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La plante, productrice de matière organique
Photosynthèse (phase photochimique, cycle de Calvin), devenir des glucides (saccharose, amidon, cellulose, lignine), métabolites secondaires, utilisations par l'être humain (programme de Terminale spécialité SVT)
À propos de cette page
Ce cours d' en terminale sur « La plante, productrice de matière organique » suit le programme officiel d' de terminale. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : L'essentiel, Capter la lumière : pigments, spectre d'absorption, spectre d'action, Deux phases couplées : phase photochimique et cycle de Calvin, Le devenir du glucose : saccharose, amidon, cellulose, lignine. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de terminale à réussir en .
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L'essentiel
Photosynthèse. Ensemble des réactions par lesquelles une cellule chlorophyllienne utilise l'énergie lumineuse pour produire de la matière organique (glucose) à partir de CO₂ et d'eau, en libérant du dioxygène. Équation bilan : 6 CO₂ + 12 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O, souvent simplifiée en 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.
Autotrophie. La plante est autotrophe : toute sa matière organique est fabriquée à partir du CO₂ atmosphérique, de l'eau et des ions minéraux (azote, phosphore, soufre…) prélevés dans le sol. C'est la plante, productrice de matière organique, qui alimente ensuite les réseaux trophiques.
Chloroplaste. Organite des cellules chlorophylliennes (surtout le parenchyme des feuilles), limité par deux membranes. Il contient des thylakoïdes, sacs membranaires qui portent les pigments, baignant dans un liquide, le stroma.
Exemple chiffré. Pour 1 mol de glucose (180 g), la plante fixe 6 mol de CO₂, soit 6 × 44 = 264 g, et libère 6 mol de O₂, soit 6 × 32 = 192 g.
Rappel du chapitre précédent. Le CO₂ entre par les stomates ; l'eau et les ions arrivent par la sève brute (xylème) ; les sucres produits partent par la sève élaborée (phloème).
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Capter la lumière : pigments, spectre d'absorption, spectre d'action
Pigments chlorophylliens. Les membranes des thylakoïdes portent les chlorophylles a et b et des caroténoïdes (carotènes orangés, xanthophylles jaunes). On les sépare par chromatographie : chacun migre à sa propre vitesse, caractérisée par son rapport frontal Rf = distance parcourue par le pigment ÷ distance parcourue par le solvant.
Spectre d'absorption. Absorbance d'une solution de pigments en fonction de la longueur d'onde. Les chlorophylles absorbent fortement le bleu-violet et le rouge, très peu le vert : la lumière verte, surtout réfléchie ou transmise, donne sa couleur à la feuille.
Spectre d'action. Intensité de la photosynthèse (O₂ dégagé ou CO₂ absorbé) en fonction de la longueur d'onde reçue, à énergie lumineuse égale. Il se superpose au spectre d'absorption de l'ensemble des pigments : seule la lumière absorbée est utilisée.
Expérience historique. En 1882, Engelmann éclaire une algue filamenteuse avec une lumière décomposée par un prisme : des bactéries aérobies s'accumulent face aux zones rouge et bleue, là où l'algue libère le plus de dioxygène.
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Deux phases couplées : phase photochimique et cycle de Calvin
Phase photochimique (membranes des thylakoïdes). L'énergie lumineuse absorbée par les pigments permet l'oxydation de l'eau : 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻. Les électrons réduisent un accepteur : R + 2 H⁺ + 2 e⁻ → RH₂ (dans la cellule, R est le NADP⁺). Simultanément, de l'ATP est synthétisé à partir d'ADP et de phosphate inorganique (Pi).
Phase chimique : le cycle de Calvin (stroma). La Rubisco fixe le CO₂ sur le ribulose bisphosphate (RuBP, 5 C) : il se forme deux molécules d'acide phosphoglycérique (APG, 3 C). L'APG est réduit en trioses phosphate grâce à l'ATP et au RH₂. La plupart des trioses servent à régénérer le RuBP (ce qui consomme de l'ATP) ; les autres sont exportés et donnent le glucose.
| Phase photochimique | Cycle de Calvin | |
|---|---|---|
| Lieu | membranes des thylakoïdes | stroma |
| Consomme | lumière, H₂O, R, ADP + Pi | CO₂, RH₂, ATP |
| Produit | O₂, RH₂, ATP | trioses phosphate (→ glucose), R, ADP + Pi |
Couplage. Chaque phase fournit à l'autre ce qu'elle consomme. Sans lumière, plus de RH₂ ni d'ATP : le cycle de Calvin s'arrête en quelques secondes. Sans CO₂, R et ADP ne sont plus régénérés : le dégagement de O₂ cesse à son tour.
Ce qui est exigible. Les lieux, les entrées et sorties de chaque phase et leur couplage ; le détail des réactions n'est pas à apprendre.
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Le devenir du glucose : saccharose, amidon, cellulose, lignine
Un carrefour métabolique. Le glucose issu de la photosynthèse est à l'origine de toutes les molécules organiques de la plante, par des voies métaboliques catalysées par des enzymes spécifiques. Une partie est oxydée par la respiration (mitochondries), jour et nuit, pour fournir l'ATP de la croissance ; associé aux ions minéraux (N, P, S), il donne aussi acides aminés, lipides et nucléotides.
| Molécule | Nature | Localisation | Rôle |
|---|---|---|---|
| Saccharose | diholoside (glucose + fructose), soluble | cytoplasme des cellules des feuilles, puis sève élaborée | forme de transport, des organes sources vers les organes puits |
| Amidon | polymère ramifié de glucose, insoluble | chloroplastes (amidon transitoire), amyloplastes des organes de réserve | stockage sans effet osmotique |
| Cellulose | polymère linéaire de glucose, en microfibrilles | paroi de toutes les cellules | résistance mécanique de la paroi |
| Lignine | polymère de composés phénoliques, non glucidique | parois du xylème et des fibres | rigidité, imperméabilité, port dressé |
Réserves. Les organes de réserve (tubercule de pomme de terre, graines de céréales, racine de carotte…) stockent de l'amidon, parfois des lipides (graines de colza, de tournesol) ou des protéines (graines de pois, de soja). Hydrolysées, ces réserves assurent la survie à la mauvaise saison, la germination et la reprise de croissance au printemps.
Tests de mise en évidence. Eau iodée : l'amidon se colore en bleu-noir. Carmin-vert d'iode : les parois cellulosiques se colorent en rose, les parois lignifiées en vert.
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Métabolites secondaires et utilisations par l'être humain
Métabolites secondaires. Molécules non indispensables aux fonctions de base de la cellule (photosynthèse, respiration, croissance), produites dans certains organes ou à certains moments, qui interviennent dans les relations de la plante avec son environnement.
- Attirer : anthocyanes (pigments rouges, bleus, violets des fleurs et des fruits), composés volatils des parfums → pollinisateurs, animaux disperseurs de graines.
- Se défendre : tanins (astringents, ils rendent les feuilles peu digestibles), alcaloïdes (nicotine, caféine, morphine, toxiques pour de nombreux herbivores), terpènes des résines et des huiles essentielles.
- Se protéger : flavonoïdes qui filtrent les ultraviolets.
Lien avec la vie fixée. Une plante ne peut pas fuir un herbivore : la défense chimique compense l'immobilité. Certaines molécules sont produites en permanence, d'autres seulement après une blessure (défense induite), ce qui économise de la matière organique.
| Usage humain | Molécules exploitées | Exemples |
|---|---|---|
| Alimentation | amidon, saccharose, lipides, protéines | céréales, betterave sucrière, huile de colza |
| Textiles, matériaux | cellulose, lignine | coton, lin, bois de construction, papier (cellulose débarrassée de la lignine) |
| Énergie | cellulose, lignine, saccharose, amidon, huiles | bois de chauffage, bioéthanol, biodiesel |
| Santé | métabolites secondaires | morphine du pavot (antidouleur), quinine du quinquina (antipaludique), acide salicylique du saule, à l'origine de l'aspirine |
La sélection par l'être humain des plantes qui fournissent ces molécules relève de la domestication, étudiée dans un chapitre dédié.
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Méthodes
Méthode 1 — Exploiter un spectre d'action et un spectre d'absorption
- Identifier la grandeur en abscisse (longueur d'onde ou couleur) et en ordonnée (absorbance, O₂ dégagé…), avec les unités.
- Relever les maximums et les minimums en citant les valeurs.
- Comparer les deux spectres : leur superposition désigne les pigments responsables ; un écart révèle d'autres pigments.
- Conclure en reliant la lumière absorbée à la phase photochimique.
Exemple rédigé. Sur le spectre d'action de la section 2, le dégagement de O₂ est maximal dans le rouge (93 u.a.) et dans le bleu (88 u.a.), minimal dans le vert (13 u.a.). Ces zones correspondent aux pics et au creux d'absorption des chlorophylles : la lumière efficace pour la photosynthèse est celle qu'absorbent les pigments chlorophylliens.
Méthode 2 — Interpréter une expérience de marquage isotopique
- Identifier la molécule marquée et l'isotope (¹⁸O stable, ¹⁴C radioactif).
- Repérer dans quelle(s) molécule(s) le marqueur se retrouve, et au bout de combien de temps.
- Comparer à la teneur naturelle ou au témoin.
- Conclure sur l'origine d'un atome, ou sur l'ordre d'une voie métabolique : le premier composé marqué est le plus proche de la fixation.
Exemple rédigé. Une algue reçoit une eau contenant 0,85 % d'¹⁸O et un CO₂ à la teneur naturelle (0,20 %) : le O₂ dégagé contient 0,84 % d'¹⁸O. Dans l'expérience inverse (CO₂ enrichi, eau naturelle), le O₂ reste à la teneur naturelle. Le marquage du O₂ suit celui de l'eau : le dioxygène provient de l'oxydation de l'eau.
Méthode 3 — Interpréter les variations des intermédiaires du cycle de Calvin
- Repérer le facteur modifié (lumière ou CO₂).
- Identifier la réaction directement bloquée : réduction de l'APG et régénération du RuBP s'il manque ATP et RH₂ ; fixation sur le RuBP s'il manque du CO₂.
- En déduire que le substrat de la réaction bloquée s'accumule et que son produit s'épuise.
- Rédiger en citant les données chiffrées.
Exemple rédigé. On supprime le CO₂ autour d'algues éclairées : le RuBP augmente et l'APG diminue. La Rubisco ne peut plus fixer de CO₂ sur le RuBP, qui continue pourtant d'être régénéré grâce à l'ATP : il s'accumule. L'APG, toujours réduit mais plus renouvelé, s'épuise.
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Pièges et erreurs classiques
« Le O₂ vient du CO₂. » Faux : il provient de l'oxydation de l'eau ; l'oxygène du CO₂ se retrouve dans le glucose et dans l'eau formée.
« Le cycle de Calvin a lieu la nuit. » Faux : il n'utilise pas directement la lumière, mais il consomme l'ATP et le RH₂ produits à la lumière ; il s'arrête en quelques secondes à l'obscurité. L'ancien nom de « phase obscure » est trompeur.
« La plante ne respire que la nuit. » Faux : elle respire en permanence ; le jour, la photosynthèse masque les échanges respiratoires.
« L'amidon d'un tubercule est fabriqué par photosynthèse dans le tubercule. » Faux : organe souterrain sans chloroplastes, il reçoit du saccharose par la sève élaborée et le transforme en amidon.
« La lignine est un glucide. » Faux : c'est un polymère de composés phénoliques, fabriqué à partir de molécules issues du métabolisme du glucose.
« Un métabolite secondaire est inutile. » Faux : il n'est pas indispensable au fonctionnement de base de la cellule, mais il est décisif pour la reproduction et la défense de la plante.
« La feuille n'absorbe pas le vert. » Elle en absorbe peu, pas zéro : le spectre d'action n'est jamais nul dans le vert.
En bref
- Photosynthèse : 6 CO₂ + 12 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O, dans les chloroplastes ; le O₂ vient de l'eau.
- Phase photochimique (thylakoïdes) : lumière captée par les pigments, oxydation de l'eau, production de RH₂ et d'ATP.
- Cycle de Calvin (stroma) : la Rubisco fixe le CO₂ sur le RuBP → APG, réduit en trioses phosphate grâce à l'ATP et au RH₂ → glucose.
- Les deux phases sont couplées : sans lumière, pas de fixation du CO₂ ; sans CO₂, plus de dégagement de O₂.
- Le glucose est à l'origine de toutes les molécules de la plante : saccharose (transport), amidon (réserve), cellulose et lignine (parois, soutien).
- Les métabolites secondaires (anthocyanes, tanins, alcaloïdes) assurent les interactions avec le milieu ; l'être humain exploite cette matière organique pour se nourrir, se vêtir, construire, produire de l'énergie et se soigner.
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