Photosynthèse : production de matière organique et devenir des assimilats

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

Photosynthèse : de la matière minérale à la matière organique

1. Principe et bilan

Les cellules chlorophylliennes des végétaux, des algues et des cyanobactéries sont autotrophes : elles fabriquent leur matière organique à partir de matière minérale, le dioxyde de carbone (CO₂) et l'eau, en utilisant l'énergie lumineuse. Un organisme hétérotrophe, comme un animal consommateur, fabrique sa propre matière à partir de matière organique déjà élaborée qu'il consomme. La lumière apporte de l'énergie, pas de la matière : elle n'est jamais « transformée en sucre ».

Bilan simplifié : 6 CO₂ + 6 H₂O + énergie lumineuse → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. Le dioxygène libéré provient de l'oxydation de l'eau.

2. Deux phases dans le chloroplaste

• La phase photochimique a lieu dans les membranes des thylakoïdes. Les pigments, dont les chlorophylles, captent l'énergie lumineuse ; l'eau est oxydée (libération de O₂) ; il se forme de l'ATP et des composés réduits (R'H₂).
• La phase de fixation du carbone (cycle de Calvin-Benson) a lieu dans le stroma. La rubisco fixe le CO₂ sur un composé à cinq carbones, ce qui donne deux molécules d'acide 3-phosphoglycérique (APG). L'APG est réduit en trioses phosphates grâce à l'ATP et aux R'H₂. Une partie des trioses phosphates régénère le composé à cinq carbones, ce qui rend le cycle continu.

La seconde phase n'utilise pas directement la lumière, mais elle dépend de la première pour son ATP et ses R'H₂.

3. Devenir des assimilats

Les assimilats sont les molécules organiques issues de l'assimilation du carbone. Les trioses phosphates suivent plusieurs voies :

• dans le chloroplaste, formation d'amidon transitoire, réserve de courte durée mobilisée la nuit ;
• dans le cytosol, formation de saccharose, glucide transportable, exporté dans les tubes criblés du phloème (sève élaborée) ;
• dans les organes consommateurs de matière, appelés organes puits (racines, jeunes feuilles, fruits, graines), le saccharose sert à la respiration cellulaire, à la synthèse de cellulose des parois, au stockage sous forme d'amidon ou de lipides et, avec les nitrates absorbés par les racines, à la synthèse d'acides aminés puis de protéines.

Les organes sources, comme les feuilles adultes, exportent plus de matière organique qu'ils n'en consomment. Un même organe peut changer de statut au cours du développement.

4. Exemple analysé

Imaginons une feuille de haricot exposée dix minutes à un air dont le CO₂ contient du carbone 14, un traceur radioactif, puis replacée à l'air normal. Quelques heures plus tard, la radioactivité est détectée dans le saccharose de la sève élaborée, puis dans les racines et les gousses. Raisonnement : le carbone marqué ne peut provenir que du CO₂ absorbé ; il a été incorporé à des molécules organiques dans la feuille, puis exporté. Les racines, non chlorophylliennes, reçoivent donc de la matière organique d'origine photosynthétique. Limite : un résultat obtenu sur une espèce, dans des conditions données, ne prouve pas que toutes les plantes se comportent de même.

5. Piège classique

Affirmation fausse : « une plantule qui grandit à l'obscurité produit de la matière organique par photosynthèse ». À l'obscurité, une plantule issue d'une graine mobilise et transforme ses réserves (amidon, lipides, protéines), synthétise de nouveaux constituants comme la cellulose et s'allonge, mais elle ne fabrique pas de matière organique à partir de matière minérale. Sa masse sèche totale diminue, car la respiration consomme du carbone. Il faut distinguer synthétiser un constituant et produire de la matière organique par photosynthèse.

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

Situation-problème

Une feuille de haricot adulte exporte une partie de la matière organique qu'elle fabrique, mais on ignore où elle va et ce qu'elle devient. Deux expériences simplifiées sont conduites : l'une suit le carbone fixé par une feuille au cours du temps, l'autre compare la répartition de ce carbone dans deux lots de plantes, avec ou sans gousses en développement. En exploitant les documents, vous devez déterminer par quelles molécules le carbone du CO₂ transite, vers quels organes il est exporté, et si cette répartition est figée ou dépend de la demande des organes. Vous préciserez aussi les limites de ce que ces données permettent de conclure.

Document 1 : devenir du carbone fixé par une feuille (Données pédagogiques simplifiées)

Une feuille de haricot éclairée est placée dans un air contenant du CO₂ marqué au carbone 14. À différents instants, des fragments de feuille sont plongés dans l'alcool bouillant pour arrêter les réactions, puis la radioactivité de chaque type de molécule est mesurée. Le tableau donne la part de la radioactivité totale de la feuille, en pourcentage.

Compte rendu d'observation complémentaire : après coloration à l'eau iodée, les cellules d'une feuille prélevée en fin de journée montrent des chloroplastes remplis de grains bleu-noir. Celles d'une feuille de la même plante prélevée après une nuit montrent des chloroplastes presque incolores.

Document 2 : répartition du carbone exporté selon la présence de gousses (Données pédagogiques simplifiées)

Deux lots de plants de haricot identiques, cultivés dans les mêmes conditions d'éclairement, d'arrosage et de température, sont comparés. Lot A : plants portant des gousses en développement. Lot B : plants dont les gousses ont été retirées dès leur apparition. Sur chaque plant, une seule feuille adulte est exposée 30 minutes à du CO₂ marqué, ce qui correspond à une fixation de 1000 unités arbitraires (u.a.) de radioactivité. Vingt-quatre heures plus tard, on mesure la radioactivité restant dans cette feuille, puis celle des autres organes. Les valeurs sont des moyennes sur 10 plants par lot. Hypothèse de modélisation : on néglige la perte de ¹⁴CO₂ due à la respiration pendant les 24 h (ou on suppose que le carbone marqué respiré est négligeable dans le bilan), de sorte que la radioactivité fixée moins celle restant dans la feuille est assimilée à la radioactivité exportée.

Une analyse de la sève élaborée prélevée sur la tige indique qu'environ 90 % des glucides qu'elle contient sont du saccharose, sans trace d'amidon.

Exercice 1 : exploiter une cinétique de marquage

1. Indiquer, en justifiant avec le tableau du document 1, quelle molécule est majoritairement marquée au premier instant mesuré (5 s) et en quoi ce résultat est compatible avec le cours sur le premier produit de la fixation du carbone.
2. Décrire l'évolution des parts d'APG, de saccharose et d'amidon entre 5 s et 1800 s.
3. Calculer l'augmentation, en points de pourcentage, de la part du saccharose entre 30 s et 600 s, puis la part cumulée du saccharose et de l'amidon à 1800 s.
4. Proposer un ordre d'apparition des molécules marquées et expliquer pourquoi ce tableau seul ne prouve pas que chaque molécule provient directement de la précédente.

Exercice 2 : calculer et comparer la répartition du carbone exporté

1. En admettant l'hypothèse de modélisation du document 2, calculer, pour chaque lot, la radioactivité exportée hors de la feuille exposée, en u.a. puis en pourcentage de la radioactivité fixée.
2. Calculer la radioactivité reçue par les racines, en u.a., dans chaque lot, puis le rapport entre les deux valeurs.
3. Identifier l'organe dont la part change le plus entre les lots et formuler une interprétation du rôle de cet organe.
4. Donner deux limites des conclusions que l'on peut tirer de cette expérience.

Exercice 3 : confronter les documents et argumenter

1. Un élève affirme : « les racines fabriquent leur matière organique par photosynthèse grâce à la lumière ». Discuter cette affirmation à l'aide du document 2 et du cours.
2. En confrontant les documents 1 et 2, expliquer pourquoi le saccharose est la forme de transport du carbone alors que l'amidon reste dans la feuille.
3. Une plantule de haricot cultivée quatre jours à l'obscurité s'allonge de 6 cm, tandis que sa masse sèche passe de 100 mg à 70 mg. Calculer la variation relative de masse sèche et expliquer ces deux observations sans invoquer de photosynthèse.
4. Rédiger en quatre à six lignes une conclusion répondant à la situation-problème, en précisant ce que la lumière apporte à la plante.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. À 5 s, l'APG porte 70 % de la radioactivité, la plus forte part du tableau à cet instant, alors que le saccharose n'en porte que 2 % et l'amidon 0 %. L'APG est donc la molécule majoritairement marquée au premier instant mesuré, ce qui est compatible avec le cours selon lequel il est le premier produit de la fixation du CO₂. Le tableau seul ne prouve pas qu'il apparaît le premier, car trioses phosphates (20 %) et saccharose (2 %) sont déjà marqués à 5 s.
2. La part d'APG diminue de 70 % à 3 %. Celle du saccharose augmente de 2 % à 38 %, avec un ralentissement après 600 s (35 % puis 38 %). L'amidon est absent à 5 s, apparaît à 3 % à 30 s, puis atteint 35 % à 1800 s.
3. Saccharose : 35 − 12 = 23 points de pourcentage. À 1800 s : 38 + 35 = 73 % de la radioactivité totale, soit près des trois quarts du carbone marqué.
4. Ordre proposé, en accord avec le cours : APG, trioses phosphates (maximum de 38 % à 30 s), puis saccharose et amidon. Dès 5 s, APG, trioses phosphates et saccharose sont déjà marqués ; seul l'amidon ne l'est pas encore. Limite : des pourcentages relatifs mesurés à cinq instants ne montrent ni les étapes intermédiaires ni la filiation directe, et 16 % de la radioactivité reste dans des molécules non identifiées. Les données sont compatibles avec cette succession sans la démontrer à elles seules.

Critères de réussite : valeurs citées avec leur unité, calculs posés, distinction entre constat et interprétation.

Exercice 2 : correction

1. Sous l'hypothèse du document 2 (perte de ¹⁴CO₂ respiratoire négligée sur 24 h, ou carbone marqué respiré comptabilisé comme négligeable) : lot A : 1000 − 380 = 620 u.a. exportées, soit 62 % de la radioactivité fixée. Lot B : 1000 − 500 = 500 u.a., soit 50 %. Si une part du carbone marqué avait été respirée, ces valeurs surestimeraient l'export réel.
2. Lot A : 0,20 × 620 = 124 u.a. dans les racines. Lot B : 0,52 × 500 = 260 u.a. Le rapport est 260 / 124 ≈ 2,1 : les racines reçoivent environ deux fois plus de carbone marqué sans gousses.
3. Les gousses passent de 55 % de l'exporté (0,55 × 620 = 341 u.a.) à 0, et la part des racines passe de 20 % à 52 %. L'interprétation la plus cohérente est que les gousses en développement sont des organes puits puissants : elles captent plus de la moitié du carbone exporté. En leur absence, la matière est redistribuée vers les racines, la tige et les jeunes feuilles (racines : 124 u.a. dans le lot A contre 260 u.a. dans le lot B ; jeunes feuilles : 93 u.a. contre 150 u.a.), et l'export total diminue (62 % contre 50 %). La répartition n'est donc pas figée et est compatible avec une dépendance à la demande des organes, sous réserve des limites ci-dessous.
4. Limites : une seule espèce, un seul stade, 24 heures de suivi et une seule feuille marquée sur chaque plant ; les unités arbitraires mesurent du carbone marqué et non un bilan complet de masse. L'ablation des gousses modifie aussi la blessure et peut modifier des signaux hormonaux, et aucun lot témoin (plants blessés sans retrait des gousses, par exemple) ne contrôle cet effet : on peut donc conclure à une redistribution compatible avec un rôle d'organe puits, sans exclure une contribution de la blessure ou de signaux hormonaux, et sans généraliser à toutes les plantes.

Critères de réussite : calculs complets avec unités, interprétation reliée à la notion d'organe puits, deux limites distinctes.

Exercice 3 : correction

1. L'affirmation est fausse. Les racines vivent à l'obscurité et ne possèdent pas de chloroplastes fonctionnels : elles ne fixent pas le CO₂. Le document 2 montre qu'elles reçoivent 124 ou 260 u.a. de carbone marqué fixé par la feuille. Elles utilisent cette matière organique importée pour respirer et synthétiser leurs constituants (cellulose, protéines avec les nitrates absorbés). Elles transforment de la matière organique, elles n'en produisent pas à partir de matière minérale.
2. Dans le document 1, l'amidon se forme dans la feuille (35 % à 1800 s), mais l'observation à l'eau iodée montre qu'il s'accumule le jour et disparaît presque la nuit : c'est une réserve transitoire locale. Le saccharose augmente aussi (38 %) et la sève élaborée en contient environ 90 % des glucides, sans amidon. Le saccharose est donc la forme exportée vers les organes puits, l'amidon la forme de stockage temporaire dans le chloroplaste. Ces données sont cohérentes avec ce rôle sans suffire à le démontrer pour toutes les plantes.
3. Variation : (70 − 100) / 100 = −30 %, soit une perte de 30 mg de masse sèche. L'allongement résulte de la synthèse de constituants (parois, protéines) à partir des réserves de la graine, mobilisées et transformées. Une partie de ce carbone est oxydée par la respiration et rejetée sous forme de CO₂, d'où la baisse de masse sèche. Sans lumière, la phase photochimique ne fournit ni ATP ni R'H₂ : aucune matière organique n'est produite par photosynthèse.
4. Conclusion attendue : le carbone du CO₂ est fixé dans les chloroplastes, passe par l'APG et les trioses phosphates, puis devient saccharose exporté ou amidon transitoire. Le saccharose est distribué entre les organes puits, avec une forte part vers les gousses lorsqu'elles existent, ce qui est compatible avec un rôle de la demande des organes. La lumière apporte l'énergie qui permet cette synthèse ; la matière provient du CO₂ et de l'eau.

Critères de réussite : distinction nette entre énergie et matière, entre transformation de réserves et photosynthèse, et utilisation chiffrée des deux documents.