La plante, productrice de matière organique

a) 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. La photosynthèse se déroule dans les chloroplastes des cellules chlorophylliennes.

b) M(C₆H₁₂O₆) = 6 × 12 + 12 × 1 + 6 × 16 = 180 g/mol. n = m ÷ M = 27 ÷ 180 = 0,15 mol de glucose.

c) D'après l'équation, la formation de 1 mol de glucose consomme 6 mol de CO₂ et libère 6 mol de O₂ : n(CO₂) = n(O₂) = 6 × 0,15 = 0,90 mol.
M(CO₂) = 12 + 2 × 16 = 44 g/mol, donc m(CO₂) = 0,90 × 44 = 39,6 g de CO₂ absorbé.
M(O₂) = 2 × 16 = 32 g/mol, donc m(O₂) = 0,90 × 32 = 28,8 g de O₂ libéré.

d) n(H₂O) = 6 × 0,15 = 0,90 mol ; M(H₂O) = 2 × 1 + 16 = 18 g/mol ; m(H₂O) = 0,90 × 18 = 16,2 g.
Masse des réactifs : 39,6 + 16,2 = 55,8 g. Masse des produits : 27 + 28,8 = 55,8 g.
Les deux masses sont égales : la masse se conserve.

a) Le rapport frontal est le quotient de la distance parcourue par un pigment par la distance parcourue par le front du solvant : Rf = d(pigment) ÷ d(solvant), toujours compris entre 0 et 1.
Tache orange : 9,1 ÷ 9,6 ≈ 0,95 ; tache jaune : 6,2 ÷ 9,6 ≈ 0,65 ; tache vert-bleu : 4,3 ÷ 9,6 ≈ 0,45 ; tache vert-jaune : 3,0 ÷ 9,6 ≈ 0,31.

b) Par leur couleur et leur ordre de migration : orange = carotènes ; jaune = xanthophylles ; vert-bleu = chlorophylle a ; vert-jaune = chlorophylle b.

c) Ces pigments sont insérés dans les membranes des thylakoïdes des chloroplastes.

d) Chaque pigment absorbe des longueurs d'onde un peu différentes. Les pigments accessoires (chlorophylle b, caroténoïdes) absorbent notamment dans le bleu et le bleu-vert, là où la chlorophylle a absorbe moins, et lui transmettent l'énergie captée. La plante exploite ainsi une plus large part de la lumière reçue, ce qui augmente l'efficacité de la phase photochimique.

a) L'eau iodée colore l'amidon en bleu-noir : les zones bleu-noir contiennent de l'amidon, les zones jaune-brun (couleur du réactif) n'en contiennent pas.

b) À l'obscurité, l'amidon présent dans les feuilles est hydrolysé et exporté sans être renouvelé. Après 48 h, la feuille n'en contient plus : tout amidon détecté ensuite a été produit pendant les 6 h d'éclairement. Sans cette précaution, on ne pourrait pas attribuer l'amidon observé à l'expérience.

c) Zones vertes éclairées et zones blanches éclairées ne diffèrent que par la présence de chlorophylle : seules les premières produisent de l'amidon, donc la chlorophylle est nécessaire.
Zones vertes éclairées et zones vertes sous le cache ne diffèrent que par l'éclairement : seules les premières produisent de l'amidon, donc la lumière est nécessaire.
L'amidon est donc un produit de la photosynthèse.

d) Le jour, le glucose produit en excès est stocké sous forme d'amidon dans les chloroplastes ; la nuit, cet amidon est hydrolysé, converti en saccharose et exporté par la sève élaborée. Il ne reste donc qu'un temps limité dans la feuille, comme le confirme sa disparition après 48 h d'obscurité.

a) Entre 2 et 8 min, la concentration passe de 212 à 289 µmol/L : v = (289 − 212) ÷ (8 − 2) = 77 ÷ 6 ≈ 12,8 µmol·L⁻¹·min⁻¹.

b) Le milieu ne contient pas de CO₂, et pourtant du O₂ est produit à la lumière. Le dioxygène ne peut donc pas provenir du CO₂. La seule autre molécule du milieu contenant de l'oxygène et disponible en grande quantité est l'eau : le O₂ provient de l'oxydation de l'eau. Cette production n'a lieu qu'à la lumière (aucune variation de 0 à 2 min ni de 8 à 10 min).

c) Sans Fe³⁺, aucun O₂ n'est produit malgré la lumière. L'oxydation de l'eau libère des électrons qui doivent être captés : Fe³⁺ joue le rôle d'accepteur d'électrons et se trouve réduit en Fe²⁺. Il remplace ici l'accepteur naturel R, perdu ou épuisé lors de l'isolement des chloroplastes.

d) Oxydation : 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻.
Réduction : Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺ (à multiplier par 4 pour échanger 4 électrons).
Bilan : 4 Fe³⁺ + 2 H₂O → 4 Fe²⁺ + O₂ + 4 H⁺.

e) Le chloroplaste ne contient qu'une quantité limitée de R. S'il était entièrement réduit en RH₂, plus aucun électron ne pourrait être accepté et l'oxydation de l'eau s'arrêterait, comme dans le témoin. Dans la feuille, c'est le cycle de Calvin qui réoxyde RH₂ en R lors de la réduction de l'APG. C'est ce couplage qui explique qu'une plante privée de CO₂ cesse de dégager du O₂.

a) À la lumière, les deux concentrations sont stables (44 u.a. pour l'APG, 37 u.a. pour le RuBP) : production et consommation s'équilibrent. Après l'arrêt de l'éclairement, l'APG augmente fortement (de 44 à 96 u.a. en 60 s, plus que doublé, l'essentiel en 30 s) tandis que le RuBP s'effondre (de 37 à 4 u.a.).

b) L'APG est produit par la fixation du CO₂ sur le RuBP par la Rubisco, réaction qui n'utilise ni ATP ni RH₂. Il est consommé par sa réduction en trioses phosphate, qui exige l'ATP et le RH₂ fournis par la phase photochimique. À l'obscurité, ces molécules s'épuisent en quelques secondes : l'APG continue d'être produit mais n'est plus consommé, il s'accumule.

c) Le RuBP continue d'être consommé par la fixation du CO₂, mais sa régénération à partir des trioses phosphate exige de l'ATP et des trioses qui ne sont plus produits : il n'est plus renouvelé et s'épuise. Quand il n'en reste presque plus (7 puis 4 u.a.), la fixation du CO₂ s'arrête : l'APG n'est plus produit et sa concentration se stabilise (92 puis 96 u.a.).

d) Le cycle de Calvin n'utilise pas directement la lumière, mais il dépend de l'ATP et du RH₂ produits uniquement à la lumière. Les données montrent qu'en moins d'une minute le RuBP est épuisé et la fixation du CO₂ stoppée. Le cycle de Calvin s'arrête donc la nuit : la plante ne fait alors que respirer.

a) m(amidon) = 230 × 17 ÷ 100 = 39,1 g.

b) Nombre de motifs, donc de molécules de glucose utilisées : n = 39,1 ÷ 162 ≈ 0,241 mol.
D'après l'équation de la photosynthèse, chaque glucose provient de 6 CO₂ : n(CO₂) = 6 × 0,241 ≈ 1,45 mol.
m(CO₂) = 1,45 × 44 ≈ 63,7 g, soit environ 64 g de CO₂, ce qu'il fallait montrer.

c) Le tubercule est une tige souterraine, à l'obscurité, dont les cellules ne contiennent pas de chloroplastes fonctionnels : il ne réalise pas la photosynthèse. Trajet du carbone : le CO₂ entre par les stomates des feuilles → il est fixé par la Rubisco dans le stroma des chloroplastes (cycle de Calvin) → glucose → saccharose, exporté par la sève élaborée (phloème) → dans le tubercule, organe puits, le saccharose est hydrolysé → le glucose est polymérisé en amidon dans les amyloplastes.

d) L'amidon est insoluble : il s'accumule sans augmenter la concentration du cytoplasme, donc sans provoquer d'entrée d'eau par osmose, alors que la même quantité de glucose dissous ferait gonfler les cellules. C'est de plus une forme compacte et stable, hydrolysable en glucose selon les besoins (germination, repousse au printemps).

a) Le carmin colore la cellulose en rose, le vert d'iode colore la lignine en vert. Les parois du parenchyme et du phloème sont uniquement cellulosiques ; celles du xylème et des fibres sont imprégnées de lignine.

b) m(cellulose) = 3,5 × 43 ÷ 100 = 1,505 kg ≈ 1,5 kg ; m(lignine) = 3,5 × 25 ÷ 100 = 0,875 kg ≈ 0,88 kg.

c) La lignine rigidifie les parois : elle permet à la tige de supporter son propre poids et un port dressé sur plusieurs mètres, ce qui place les feuilles dans la lumière. Elle rend les parois des vaisseaux du xylème imperméables et résistantes : la sève brute, aspirée par la transpiration, y circule sans que les vaisseaux s'écrasent. Enfin, elle protège contre de nombreux micro-organismes. Sans lignine, pas d'arbres.

d) La lignine n'est pas un glucide (polymère phénolique). Une fois éliminée, il reste surtout la cellulose, polymère de glucose (les hémicelluloses, polymères d'autres sucres, étant en partie éliminées elles aussi). Les fibres de papier sont donc essentiellement des chaînes de glucose produites à partir de la photosynthèse de l'arbre.

1. Entre 610 et 700 nm, les deux grandeurs varient ensemble : l'absorbance passe de 0,16 à un maximum de 0,81 à 660 nm, puis chute à 0,07 à 700 nm ; le dégagement de O₂ passe de 42 % à 100 % à 660 nm, puis chute à 11 %. Dans le rouge, la photosynthèse est d'autant plus intense que la chlorophylle a absorbe la lumière : la chlorophylle a est un pigment photosynthétique qui capte l'énergie lumineuse utilisée par la phase photochimique.

2. À 470 nm, la chlorophylle a n'absorbe plus que 0,28, soit environ 30 % de son maximum (0,92), alors que le dégagement de O₂ atteint encore 69 % du maximum. À 520 nm, l'absorbance est quasi nulle (0,05, environ 5 % du maximum), mais l'activité vaut encore 22 %. Rapportée à l'absorbance, l'activité est bien plus forte qu'en rouge : 69 ÷ 0,28 ≈ 246 et 22 ÷ 0,05 = 440, contre 100 ÷ 0,81 ≈ 123 à 660 nm. Une partie de la lumière utilisée à ces longueurs d'onde n'est donc pas absorbée par la chlorophylle a.
Le document 3 montre que la chlorophylle b (vers 455-470 nm) et les caroténoïdes (jusqu'à 510 nm environ) absorbent dans cette zone et transmettent l'énergie à la chlorophylle a. Le spectre d'action correspond donc à l'absorption de l'ensemble des pigments, et non de la seule chlorophylle a.

3. Vers 560 nm (vert), l'absorbance de la chlorophylle a est minimale (0,04) et l'activité aussi (14 %) ; aucun pigment accessoire n'absorbe fortement à cette longueur d'onde. La lumière verte est donc peu absorbée : elle est réfléchie ou transmise par la feuille et parvient à notre œil.

4. La lumière rouge à 665 nm est proche du maximum d'absorption de la chlorophylle a et du maximum d'activité (100 % à 660 nm). La lumière bleue à 445 nm se situe dans la zone où absorbent à la fois la chlorophylle a (0,92 à 430 nm), la chlorophylle b et les caroténoïdes, avec une activité élevée (84 % à 430 nm, 69 % à 470 nm). Presque toute l'énergie électrique convertie en lumière est donc utilisable par la photosynthèse.
Supprimer le vert n'entraîne qu'une faible perte : l'activité y est réduite (14 à 22 %), sans être nulle. Le choix est donc économiquement pertinent, au prix d'une petite part de lumière utilisable non fournie.

1. Après seulement 2 s, 87 % de la radioactivité se trouve dans l'APG. Plus la durée est courte, plus la part de l'APG est élevée : c'est la première molécule marquée. L'APG est la première molécule organique formée par la fixation du CO₂. Sa part diminue ensuite (87 → 63 → 26 → 10 %) : c'est un intermédiaire, transformé en d'autres molécules.

2. La part des trioses phosphate est maximale à 5 s (21 %) puis diminue ; celle des hexoses phosphate est maximale à 40 s (29 %) puis diminue ; celle du saccharose augmente encore à 3 min (39 %), comme celle des autres molécules (16 %), absentes avant 40 s. Ordre de formation : APG → trioses phosphate → hexoses phosphate → saccharose et autres molécules. C'est cohérent avec le cycle de Calvin : la Rubisco fixe le CO₂ sur le RuBP en formant l'APG, qui est réduit en trioses phosphate ; une partie des trioses est exportée pour former les hexoses.

3. Le saccharose et les autres molécules ne deviennent marqués qu'après les hexoses, et leur part augmente pendant que celle des hexoses diminue (29 → 23 %). Le carbone passe donc des hexoses vers ces molécules. Le saccharose étant formé de glucose et de fructose, il en dérive directement. Le glucose issu de la photosynthèse est bien à l'origine de toutes les molécules organiques de la plante.

4. L'azote ne provient pas du CO₂. Il est prélevé dans le sol par les racines sous forme d'ions minéraux (nitrates, ammonium) et acheminé par la sève brute. Le squelette carboné des acides aminés vient de la photosynthèse, l'azote des ions minéraux : la plante a besoin d'ions minéraux, en plus du CO₂, de l'eau et de la lumière, pour produire toute sa matière organique.

5. Les transformations se font en quelques secondes : en 3 s, la part de l'APG chute de 87 à 63 %. Si la mort des cellules était lente, les enzymes continueraient de transformer les molécules et le marqueur progresserait le long de la voie. L'éthanol bouillant dénature instantanément les enzymes : la répartition mesurée correspond exactement à la durée d'exposition choisie.

1. Après une blessure, la teneur en nicotine passe de 410 à 1 130 µg/g, soit 1 130 ÷ 410 ≈ 2,8 fois plus : la production de nicotine est déclenchée par la blessure. Des plantes intactes traitées au jasmonate atteignent 1 240 µg/g, soit environ 3,0 fois plus que les témoins, sans aucune blessure. Le jasmonate suffit donc à déclencher la réponse : c'est le signal qui relaie l'information « blessure » et induit la synthèse de nicotine.

2. Sur des plantes sans nicotine, les chenilles atteignent 71 mg contre 34 mg sur des plantes sauvages : 71 ÷ 34 ≈ 2,1. Sans nicotine, elles grossissent environ deux fois plus, donc consomment davantage de feuilles. La nicotine limite la croissance des chenilles : c'est une molécule de défense.

3. Diminution relative : (58,6 − 47,3) ÷ 58,6 = 11,3 ÷ 58,6 ≈ 0,193, soit une baisse d'environ 19,3 %. Ces plantes n'ont perdu aucune feuille : la baisse ne vient pas d'une consommation par des herbivores. Explication : la synthèse des défenses (nicotine et autres molécules induites par le jasmonate) détourne du glucose, de l'énergie et de l'azote (la nicotine est une molécule azotée) qui ne servent plus à la croissance. La défense a un coût en matière organique.

4. Une défense permanente imposerait ce coût en continu, même en l'absence d'herbivores. Une défense induite ne le paie que lorsque la plante est attaquée : elle concilie protection et croissance.

5. Une plante fixée ne peut ni fuir ni se cacher : elle ne peut que tolérer la perte de certains organes ou rendre ses tissus toxiques ou peu appétents. Les métabolites secondaires comme la nicotine compensent ainsi l'absence de mobilité. Exemple d'utilisation humaine : la morphine du pavot est utilisée comme antidouleur (on peut aussi citer la quinine contre le paludisme, ou la nicotine autrefois employée comme insecticide).