter un tableau d'échanges gazeux

1. Décrivez l'évolution de la variation de O₂ quand l'éclairement augmente, en précisant si la progression reste régulière.
2. Expliquez la valeur négative obtenue à 0 lux en nommant le processus responsable et l'organite où se déroule sa dernière étape.
3. En supposant la respiration constante, calculez la production brute de O₂ (en mg par heure) pour chacun des cinq éclairements.
4. Estimez par interpolation linéaire l'éclairement du point de compensation, puis définissez ce terme.

Exercice 2 : calcul et analyse d'un protocole comparatif

1. Calculez la vitesse de variation de la concentration en CO₂ en ppm par minute, de 0 à 30 minutes puis de 30 à 60 minutes, pour l'enceinte avec plante. Indiquez le signe.
2. Expliquez le rôle de l'enceinte témoin et ce que ses valeurs permettent de conclure.
3. Estimez la vitesse de photosynthèse brute en ppm par minute et énoncez l'hypothèse nécessaire.
4. Donnez deux limites aux conclusions que l'on peut tirer de cette expérience.

Exercice 3 : confronter les documents et argumenter

Données : masse molaire du dioxygène 32 g/mol ; masse molaire du glucose 180 g/mol. Un jour comporte ici 12 h de lumière et 12 h d'obscurité.

1. Un élève affirme : « la plante ne respire que la nuit ». À l'aide du Document 1, montrez que cette affirmation est contredite à 500 lux.
2. Calculez le bilan de O₂ sur 24 h pour 10 g de feuilles, avec 12 h à 500 lux puis 12 h à l'obscurité, puis avec 12 h à 4000 lux puis 12 h à l'obscurité. Interprétez en termes de matière organique.
3. À 4000 lux, convertissez la production brute de O₂ en masse de glucose synthétisé par heure, à partir de l'équation de la photosynthèse.
4. Un autre élève écrit : « la lumière se transforme en glucose, c'est la matière de la plante ». Corrigez en précisant l'origine de la matière et le rôle de la lumière.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. La variation de O₂ croît avec l'éclairement : −0,6 mg/h à 0 lux, −0,2 à 500, +0,4 à 1000, +1,2 à 2000 et +1,8 à 4000. La progression n'est pas régulière : elle gagne 1,2 mg/h par tranche de 1000 lux entre 500 et 1000 lux, 0,8 entre 1000 et 2000, mais seulement 0,3 entre 2000 et 4000. La courbe tend vers un palier.
2. À 0 lux il n'y a pas de photosynthèse. Les cellules respirent et consomment du O₂, d'où la baisse de 0,6 mg/h. La dernière étape de la respiration se déroule dans les mitochondries.
3. Production brute = variation nette + 0,6. On obtient : 0 mg/h à 0 lux ; 0,4 à 500 lux ; 1,0 à 1000 lux ; 1,8 à 2000 lux ; 2,4 à 4000 lux. L'unité est le mg de O₂ par heure pour 10 g de feuilles.
4. Le net passe de −0,2 à +0,4 entre 500 et 1000 lux, soit 0,6 mg/h pour 500 lux. Le net s'annule après 0,2 / 0,6 × 500 ≈ 167 lux de plus, donc vers 667 lux, soit environ 670 lux. Le point de compensation est l'éclairement où la photosynthèse brute égale la respiration, donc où le bilan net est nul. Cette valeur est une estimation, car la courbe n'est pas strictement linéaire.

Critères de réussite : valeurs citées, calculs justifiés avec unités, vocabulaire net et brut correct.

Exercice 2 : correction

1. De 0 à 30 min : (560 − 800) / 30 = −8,0 ppm/min, soit une diminution. De 30 à 60 min : (715 − 560) / 30 ≈ +5,2 ppm/min, soit une augmentation.
2. Le témoin est une enceinte identique, sans plante (l'énoncé ne précise pas son éclairage ; on suppose qu'il est identique à celui de l'enceinte test). Sa concentration reste autour de 800 ppm (écart d'au plus 2 ppm). Ce témoin stable soutient l'attribution des variations aux échanges gazeux de la plante. Il ne prouve pas une cause unique et n'exclut pas toutes les autres causes, par exemple une fuite propre à l'enceinte test ou un échauffement spécifique de cette enceinte.
3. À l'obscurité, la respiration seule produit +5,2 ppm/min. Si la respiration est identique à la lumière, la photosynthèse brute vaut 8,0 + 5,2 = 13,2 ppm/min. L'hypothèse est celle d'une respiration constante entre lumière et obscurité.
4. Limites possibles : une seule plante et une seule répétition, donc pas de généralisation à toutes les espèces ; la respiration peut varier avec la lumière et la température ; l'enceinte fermée voit sa concentration évoluer, ce qui peut modifier la vitesse de photosynthèse ; les ppm mesurent une concentration et non une masse de matière organique produite.

Critères de réussite : signes corrects, rôle du témoin lié à la comparaison, hypothèse explicitée, limites argumentées.

Exercice 3 : correction

1. À 500 lux, le bilan net est négatif (−0,2 mg/h) : la masse de O₂ dissous diminue alors que le flacon est éclairé. Si la respiration s'arrêtait en lumière, le O₂ ne pourrait pas diminuer, car la photosynthèse en produit ou, au minimum, n'en consomme pas. La baisse montre donc que la respiration continue en lumière. Sous l'hypothèse d'une respiration constante, elle consomme 0,6 mg/h et la production brute vaut 0,4 mg/h. Le Document 2 confirme que la respiration existe aussi à l'obscurité, mais ne suffit pas à lui seul à la prouver en lumière.
2. En supposant que les taux horaires mesurés restent constants pendant chaque période de 12 h, à 500 lux : 12 × (−0,2) + 12 × (−0,6) = −2,4 − 7,2 = −9,6 mg de O₂. À 4000 lux : 12 × 1,8 + 12 × (−0,6) = 21,6 − 7,2 = +14,4 mg de O₂. Dans le premier cas, le bilan est négatif : selon ce modèle, les feuilles étudiées n'accumulent pas de matière organique nette et en consomment davantage qu'elles n'en fabriquent. Une croissance temporaire de certains organes reste possible aux dépens des réserves, malgré cette perte globale. Dans le second cas, la synthèse dépasse la consommation : les feuilles étudiées dégagent un excédent de matière organique, disponible pour le stockage ou la croissance. Limites : ces 10 g de feuilles ne permettent pas de conclure pour la plante entière, car les racines et les tiges n'ont pas été mesurées ; le O₂ est un indicateur, non une pesée de biomasse.
3. Production brute à 4000 lux : 2,4 mg de O₂, soit 2,4 / 32 = 0,075 mmol. L'équation donne 6 O₂ pour 1 glucose : 0,075 / 6 = 0,0125 mmol de glucose. Masse : 0,0125 × 180 = 2,25 mg de glucose par heure pour 10 g de feuilles.
4. La lumière apporte de l'énergie, pas de matière. Le carbone du glucose provient du CO₂, et l'eau intervient dans la synthèse : le dioxygène libéré provient de l'eau, ce que montrent des expériences avec un traceur isotopique (¹⁸O). L'énergie lumineuse, absorbée par la chlorophylle, est convertie en énergie chimique stockée dans la matière organique.

Critères de réussite : bilan calculé sur 24 h avec unités, conversion molaire correcte, distinction nette énergie et matière, conclusion nuancée sur la portée des mesures.