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PHOTOSYNTHESE 1. LA MATIÈRE DANS LE MONDE VIVANT

1.1. Un réseau alimentaire

Réseau alimentaire d’un champ de blé

Source : Pierre Stouff

A partir du réseau, complète deux chaînes alimentaires : Et que mangent-ils ?

Être vivant Nourriture Être vivant Nourriture

Quel est toujours le premier maillon d’une chaîne alimentaire ? …………………………………………. Pour te rappeler les concepts importants d’un réseau alimentaire et comprendre son lien avec la matière, continue au verso.

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o La matière dans la chaîne alimentaire

Colorie le mot matière chaque fois qu’il apparaît. La chaîne alimentaire comprend 3 types de maillons jouant chacun un rôle essentiel dans le cycle de la vie :

Les producteurs sont les êtres vivants se trouvant au début de la chaîne alimentaire. Par exemple les plantes sont des producteurs. Les producteurs sont toujours le premier maillon d'une chaîne alimentaire. Les producteurs sont les êtres vivants capables de produire leur propre matière vivante.

Les consommateurs sont les êtres vivants qui ne peuvent pas produire seuls leur propre matière organique. Pour grandir et croître ils ont besoin de consommer d'autres êtres vivants. Par exemple, les animaux ou l'homme sont des consommateurs. Il y a des consommateurs herbivores ou carnivores.

Les décomposeurs sont les êtres vivants qui dégradent les matières organiques, les transforment et les restituent à la nature sous la forme d'éléments minéraux. Les décomposeurs sont les êtres vivants chargés de "nettoyer" la terre et de recycler les êtres vivants décédés en matière organique pouvant à son tour être consommée par les producteurs. Par exemple, les asticots sont des décomposeurs.

Complète ce schéma de chaîne alimentaire en y intégrant le mot matière où c’est nécessaire.

Alors de quoi se nourrissent les producteurs ? Emet trois hypothèses.

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1.2. Approche historique de la photosynthèse

Depuis la nuit des temps, l’homme a besoin des plantes pour se nourrir, se soigner, s’abriter,… C’est ainsi que très tôt, il s’est intéressé à leur croissance et à leurs besoins.

o Aristote

Dès l’Antiquité, le problème a intéressé les chercheurs. Selon Aristote (384-322 av. JC), les végétaux tirent du sol leurs aliments. Ces aliments sont « prêts à l’emploi » ; ils n’ont plus aucune modification à subir et sont présents dans l’humus. L’humus est une substance noirâtre qui résulte de la décomposition partielle, par les microorganismes, des déchets végétaux (feuilles tombées des arbres, entre autres) et des déchets animaux (excréments, cadavres, …)

Aristote (de-bric-et-de-broc.com)

o Van Helmont

Vers 1640, le Belge Van Helmont (1579-1644) est convaincu que ce n’est pas la terre mais l’eau qui nourrit les plantes. Il a mené l’expérience suivante : il a placé dans un récipient une quantité de terre (sèche) dont la masse a été soigneusement mesurée (100 kg). Il y a planté une branche de saule de 2.5 kg qu’il a régulièrement arrosée à l’eau de pluie. Afin que la poussière ne vienne pas augmenter la quantité de terre dans le récipient, il a recouvert le récipient d’un couvercle ne laissant passer que la plante et l’eau. Au bout de 5 ans, il a déterminé la masse du saule : 84.5 kg. La terre, une fois séchée, n’avait diminué que de 60 g.

o Echanges gazeux

Au XVIIIe siècle, des botanistes affirment que « l’aliment principal des plantes est l’air » et que « les plantes effectuent des échanges gazeux inverses de notre respiration ». L’Anglais Joseph Priestley a remarqué que les bulles produites par les feuilles d’un végétal plongé dans l’eau sont constituées par de l’air très « pur », permettant à un animal de respirer. Nous savons aujourd’hui qu’il s’agit de bulles d’oxygène. Priestley suppose alors que la respiration des végétaux et celle des animaux sont de nature inverse. Les végétaux rejettent de l’oxygène alors que les animaux le consomment.

o L’importance des feuilles

A la fin du XVIIIe siècle, l’Italien Malpighi met en évidence le rôle essentiel des feuilles dans le développement de la plante. Il suppose que c’est là que se produit une transformation des éléments puisés dans la terre (il n’a pas encore reconnu le rôle de l’air).

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o La lumière

Au milieu du XIXe siècle, Julius Robert von Mayer, un médecin allemand, affirme que les plantes utilisent la lumière solaire (énergie lumineuse) pour effectuer des transformations1 de matière minérale en matière organique (qui constitue les tissus de la plante). A la fin du XIXe siècle, Von Sachs puis Engelmann montrent que la chlorophylle présente dans les feuilles de la plante est le lien entre l’utilisation de la lumière et la production d’oxygène. En outre, il établit que les parties éclairées de la plante sont celles qui produisent de l’oxygène.

o Les sels minéraux

Nous avons déjà vu que Van Helmont avait négligé la variation de masse de la terre (dans laquelle il a planté un saule). Il disait que cette matière n’avait quasiment pas changé en 5 ans… C’est ce « quasiment » qui va nous intéresser ici. Il avait déjà établi que la croissance des plantes était beaucoup plus forte lorsqu’elles étaient arrosées par l’eau provenant d’une rivière plutôt que par de l’eau de pluie. L’eau la plus nutritive n’est donc pas une eau « pure » (composée uniquement des molécules d’eau dont la formule est H2O). L’eau en bouteille ou l’eau de pluie n’est d’ailleurs pas un corps pur, mais un mélange d’eau et de sels minéraux.

1.3. Approche historique de la photosynthèse – activités

o Modèle d’Aristote

Représente par des flèches noires les apports dont bénéficie une plante selon Aristote.

o Van Helmont

A. Dessine et légende le dispositif imaginé par Van Helmont.

B. Quelle conclusion Van Helmont a-t-il pu tirer de son expérience ?

1 Transformation de matière ne signifie pas création de matière !

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C. Indique en bleu sur le schéma de la plante ci-dessus des flèches qui montrent les

apports dont bénéficie la plante selon Van Helmont.

o Echanges gazeux

Rappelle les gaz impliqués dans la respiration chez l’être humain.

o Les sels minéraux

Quels sont les minéraux présents dans l’eau

minérale dont l’étiquette est présentée ci-

contre ?

Synthèse

Les plantes synthétisent (ou produisent) donc des substances en présence de lumière. Cette

opération a dès lors été baptisée « photosynthèse » (phôtos en grec signifie lumière et synthesis

signifie production).

La description du phénomène de photosynthèse selon von Mayer pourrait, si l’on tient compte des

observations et expériences réalisées avant lui, s’exprimer schématiquement comme ceci :

OU (remplis les cases vides)

Matières minérales Matière minérale Matière organique +

glucose + +

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Approche expérimentale de la photosynthèse Depuis la nuit des temps, l’homme a besoin des plantes pour se nourrir, se soigner, s’abriter,…

C’est ainsi que très tôt, il s’est intéressé à leur croissance et à leurs besoins. Voici trois expériences

caractéristiques :

Première expérience :

Deuxième expérience :

Troisième expérience :

A

carbonisation*

par chauffage

reste de matière

minérale

*Carboniser :

extraire le

carbone par

chauffage

m = 2707 mg m = 585 mg

B

quelques

semaines

carbonisation*

par chauffage

reste de

matière

minérale

m = 2560 mg m = 6000 mg m = 649 mg

Réponds aux questions :

Première expérience :

Quelle sont les constantes ? .........................................................................................................

Quelle est la variable ? .................................................................................................................

Cite deux conditions nécessaires pour que la plante pousse ? ....................................................

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arrosage quelques semaines

A

B

Au début Après quelques heures

Gaz À l’extérieur Sous la cloche À l’extérieur Sous la cloche

O2 21 % 21 % 21 % 21.038 %

N2 78 % 78 % 78 % 78 %

CO2 0.038 % 0.038 % 0.038 % 0 %

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Deuxième expérience :

Pour chaque gaz, décris son évolution au cours des quelques heures de l’expérience.

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Que peux-tu conclure de cette expérience ? ...............................................................................

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Troisième expérience :

La matière organique brûle complètement lors du chauffage.

De quoi est constituée la matière organique (=vivante) de la plante ? ......................................

Synthèse

Les plantes synthétisent (ou produisent) donc des substances en présence de lumière. Cette

opération a dès lors été baptisée « photosynthèse » (phôtos en grec signifie lumière et synthesis

signifie production).

Le phénomène de photosynthèse peut s’exprimer schématiquement comme ceci :

OU (remplis les cases vides)

Photosynthèse : expériences Rédige une conclusion pour chaque expérience.

1. Analyse des cendres de la plante incinérée

A

carbonisation* par chauffage

reste de matière

minérale

m = 2707 mg

m = 585 mg

Matières minérales Matière minérale Matière organique +

glucose + +

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B

quelques semaines

carbonisation* par chauffage

reste de matière minérale

m = 2560 mg m = 6000 mg m = 649 mg

*Carboniser : extraire le carbone par chauffage

2. Mise en évidence d’un dégagement gazeux

Si on recueille le gaz obtenu dans le tube à essai au bout de quelques heures et qu’on y plonge un tison2, celui-ci s’enflamme au contact du gaz.

3. A quel niveau l’eau quitte-t-elle la plante ?

Les plantes produisent de l’O2…mais en consomment également…

En 1804, Nicolas-Théodore de Saussure (chimiste suisse, 1767-1845) remarque que : « Des feuilles

saines, cueillies après un jour serein d’été, et placées pendant une seule nuit sous un récipient

plein d’air atmosphérique, font subir au gaz oxygène qui les environne des modifications : le gaz

oxygène disparaît et il se forme un volume de gaz carbonique libre… ». En 1850, le pharmacien

Garreau met en évidence qu’une plante verte rejette du gaz carbonique, qu’elle soit placée à la

lumière ou à l’obscurité.

Comment s’appelle le phénomène au cours duquel un être vivant consomme de l’O2 et rejette du

CO2 ? ............................................................................................................................................

Donc cette découverte te montre que, si les animaux respirent, les plantes ............................

2 Tison = morceau de bois brûlé et encore rougeoyant

dégagement de gaz

eau

lumière

plantes aquatiques

gouttes d’eau

sac étanche

terre humide

NB : Le dioxyde de carbone ne peut pas être capté par la plante sous forme de gaz libre. Il doit être dissous dans l’eau. Les cellules de la plante doivent donc être recouvertes d’une pellicule d’eau.

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Synthèse

Les plantes, tout comme les animaux, ont besoin d’oxygène pour obtenir l’énergie qui leur permet

de grandir et de vivre. Le phénomène de respiration peut s’exprimer schématiquement comme

ceci :

OU (remplis les cases vides)

Schématise les réactions de photosynthèse et de respiration sur ces dessins :

JOUR NUIT

Donc, une plante produit de l’oxygène lors de la photosynthèse, mais en consomme lors de la

respiration ! Pourquoi ?

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Matière minérale Matière minérale Matière organique + Energie +

glucose + + énergie

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La photosynthèse : bilan

Les plantes vertes synthétisent des matières organiques à partir de substances minérales et

grâce à la lumière captée par la chlorophylle, et produisent du dioxygène (O2).

Ces substances minérales sont le dioxyde de carbone de l’air (CO2), l’eau et les sels

minéraux puisés dans le sol par les racines.

La matière organique formée est du glucose stocké sous forme d’amidon dans la plante.

La photosynthèse est donc une réaction chimique dont les réactifs sont le CO2, l’eau et les

sels minéraux, et dont les produits sont l’O2 et le glucose.

lumière

CO2 + H2O + sels minéraux → glucose + O2

Jour et nuit, la plante respire : elle transforme le glucose et l’O2 (réactifs) en CO2 et en H2O

(produits) en libérant de l’énergie.

glucose + O2 → CO2 + H2O + ENERGIE

Comme les plantes peuvent ainsi se nourrir sans manger d’autres êtres vivants, grâce à la

photosynthèse, on les appelle autotrophes. Elles sont indispensables aux animaux,

hétérotrophes, qui doivent manger d’autres êtres vivants pour obtenir la matière

nécessaire à leur croissance et à leur vie.

D’autres substances énergétiques nécessaires à l’être humain sont aussi issues de la

photosynthèse : aliments, pétrole, charbon,…