Exercice 1 · Bac Sciences de la Vie et de la Terre Liban 2023 (jour 1)

Montrer comment l'organisation et le fonctionnement des feuilles de la plante permettent la production de glucose et autres sucres solubles.

Réponse : Introduction - Les plantes chlorophylliennes sont autotrophes : elles produisent leur matière organique par photosynthèse, à partir de matière minérale ($H_2O$, $CO_2$) et d'énergie lumineuse ($6\,CO_2 + 6\,H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2$). - Problématique : comment l'organisation de la feuille et son fonctionnement cellulaire permettent-ils la synthèse de glucose et d'autres sucres solubles ? - Plan : I) une organisation foliaire adaptée à la capture des ressources ; II) le fonctionnement chloroplastique : la photosynthèse ; III) le devenir des sucres produits. I. Une organisation foliaire adaptée à la capture des ressources - Surface et orientation : le limbe est plat et mince. Il offre une grande surface d'échange et de captation lumineuse pour un faible volume. - Épiderme et stomates : une cuticule imperméable limite les pertes d'eau. - Les stomates, surtout sur la face inférieure, permettent l'entrée du $CO_2$. Une empreinte de vernis observée au microscope montre l'ostiole entre deux cellules de garde. - Leur ouverture s'accompagne d'une transpiration. - Parenchymes chlorophylliens : - Le parenchyme palissadique, en face supérieure, est riche en chloroplastes et capte la lumière. - Le parenchyme lacuneux, avec ses méats, favorise la diffusion des gaz. - Ces tissus s'observent sur une coupe transversale de feuille. - Nervures : les faisceaux cribro-vasculaires associent le xylème, qui apporte la sève brute (eau, ions), et le phloème, qui exporte la sève élaborée. II. Le fonctionnement cellulaire : la photosynthèse dans le chloroplaste - Mise en évidence : - Une feuille partiellement cachée à la lumière, ou panachée, ne colore à l'eau iodée que les zones éclairées et chlorophylliennes. L'amidon n'est donc produit qu'à la lumière, dans les cellules chlorophylliennes. - Des mesures par ExAO montrent qu'à la lumière les feuilles absorbent du $CO_2$ et rejettent de l'$O_2$. - Pigments : - La chromatographie sépare les chlorophylles $a$ et $b$ et les caroténoïdes, situés dans les membranes des thylakoïdes. - Le spectre d'absorption de ces pigments coïncide avec le spectre d'action de la photosynthèse : les radiations bleues et rouges sont les plus efficaces (expérience d'Engelmann). - Phase photochimique (thylakoïdes) : - La réaction de Hill montre que des chloroplastes isolés, éclairés, en présence d'un accepteur d'électrons et sans $CO_2$, dégagent de l'$O_2$. - L'expérience avec $H_2^{18}O$ montre que l'$O_2$ provient de l'eau. - Il y a photolyse de l'eau ($2\,H_2O \rightarrow O_2 + 4\,H^+ + 4\,e^-$), réduction de transporteurs ($NADPH,H^+$) et synthèse d'ATP. - Phase chimique, cycle de Calvin (stroma) : - L'autoradiographie après apport de $^{14}CO_2$ (expériences de Calvin et Benson) montre que le $CO_2$ est fixé sur le ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP) par la Rubisco, ce qui donne de l'APG. - L'APG est réduit en trioses-phosphates grâce à l'ATP et au $NADPH,H^+$. - Le RuBP est régénéré. - À l'obscurité, l'APG s'accumule et le RuBP disparaît. Cela montre le couplage entre les deux phases. III. Synthèse et devenir des sucres solubles - Les trioses-phosphates permettent la synthèse de glucose (hexose-phosphate), puis de fructose et de saccharose. - Le jour, une partie est stockée temporairement sous forme d'amidon insoluble dans le chloroplaste (test à l'eau iodée). - La nuit, l'amidon est hydrolysé en glucose ou maltose, puis le saccharose est synthétisé. - Le saccharose, sucre soluble de transport, est chargé dans le phloème (sève élaborée) vers les organes non chlorophylliens : racines, fruits, graines, tubercules. Conclusion - L'organisation de la feuille (limbe étalé, stomates, parenchymes chlorophylliens riches en chloroplastes, nervures) permet de capter lumière, $CO_2$ et eau. - Dans les chloroplastes, l'énergie lumineuse est convertie en énergie chimique (ATP, $NADPH,H^+$) dans les thylakoïdes. Cette énergie est utilisée dans le stroma pour réduire le $CO_2$ en sucres. - Le glucose et les sucres solubles produits, notamment le saccharose, sont stockés ou exportés par le phloème. Ils assurent ainsi la nutrition de toute la plante.