partie 2 : le soleil, notre source...
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Partie 2 : le soleil, notre source d’énergie
TP5 SVT : Une conversion biologique de
l'énergie solaire : la photosynthèse
Nous avons vu précédemment que le Soleil nous envoie de l’énergie sous forme lumineuse. Une partie de cette énergie reste au
niveau de la surface terrestre grâce à l’absorption par le sol et au piégeage d’une partie du rayonnement infrarouge par l’effet
de serre. Vous savez que les végétaux utilisent cette énergie pour faire la photosynthèse. Nous allons donc étudier plus
précisément ce phénomène pour comprendre comment il permet de convertir une partie de l’énergie solaire en énergie chimique.
ATELIER 1 : FABRICATION DE MATIÈRE ORGANIQUE A PARTIR DE L’ÉNERGIE LUMINEUSE Les premières expériences pour comprendre la fabrication de la matière par les végétaux sont très anciennes. Ainsi Van
Helmont au XVIème siècle réalise l’expérience présentée sur le doc1. Il se demande alors comment le saule a pu se développer
sans utiliser la matière présente dans la terre du pot.
- A partir de l’expérience présentée dans le document 2, déterminez les conditions nécessaires à la fabrication
de la matière organique par les végétaux en remplissant le tableau ci-dessous.
Rappels : *Rôle de l’eau iodée : réactif de couleur jaune , devient brunviolet en présence d’amidon.
* le lot 1 correspond à une expérience TEMOIN. qui sert à valider les expériences suivantes dans lesquelles certains paramètres
varient.
Différence expérimentale entre les 2
lots à comparer
Différences observées au niveau des
résultats
Conclusion
Lot 2 feuille avec cache
On voit que la partie cachée ne s’est pas
colorée en violet avec l’eau iodée, cette
partie n’a pas reçue de lumière
Donc , la feuille a besoin de lumière pour
fabriquer de l’amidon
Lot 3 : feuille dans un sac sans CO2
On voit que la feuille ne se colore pas en
violet avec l’eau iodée. Cette feuille n’a
pas pu prélever de CO2 dans l’air.
Donc, la feuille a bseoin de CO2 pour
fabriquer de l’amidon
- Expliquer alors à Van Helmont comment l’arbre a pu se développer sans utiliser la matière présente dans la
terre du pot.
L’arbre a fabriqué sa propre matière organique (molécules carbonées) à partir de l’eau (et ions) puisée dans le sol et
du CO2 atmosphérique prélevé au niveau des feuilles.
Grace à l’énergie lumineuse, les feuilles fabrique de la matière organique : elles convertissent l’énergie solaire en
énergie chimique.
Équation-bilan de la photosynthèse : 6 H20 + 6 CO2 → C6H12O6 + 6O2
C6H12O6 est la formule du GLUCOSE : molécule de sucre simple.
L’AMIDON ( mis en évidence par l’eau iodée) est un polymère de glucose (succession de glucose).
Dans ce sucre de nombreuses liaisons chimiques covalentes sont présentes en particulier entre les atomes de
Carbone.
La photosynthèse permet de convertir de l’énergie solaire en énergie chimique (de liaison). Ce glucose peut
ensuite être utilisé par les cellules pour se procurer de l’énergie :
- par la respiration : C6H12O6 + 6O2 → 6 H20 + 6 CO2 + 1086 kJ (combustion complète du glucose)
- par la fermentation alcoolique : C6H12O6 → 2C2H5OH + 2 CO2 + 61 Kj (combustion incomplète du glucose)
Définir et comparer la respiration et la fermentation :
La respiration cellulaire correspond à une combustion complète du glucose, en présence de dioxygène (en conditions
d’aérobie), qui libère de l’énergie utilisable par les réactions cellulaires, elle a lieu dans toutes les cellules animales et
végétales, dans des organites appelés MITOCHONDRIES.
La fermentation correspond à une dégradation incomplète du glucose, sans oxygène (en conditions d’anaérobie) qui libère
beaucoup moins d’énergie, elle a lieu dans les cellules animales et végétales, privées de dioxygène.
ATELIER 2 : ABSORPTION DE L’ÉNERGIE SOLAIRE PAR LES FEUILLES DES VÉGÉTAUX
1. Répartition de l’énergie reçue au niveau de la feuille Lorsque la lumière arrive sur une feuille d'une plante, elle peut être diffusée (renvoyée) dans toutes les directions, transmise par
transparence ou absorbée. Une grande partie de l'énergie solaire absorbée est perdue au niveau de la feuille soit par émission de
chaleur (4%) soit par évapotranspiration (perte de vapeur d'eau) (75%).
Compléter le document ci-dessous en utilisant les données du document 1 de la fiche « atelier 2 »
Donc à l’échelle de la feuille, une petite partie de la puissance radiative reçue à la surface de la Terre est utilisée pour la
photosynthèse.
On peut se demander, à l’échelle moléculaire, quelles sont les molécules présentes dans la feuille capables de
convertir l’énergie lumineuse en énergie chimique.
2. Le rôle de la chlorophylle dans la photosynthèse Les feuilles des végétaux sont vertes car elles contiennent un pigment vert nommé chlorophylle.
Une solution de pigments foliaires a été préparée selon le protocole du document 2. Utiliser le spectroscope à main pour déterminer les couleurs absorbées par la solution et justifier la couleur des
feuilles.
On voit que les couleurs absorbées sont le bleu (400/500 nm) et le rouge (650 nm) .
Il reste la couleur verte, cette longueur d’onde est donc réfléchie, les feuilles sont donc vertes.
En utilisant vos résultats et les documents 3 et 4, déterminer quels sont les pigments présents dans les feuilles
utilisées.
On voit que les molécules de chlorophylle absorbent les longueurs d’onde correspondant au bleu (400/500 nm) ,
et au rouge (650 nm) donc les feuilles contiennent des pigments de chlorophylles.
Prouver le rôle essentiel de la chlorophylle dans la photosynthèse en utilisant le document ci-dessous.
On voit sur le graphique que le maximum d’absorption correspond au maximum d’activité photosynthétique, donc
la photosynthèse n’est possible que si les feuilles sont éclairées avec du bleu et/ou du rouge.
Les molécules de chlorophylle vont transformer l’énergie lumineuse en énergie chimique (=énergie de liaison )
contenue dans les molécules de glucose ( molécule énergétique) formée par photosynthèse.
Document : Spectre d’absorption des pigments chlorophylliens et d’action de de la photosynthèse
Le spectre d’absorption* est obtenue en mesurant le pourcentage
d’absorption de la lumière incidente par une solution de pigments
chlorophylliens issus des feuilles.
Le spectre d’action* correspond à l’activité photosynthétique pour
une longueur d’onde donnée mesurée par la quantité d’O2 produite.
5600 lux
9
10 60,75
3,24
17
81
ATELIER 3 : IMPORTANCE PLANÉTAIRE DE LA PHOTOSYNTHÈSE L'un des meilleurs endroits pour étudier la Terre vient de l'espace. Les satellites de la NASA tournent constamment
autour du globe, collectant des informations sur l'océan, l'atmosphère et les surfaces terrestres de la Terre. Les
satellites peuvent même surveiller l'activité de formes de vie, comme le phytoplancton, depuis leurs points de vue
éloignés. Le site https://neo.sci.gsfc.nasa.gov/ permet de parcourir et télécharger des images de données satellite
provenant de la constellation de satellites de la NASA du système d'observation de la Terre.
Nous allons utiliser ces données pour montrer l’importance de la photosynthèse à l’échelle de la planète.
1) Activité 1 : Sur https://neo.sci.gsfc.nasa.gov , comparer la productivité primaire nette* du mois de juillet 2018
à celle du mois de novembre 2018.
Ouvrir LAND / Net Primary Productivity On voit que la PPN de juillet est nettement supérieure à
celle de novembre dans l’hémisphère nord, et
inversement dans hémisphère sud donc cette
productivité végétale dépend de l’ « insolation » :
quantité d’énergie reçue.
2) Activité 2 : Décrire l’évolution de l’indice foliaire* au cours d’une année dans une
chênaie (un chêne : arbre à feuilles caduques) et en déduire l’évolution
annuelle de la production de matière organique des arbres de cette forêt.
On voit que l’indice foliaire est maximal de
juin à septembre donc la production de
matière organique des arbres de cette forêt
est maximal en été, quand les feuilles
tombent, la production de matière n’est plus possible, l’arbre est en vie ralentie en hiver.
3) Activité 3 : Déterminer à partir de l’analyse du document ci-dessous, les 2 facteurs à l’origine d’une forte
productivité primaire brute dans un écosystème.
On voit que la PPB d’un écosystème est liée à la concentration en chlorophylle
mais aussi à la quantité de surface terrestre couverte.
Ainsi les zones océaniques n’ont pas une forte concentration en chlorophylle
mais couvrent 65% de surface terrestre donc ont une importante PPB.
4) Bilan : La productivité primaire varie selon les zones, les moments de l’année. À l’aide de vos connaissances sur la répartition de l’énergie solaire sur Terre, proposer une explication aux différences constatées. La productivité primaire est en lien avec l’activité photosynthétique des végétaux verts donc va dépendre de la zone du globe terrestre (longitude et latitude) qui reçoit une quantité variable d’énergie solaire : ces variations d’insolation sont liées au moment de l’année (saisons), au moment de la journée. Cette énergie solaire entre dans la biosphère : conversion de l’énergie en énergie chimique par le premier maillon des chaines alimentaires : les producteurs primaires.
En plus : Étude de la productivité primaire océanique
L’étude de la concentration en chlorophylle de l’eau permet de déterminer la productivité primaire océanique.
On constate que cette productivité océanique est bien supérieure au niveau des côtes et en particulier à l’embouchure des
fleuves où a lieu un apport important en ions :
NO2− : …ion nitrite ………. N03
- :………ion nitrate …PO₄³⁻ :……ion phosphate…..
L’apport en N :azote et P :…phophore est indispensable à l’activité photosynthétique.
Réaliser un graphique montrant la concentration en chlorophylle en fonction de la concentration en nitrate.
Proposer une explication à la forte productivité primaire à l’embouchure des fleuves.
On observe une forte productivité primaire lorsque les végétaux verts (algues dans la mer) ont un apport en ions azotés ( = engrais) importants, ils se développent en excès . Ce phénomène appelé « eutrophisation » est à l’origine des marées vertes à l’embouchure des fleuves
Qu’est-ce que l’indice foliaire ? L'indice foliaire (noté souvent LAI pour l'abréviation du terme anglais Leaf
Area Index) exprime la surface projetée de feuilles du peuplement par
unité de surface au sol. C'est un nombre sans dimension, équivalente à
des m² de feuilles par m² de sol.
doc : photosynthèse et productivité primaire nette* (PPN) La productivité primaire brute (PPB) correspond à la quantité de carbone
intégré dans la biomasse végétale par m2 et par an (mesurée en estimant la
concentration en chlorophylle) or les végétaux consomment 80% de la matière
organique produite pour leur fonctionnement (respiration qui fournit de
l’énergie), on évaluera ici la productivité primaire nette PPN, c’est-à-dire la
biomasse disponible pour les autres êtres vivants qui vont consommer la
matière organique produite par les végétaux chlorophylliens
Station
Concentration en
chlorophylle a
(mg · Chl · m–3)
Concentration
en phosphates
(µmol · L–1)
Concentration en
nitrites et
nitrates
(µmol · L–1)
16 0,15 0,04 0,03
18 0,13 0,01 0,02
22 0,20 0,01 0,15
66 0,42 0,37 3,23
68 0,43 0,23 1,08
100 0,38 0,78 5,70
102 0,64 1,60 20,70
109 0,49 0,49 4,00
111 0,38 0,44 0,93
TRAVAIL à FAIRE pour prochain cours, à partir du livre numérique : - recopier le « COURS » partie 1 p 106 et réaliser le lexique proposé. - reproduire le schéma p 107 https://www.lelivrescolaire.fr/page/7048772 - film HOME : https://www.youtube.com/watch?v=NNGDj9IeAuI&feature=youtu.be&t=1396
Lexique à faire :
* la chlorophylle * le spectre d’absorption * le spectre d’activité * l’amidon * autotrophe ( / hétérotrophe) * l’énergie chimique * Biosphère
EN DM : sur feuille (certaines copies seront relevées, un élève présentera à l’oral.) ATELIER 4 : Comment l’énergie solaire est-elle stockée à long terme ? À l’échelle des temps géologiques, une partie de la matière organique s’accumule dans les sédiments puis se transforme en donnant des combustibles fossiles : gaz, charbon, pétrole. À partir de l’étude du charbon, discuter son origine biologique. Questions 1, 2 et 3 p 103
Aide méthodologique et rédactionnelle : ETAPES NECESSAIRES - Extraire les informations (en citant le document ou l’expérience) de manière rigoureuse. « On voit, on constate … »
- puis les interpréter avec l’aide de vos connaissances « on sait que .. » (Cette étape n’est pas toujours nécessaire)
- et enfin apporter des conclusions partielles « donc » « on en déduit que… » en réponse à la question posée.
ATTENTION : On ne rédige pas une conclusion justifiée par un « car » ou un « parce que ».
DOCUMENTS DE L’ATELIER 1 : FABRICATION DE MATIÈRE ORGANIQUE A PARTIR DE L’ÉNERGIE LUMINEUSE
Document 1 : Expérience historique de Van Helmont (1579-1644) sur la création de matière par les végétaux. Source : http://www.stuartmcmillen.com/comics_en/thin-air/#page-1
Document 2 : Expérience permettant de déterminer les conditions de la photosynthèse
Un géranium est placé pendant 3 semaines à la lumière. Sur certaines feuilles (lots 2) on place un cache noir. D’autre feuilles (lots3) sont placées dans un sac hermétique contenant de la potasse absorbant le CO2.
Les différentes feuilles sont ensuite décolorées en étant ébouillantées dans de l’alcool puis placées dans de l’eau iodée qui se colore en brun-violet en présence d’amidon.
DOCUMENTS DE L’ATELIER 2 : ABSORPTION DE L’ÉNERGIE SOLAIRE PAR LES FEUILLES DES VÉGÉTAUX
Document 1 : Mesure de l’énergie reçue au niveau d’une feuille (issu du manuel Hachette)
Il est possible de mesurer et de déterminer le devenir de l’énergie reçue par une feuille :
- l’énergie transmise est la part d'énergie qui traverse la feuille
- une part de l'énergie est réfléchie par la surface de la feuille (énergie réfléchie)
- l’énergie absorbée correspond à la part d'énergie qui n'est ni transmise ni réfléchie.
Dispositif expérimental Mesures obtenues sur un pélargonium
Type d’énergie lumineuse
Puissance lumineuse mesurée en lux
Énergie incidente (reçue)
5600
Énergie réfléchie 500
Énergie transmise 550
Document 2 Protocole d’extraction d’un mélange de pigments foliaires
- Placer dans un mortier un peu de sable fin. - Ajouter les feuilles (épinards) bien vertes coupées en petits morceaux. - Broyer à l’aide du pilon. - Ajouter progressivement environ 10 ml d’alcool à 90° et continuer à broyer 5 min.
- Filtrer le contenu du mortier. Vous obtenez une solution de chlorophylle brute Document 3 : Relation entre couleur visible et longueur d’onde Le visible ne constitue qu’une infime partie des radiations possibles. En se focalisant sur cette zone, en retrouve le spectre obtenu en décomposant la lumière blanche, avec un prisme, ou lors d’un arc en ciel.
Document 4 : Spectre d’absorption de différents pigments Chl = Chlorophylle
DOCUMENTS DE L’ATELIER 3 : IMPORTANCE PLANÉTAIRE DE LA PHOTOSYNTHÈSE
Document 1: UTILISATION DU SITE DE LA NASA https://neo.sci.gsfc.nasa.gov/
Données disponibles dans Land Netprimary productivity : Productivité primaire
Les couleurs sur ces cartes indiquent la vitesse à laquelle le carbone a été absorbé pour chaque mètre carré de terrain pendant la durée indiquée. Les valeurs varient de -1,0 gramme de carbone par mètre carré par jour (beige) à 6,5 grammes par mètre carré par jour (vert foncé). Une valeur négative signifie que plus de carbone a été libéré dans l'atmosphère (par la respiration ou la décomposition) que les plantes n'en ont absorbé. Végétation index (NDVI) : Indice foliaire
Les zones vert foncé montrent où il y avait beaucoup de croissance des feuilles vertes ; les verts clairs montrent où il y avait une certaine croissance des feuilles vertes ; et les zones beiges montrent peu ou pas de croissance. Le noir signifie « aucune donnée »
Données disponibles dans Energy Solar insolation = Indice solaire Les couleurs de ces cartes montrent la quantité de lumière solaire (en watts par mètre carré) reçue à la surface de la Terre au cours de la période donnée.
Données disponibles dans OCEAN CHLOROPHYLL CONCENTRATION = concentration en chlorophylle Cette carte montre où de minuscules plantes flottantes vivent dans l'océan. Ces plantes, appelées phytoplancton, constituent une partie importante de la chaîne alimentaire de l'océan car de nombreux animaux (comme les petits poissons et les baleines) s'en nourrissent. Les scientifiques peuvent en apprendre beaucoup sur l'océan en observant où et quand le phytoplancton se développe en grand nombre. Les scientifiques utilisent des satellites pour mesurer la quantité de phytoplancton qui se développe dans l'océan en observant la couleur de la lumière réfléchie par les profondeurs. Le phytoplancton contient un pigment photosynthétique appelé chlorophylle qui leur donne une couleur verdâtre. Lorsque le phytoplancton pousse en grand nombre, il fait apparaître l'océan verdâtre.
Document 2 : Données issues de la goélette Tara (issu du manuel Belin)