Ressources · 5ᵉ · SVT
Nutrition des végétaux : la photosynthèse
Rappels de 6e (besoins d’une plante verte, expérience avec témoin, matière minérale et organique) ; l’expérience de Van Helmont et l’origine de la matière ; la photosynthèse, la chlorophylle, les stomates, la respiration jour et nuit ; le test de l’amidon ; la sève brute et la sève élaborée, les mycorhizes ; les réserves et les producteurs primaires.
À propos de cette page
Rappels de 6e : les besoins d’une plante verte
En 6e, tu as découvert de quoi une plante verte a besoin et comment le prouver par une expérience. Tout ce chapitre repose sur ces bases : on les reprend avant d’aller plus loin.
Il ne prélève que de la matière minérale (eau, sels minéraux, dioxyde de carbone : de la matière qui ne vient pas des êtres vivants) et fabrique lui-même sa matière organique (sucres, amidon, bois, huile, protéines : la matière qui constitue les êtres vivants). On dit qu’il est autotrophe. Un animal, qui doit manger de la matière organique déjà fabriquée par d’autres, est hétérotrophe.
Pour prouver qu’une condition est nécessaire, on compare deux montages identiques sauf une seule condition : le montage témoin a tout ce dont la plante a besoin ; le montage test est privé de la condition étudiée.
| Besoin | Où la plante le trouve | Par où il entre |
|---|---|---|
| Lumière | le Soleil ou une lampe | captée par les feuilles |
| Eau | le sol | les poils absorbants des racines |
| Sels minéraux (nitrates, phosphates, potassium…) | le sol, dissous dans l’eau | les poils absorbants des racines |
| Dioxyde de carbone | l’air | les feuilles |
Les poils absorbants sont innombrables : un seul pied de seigle en porte environ 14 milliards, qui mesureraient, mis bout à bout, plus de 10 000 km (mesures publiées en 1937 par le botaniste Dittmer). Une plante privée de lumière pâlit et sa tige s’allonge en s’affaiblissant : elle s’étiole, puis meurt. Privée de sels minéraux, elle reste chétive et ses feuilles jaunissent : ils sont nécessaires même en très petite quantité.
Deux pieds de laitue identiques, plantés le même jour dans le même terreau et arrosés de la même façon ; l’un est recouvert d’une caisse opaque. Deux semaines plus tard, il est jaune pâle, avec des feuilles molles ; l’autre est vert. Seule la lumière a changé : la lumière est nécessaire.
Le bois d’une planche de pin et l’huile d’olive sont de la matière organique, fabriquée par des plantes ; le fer d’un clou et la vapeur d’eau sont de la matière minérale.
Un chêne fabrique sa matière à partir de matière minérale : il est autotrophe. Le chevreuil qui broute ses jeunes pousses prend de la matière déjà organique : il est hétérotrophe.
Réflexe — pour lire une expérience, je cherche la seule condition qui change entre le témoin et le montage test : la conclusion porte sur elle, et sur elle seule.
Attention — si deux conditions changent à la fois, on ne peut pas savoir laquelle explique le résultat. Et une plante ne « se nourrit » pas de matière organique : elle ne prélève que de la matière minérale.
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D’où vient la matière de la plante ? L’expérience de Van Helmont
Un arbre de plusieurs tonnes a commencé par une petite graine. D’où vient toute cette matière ? Pendant longtemps, on a pensé que la plante « mangeait » la terre. Une expérience célèbre a montré le contraire.
En unités d’aujourd’hui : le saule est passé d’environ 2,3 kg à environ 77 kg, et la terre n’a perdu qu’environ 57 g. La matière de la plante ne vient donc pas de la terre.
Van Helmont en conclut qu’elle vient de l’eau seule : c’est en partie faux. On sait aujourd’hui que le carbone de la matière organique vient du dioxyde de carbone de l’air, que l’eau en fournit une autre partie, et que la terre n’apporte que les sels minéraux, en petite quantité.
Ce que Van Helmont ne pouvait pas voir. Il connaissait pourtant un gaz, qu’il appelait « gaz sylvestre », dégagé par le charbon qui brûle ou par le jus de raisin qui fermente : c’est notre dioxyde de carbone. Mais il n’a pas imaginé que la plante pouvait le prendre dans l’air. Il faudra attendre la fin du XVIIIe siècle pour comprendre le rôle de l’air et de la lumière (partie suivante).
Une plante n’a pas besoin de terre. En culture hors-sol (l’hydroponie), les racines baignent dans une eau enrichie en sels minéraux, la solution nutritive : la plante y trouve tout ce que le sol lui aurait donné. La terre n’est qu’un support qui retient l’eau et les sels minéraux.
Le saule a gagné environ 75 kg, soit 75 000 g, quand la terre perdait environ 57 g : la plante a gagné plus de 1 000 fois plus de masse que la terre n’en a perdu.
Dans une serre, des fraisiers poussent dans des gouttières remplies de billes d’argile, arrosées en continu d’une solution nutritive. Sans un gramme de terre, ils fleurissent et donnent des fraises.
Un grand arbre fabrique ses tonnes de bois à partir du dioxyde de carbone de l’air et de l’eau ; le sol ne lui fournit que les sels minéraux, une toute petite part de sa masse.
Réflexe — pour savoir d’où vient la matière d’une plante, je compare ce qu’elle gagne et ce que perd le sol : le sol ne perd presque rien, la matière vient donc de l’air et de l’eau.
Attention — l’expérience de Van Helmont montre bien que la matière ne vient pas de la terre ; mais elle ne prouve pas qu’elle vient de l’eau seule : il n’a pas étudié le rôle de l’air.
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La photosynthèse : chlorophylle, stomates et échanges gazeux
La plante prend de l’eau et du dioxyde de carbone, et elle fabrique des sucres. Cette transformation porte un nom : la photosynthèse. Elle a lieu dans les cellules chlorophylliennes, surtout celles des feuilles.
eau + dioxyde de carbone → (lumière, chlorophylle) → sucres + dioxygène
La chlorophylle, le pigment vert, est rangée dans les chloroplastes, de petits éléments des cellules chlorophylliennes : c’est là que se fait la photosynthèse.
Les gaz entrent et sortent des feuilles par les stomates, de minuscules orifices de l’épiderme, surtout sur la face inférieure des feuilles. Chacun est bordé de deux cellules de garde qui ouvrent ou ferment l’orifice, l’ostiole. Ouvert, le stomate laisse entrer le dioxyde de carbone et sortir le dioxygène et la vapeur d’eau.
Les stomates s’ouvrent surtout à la lumière. Ils se ferment quand l’air est très sec ou que la plante manque d’eau : elle perd ainsi moins d’eau, mais le dioxyde de carbone n’entre presque plus et la photosynthèse ralentit. Sur la face inférieure d’une feuille, on en compte souvent de quelques dizaines à quelques centaines par mm².
Mesurer la photosynthèse : l’élodée
L’élodée, une plante d’aquarium, dégage à la lumière des bulles de gaz : une bûchette incandescente (qui ne porte plus qu’un point rouge) s’y rallume, c’est donc surtout du dioxygène. En comptant les bulles par minute, on mesure la vitesse de la photosynthèse : plus la lumière est forte, plus il y a de bulles ; à l’obscurité, il n’y en a plus.
Le jour, la nuit : photosynthèse et respiration
Comme tous les êtres vivants, la plante respire jour et nuit : ses cellules consomment du dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone (voir le chapitre « Respiration : échanges gazeux et occupation des milieux »).
| Moment | Ce qui se passe | Bilan des échanges avec l’air |
|---|---|---|
| Jour, lumière forte | photosynthèse et respiration ; la photosynthèse l’emporte | rejette du dioxygène, absorbe du dioxyde de carbone |
| Aube, lumière faible | les deux se compensent exactement | aucun échange visible |
| Nuit | respiration seule | absorbe du dioxygène, rejette du dioxyde de carbone |
Une découverte du XVIIIe siècle
En 1771, le chimiste anglais Joseph Priestley place un brin de menthe dans un air où une bougie s’est éteinte : dix jours plus tard, une bougie y brûle à nouveau. Il dit que la plante a « réparé » l’air. En 1779, le médecin néerlandais Jan Ingenhousz, après des centaines d’essais, montre que la plante ne répare l’air qu’à la lumière, et seulement par ses parties vertes ; à l’obscurité, elle « abîme » l’air, comme un animal. En termes d’aujourd’hui : à la lumière, la photosynthèse rejette du dioxygène ; à l’obscurité, il ne reste que la respiration.
Une élodée dégage 45 bulles en 3 minutes avec la lampe à 10 cm, et 12 bulles en 3 minutes avec la lampe à 30 cm. Soit 45 ÷ 3 = 15 bulles par minute, contre 12 ÷ 3 = 4 : moins de lumière, photosynthèse plus lente.
Les pétales blancs d’une marguerite n’ont pas de chlorophylle : ils ne font pas de photosynthèse. Ce sont les parties vertes, surtout les feuilles, qui fabriquent les sucres.
Des feuilles de laitue fraîchement cueillies sont enfermées dans un bocal, à l’obscurité, avec un capteur : le dioxygène du bocal diminue et le dioxyde de carbone augmente. À l’obscurité, les feuilles respirent.
Réflexe — pour écrire le bilan, je mets à gauche ce que la plante prend (eau, dioxyde de carbone) et à droite ce qu’elle fabrique ou rejette (sucres, dioxygène), avec la lumière et la chlorophylle sur la flèche.
Attention — ne dis pas que la plante « respire à l’envers » : elle respire comme les animaux, jour et nuit. C’est la photosynthèse, seulement à la lumière, qui fait l’inverse.
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L’amidon, preuve de la photosynthèse
On ne voit pas les sucres se former dans une feuille. Mais une partie est aussitôt mise en réserve sous forme d’amidon, et l’amidon, lui, se repère facilement.
Le test se fait en trois temps : on prive d’abord la plante de lumière deux jours (elle consomme ses réserves : ses feuilles n’ont plus d’amidon) ; on réalise l’expérience à la lumière ; puis on décolore la feuille dans de l’alcool chaud (fait par le professeur), pour que le vert ne cache pas la couleur, et on la plonge dans l’eau iodée.
Une zone de feuille devient bleu-noir seulement si elle a eu à la fois de la lumière, de la chlorophylle et du dioxyde de carbone.
| Feuille testée | Eau iodée | Interprétation |
|---|---|---|
| Feuille verte éclairée | bleu-noir | photosynthèse : amidon fabriqué |
| Partie de feuille cachée par un cache opaque | reste claire | pas de lumière, pas d’amidon |
| Zones blanches d’une feuille panachée, éclairées | restent claires | pas de chlorophylle, pas d’amidon |
| Feuille éclairée dans un air privé de dioxyde de carbone | reste claire | pas de dioxyde de carbone, pas d’amidon |
Ce test a été mis au point dans les années 1860 par le botaniste allemand Julius Sachs, qui a montré que l’amidon se forme dans les chloroplastes des feuilles éclairées. Pour priver l’air de dioxyde de carbone, on place sous la cloche un produit qui l’absorbe, comme la potasse.
On laisse un chlorophytum (une plante d’appartement aux feuilles rayées de vert et de blanc) deux jours à l’obscurité, puis une journée au soleil. Au test, seules les bandes vertes deviennent bleu-noir : les bandes blanches, sans chlorophylle, n’ont pas fabriqué d’amidon.
Sur une feuille de capucine, on fixe un cache opaque dans lequel on a découpé la lettre A. Après deux jours d’obscurité puis une journée au soleil, le test fait apparaître un A bleu-noir sur une feuille restée claire : seule la partie éclairée a fabriqué de l’amidon.
Un élève oublie de laisser sa plante à l’obscurité avant l’expérience. Sa feuille cachée devient bleu-noir : l’amidon trouvé avait été fabriqué avant l’expérience. Il ne peut pas conclure.
Réflexe — pour prévoir le test, je vérifie trois conditions pour chaque zone : lumière, chlorophylle, dioxyde de carbone. S’il en manque une, la zone reste claire.
Attention — l’eau iodée ne montre pas la photosynthèse elle-même, mais l’amidon qu’elle a produit. Sans le passage préalable à l’obscurité, l’amidon trouvé peut être ancien.
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La circulation des sèves
L’eau entre par les racines, les sucres sont fabriqués dans les feuilles : il faut les faire circuler dans toute la plante. Deux liquides s’en chargent, les sèves, dans deux réseaux de vaisseaux conducteurs distincts, présents dans les racines, la tige et les nervures des feuilles.
| Sève brute | Sève élaborée | |
|---|---|---|
| Composition | eau + sels minéraux | eau + sucres (surtout du saccharose) |
| Origine | absorbée dans le sol par les racines | fabriquée par la photosynthèse dans les feuilles |
| Sens | des racines vers les feuilles : elle monte | des feuilles vers tous les organes : racines, fruits, bourgeons |
| Vaisseaux | les vaisseaux du bois (le xylème), au cœur de la tige | des vaisseaux situés juste sous l’écorce (le phloème, partie la plus interne de l’écorce) |
Les preuves. Une tige de céleri trempée quelques heures dans de l’eau colorée montre, en coupe, des points colorés : les vaisseaux de la sève brute, colorés jusque dans les feuilles. Si l’on retire un anneau d’écorce tout autour d’un tronc, un bourrelet gonflé de sucres se forme au-dessus de l’anneau : la sève élaborée, qui descend sous l’écorce, est bloquée.
Des champignons au service des racines. Dans le sol, les racines de la grande majorité des plantes s’associent à des champignons : ce sont les mycorhizes. Les filaments microscopiques du champignon explorent beaucoup plus de sol que les poils absorbants et apportent à la plante de l’eau et des sels minéraux (surtout du phosphore) ; en échange, la plante cède au champignon une partie des sucres de sa photosynthèse. Chacun y gagne : c’est une symbiose.
Une rose blanche est posée dans un vase d’eau colorée en bleu : le lendemain, ses pétales sont veinés de bleu. L’eau colorée est montée avec la sève brute, des vaisseaux de la tige jusqu’à la fleur.
Des pucerons plantent leur fine trompe dans une tige de rosier, juste sous l’écorce : ils aspirent la sève élaborée et rejettent un liquide très sucré, le miellat, que les fourmis viennent récolter.
Les sucres fabriqués par une feuille de pommier partent dans la sève élaborée : une partie nourrit les pommes, une autre descend jusqu’aux racines, qui ne font pas de photosynthèse.
Réflexe — pour reconnaître une sève, je regarde ce qu’elle contient (sels minéraux ou sucres), d’où elle vient (racines ou feuilles) et où elle circule (bois ou sous l’écorce).
Attention — la sève élaborée ne fait pas que descendre : elle part des feuilles vers tout organe qui a besoin de sucres, vers le haut comme vers le bas (bourgeons, fruits, racines).
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Réserves et producteurs primaires
La plante ne consomme pas tout de suite les sucres qu’elle fabrique : elle en stocke une partie. Ces réserves, et la matière de la plante tout entière, nourrissent ensuite tous les autres êtres vivants.
Les végétaux chlorophylliens sont les seuls êtres vivants d’un milieu à fabriquer de la matière organique à partir de matière minérale et de lumière : ce sont les producteurs primaires. Toute la matière des animaux vient, directement ou non, de cette production : une chaîne alimentaire commence toujours par un végétal chlorophyllien.
La photosynthèse rejette aussi le dioxygène de l’air que respirent les êtres vivants, et elle absorbe du dioxyde de carbone.
| Plante | Organe de réserve | Principale réserve |
|---|---|---|
| pomme de terre | le tubercule (une tige souterraine) | amidon |
| blé, riz, haricot | la graine | amidon |
| tournesol, colza | la graine | huile |
| betterave sucrière, carotte | la racine | sucres (saccharose) |
| oignon, tulipe | le bulbe | sucres ou amidon |
Au printemps, avant que les feuilles ne se forment, les bourgeons d’un arbre grandissent grâce aux réserves accumulées l’année précédente : l’amidon stocké est transformé en sucres, transportés jusqu’aux bourgeons. C’est le cas de l’érable à sucre, dont on récolte au printemps une sève qui contient environ 2 à 3 % de sucre pour en faire du sirop.
Le charbon s’est formé sur des millions d’années à partir de débris de végétaux, surtout au Carbonifère (il y a environ 360 à 295 millions d’années) ; le pétrole vient surtout de plancton accumulé au fond des mers. Les brûler libère l’énergie et le carbone captés autrefois par des êtres vivants.
Une graine de haricot qui germe dans le noir produit une petite plante pâle : elle a grandi grâce à l’amidon de sa graine, avant même de pouvoir faire de la photosynthèse.
Chaîne alimentaire du littoral du Pacifique : laminaires (de grandes algues brunes) → oursin → loutre de mer. La loutre ne mange pas d’algues, mais sa matière vient, au départ, de la photosynthèse des laminaires : ce sont elles, les producteurs primaires.
Le pain est fait de farine de blé : l’amidon qu’il contient a été fabriqué par les feuilles du blé, puis stocké dans ses graines.
Réflexe — pour trouver l’origine d’une réserve ou de la matière d’un animal, je remonte jusqu’à la photosynthèse d’un végétal chlorophyllien.
Attention — un organe de réserve souterrain, comme le tubercule de pomme de terre, ne fabrique pas son amidon à l’obscurité : il reçoit les sucres fabriqués par les feuilles et les stocke.
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Pour aller plus loin
Ces notions touchent au chapitre, mais elles sont traitées ailleurs ou se verront plus tard.
- Rappel de 6e : les besoins des plantes, l’expérience avec témoin, la photosynthèse et les producteurs primaires sont présentés dans le chapitre « Réseaux alimentaires : les végétaux, producteurs primaires » ; la cellule végétale et ses chloroplastes, dans le chapitre « Organisation du vivant : la cellule ».
- La respiration des plantes et des animaux, et les organes qui assurent les échanges gazeux : chapitre « Respiration : échanges gazeux et occupation des milieux ».
- Les chaînes et les réseaux alimentaires, les consommateurs et les décomposeurs, qui rendent au sol les sels minéraux : chapitre « Écosystèmes : relations alimentaires et équilibres ».
- Les fleurs, les graines et leur dissémination : chapitre « Reproduction : sexuée, asexuée et plantes à fleurs ».
- Se verra au lycée : les étapes chimiques de la photosynthèse, dans les chloroplastes.
- Une plante verte prélève de la matière minérale (eau et sels minéraux par les racines, dioxyde de carbone par les feuilles) et utilise la lumière : elle est autotrophe. Pour le prouver, une seule condition change entre le témoin et le montage test.
- Van Helmont (publié en 1648) : la terre ne perd presque rien, la matière ne vient pas du sol. Le carbone de la plante vient du dioxyde de carbone de l’air.
- Photosynthèse, dans les chloroplastes des cellules chlorophylliennes : eau + dioxyde de carbone → (lumière, chlorophylle) → sucres + dioxygène. Les gaz passent par les stomates. La plante respire aussi, jour et nuit.
- L’eau iodée colore l’amidon en bleu-noir : une zone de feuille n’en fabrique que si elle a lumière, chlorophylle et dioxyde de carbone.
- Sève brute (eau + sels minéraux) : des racines vers les feuilles, dans le bois. Sève élaborée (eau + sucres) : des feuilles vers tous les organes, sous l’écorce.
- Les sucres sont stockés (amidon des tubercules, des graines…). Les végétaux chlorophylliens, producteurs primaires, sont à la base de toutes les chaînes alimentaires.
Questions fréquentes
De quoi une plante verte a-t-elle besoin pour vivre ?
De lumière, d’eau et de sels minéraux, qu’elle prend dans le sol par les poils absorbants de ses racines, et de dioxyde de carbone, qu’elle prend dans l’air par ses feuilles. Elle ne prélève que de la matière minérale et fabrique elle-même sa matière organique : elle est autotrophe.
Que montre l’expérience de Van Helmont ?
Un saule planté dans un pot de terre gagne environ 164 livres en cinq ans, alors que la terre ne perd qu’environ 2 onces (environ 57 g). La matière de la plante ne vient donc pas de la terre. Van Helmont croyait qu’elle venait de l’eau seule ; on sait aujourd’hui que le carbone vient du dioxyde de carbone de l’air.
Qu’est-ce que la photosynthèse ?
C’est la fabrication de sucres par les cellules chlorophylliennes, dans les chloroplastes, à partir d’eau et de dioxyde de carbone, grâce à l’énergie de la lumière captée par la chlorophylle. Elle rejette du dioxygène : eau + dioxyde de carbone → (lumière, chlorophylle) → sucres + dioxygène. Les gaz passent par les stomates.
Comment prouver qu’une feuille a fait de la photosynthèse ?
On cherche l’amidon qu’elle a fabriqué : après deux jours d’obscurité puis une période à la lumière, on décolore la feuille et on la plonge dans l’eau iodée. Les zones qui deviennent bleu-noir ont fabriqué de l’amidon ; il leur fallait de la lumière, de la chlorophylle et du dioxyde de carbone.
Quelle est la différence entre la sève brute et la sève élaborée ?
La sève brute (eau et sels minéraux) monte des racines vers les feuilles dans les vaisseaux du bois. La sève élaborée (eau et sucres fabriqués par la photosynthèse) part des feuilles vers tous les organes dans des vaisseaux situés sous l’écorce.
Pourquoi les végétaux sont-ils appelés producteurs primaires ?
Parce qu’ils sont les seuls à fabriquer de la matière organique à partir de matière minérale et de lumière. Ils en stockent une partie (amidon des tubercules et des graines, huile, sucre) et toute la matière des animaux en vient, directement ou non : chaque chaîne alimentaire commence par un végétal chlorophyllien.
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