Exercice 1 · Bac Sciences de la Vie et de la Terre Polynésie 2026 (jour 1)

Expliquer comment l'endosymbiose a conduit à la présence de chloroplastes dans des cellules eucaryotes et en quoi cette acquisition permet la photosynthèse.

Réponse : ### Introduction La théorie endosymbiotique, formulée par Lynn Margulis, propose que certains organites des cellules eucaryotes proviennent de l'internalisation et de l'intégration durable de procaryotes par une cellule hôte ancestrale. Dans la lignée verte, l'acquisition d'une cyanobactérie photosynthétique a donné naissance aux chloroplastes. Comment cette endosymbiose s'est-elle produite, et en quoi permet-elle la photosynthèse ? --- ### I. L'endosymbiose à l'origine des chloroplastes 1. Le mécanisme de l'endosymbiose primaire : - Une cellule eucaryote primitive hétérotrophe a englobé par phagocytose une cyanobactérie ancestrale, sans la digérer. - L'association à bénéfice réciproque (mutualisme) s'est stabilisée au fil des générations, jusqu'à une dépendance obligatoire. La bactérie fournit des molécules organiques issues de la photosynthèse ; l'hôte lui assure protection, $CO_2$ et ions minéraux. - Exemple actuel : des associations comparables existent encore, comme les algues symbiotiques des coraux ou la limace de mer *Elysia*, qui conserve des chloroplastes d'algues. 2. Les arguments en faveur de la théorie endosymbiotique : - Double membrane (observation au microscope électronique) : la membrane interne a une composition proche de celle des bactéries ; la membrane externe dériverait de la vésicule de phagocytose. - ADN propre : le chloroplaste possède un ADN circulaire, sans histones, semblable à un chromosome bactérien. - Ribosomes 70S de type procaryote, sensibles aux mêmes antibiotiques que les bactéries. - Division par bipartition (scissiparité) : les chloroplastes ne sont jamais fabriqués de novo, ils proviennent toujours de chloroplastes préexistants. - Phylogénie moléculaire : la comparaison des séquences (ARNr 16S) montre une étroite parenté entre chloroplastes et cyanobactéries. - Transfert de gènes : une grande partie des gènes de l'endosymbiote a été transférée dans le noyau de l'hôte. Le chloroplaste ne peut donc plus vivre de façon autonome. --- ### II. L'acquisition du chloroplaste permet la photosynthèse Grâce au chloroplaste, la cellule eucaryote devient autotrophe pour le carbone : elle convertit l'énergie lumineuse en énergie chimique. 1. Organisation du chloroplaste : - Les thylakoïdes portent les pigments (chlorophylles $a$ et $b$, caroténoïdes), les photosystèmes, la chaîne de transporteurs d'électrons et l'ATP-synthase. - Le stroma contient les enzymes de fixation du $CO_2$, dont la Rubisco. - Expérience : la chromatographie des pigments et leur spectre d'absorption, comparé au spectre d'action (expérience d'Engelmann), montrent que la lumière absorbée par la chlorophylle (bleu, rouge) est efficace pour la photosynthèse. 2. La phase photochimique (thylakoïdes) : - Les pigments captent l'énergie lumineuse. - L'eau est oxydée, ce qui libère du dioxygène : $$2\,\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{O_2} + 4\,\mathrm{H^+} + 4\,e^-$$ - Les électrons, transportés le long de la chaîne, réduisent le transporteur $\mathrm{R}$ en $\mathrm{RH_2}$ (NADPH). - Le gradient de protons ainsi créé permet la synthèse d'ATP par l'ATP-synthase. - Expérience de Hill (1937) : des chloroplastes isolés, éclairés, dégagent du $O_2$ en présence d'un accepteur d'électrons, même sans $CO_2$. - Expérience de Ruben et Kamen avec $^{18}O$ : l'$O_2$ produit provient de l'eau. 3. La phase chimique (stroma) : - Dans le cycle de Calvin, la Rubisco fixe le $CO_2$ sur le RuBP pour former de l'APG (C3). - L'APG est réduit en trioses phosphates grâce à l'ATP et au $\mathrm{RH_2}$ produits par la phase photochimique. - Une partie des trioses régénère le RuBP ; le reste sert à produire glucose, saccharose et amidon. - Expérience de Calvin et Benson au $^{14}CO_2$ : le carbone radioactif apparaît d'abord dans l'APG, puis dans les glucides. - Expérience d'alternance lumière/obscurité : sans lumière, la fixation du $CO_2$ s'arrête rapidement ; les deux phases sont donc couplées. - Bilan : $$6\,CO_2 + 6\,H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2$$ --- ### Conclusion L'endosymbiose d'une cyanobactérie par une cellule eucaryote hétérotrophe a fourni à celle-ci un organite, le chloroplaste. Ses caractères bactériens (double membrane, ADN circulaire, ribosomes 70S, division, parenté moléculaire) témoignent de cette origine. Ses thylakoïdes et son stroma réalisent la photosynthèse : conversion de l'énergie lumineuse en ATP et $\mathrm{RH_2}$, puis réduction du $CO_2$ en matière organique. Cette acquisition est à l'origine des eucaryotes photosynthétiques (algues, plantes) et de leur autotrophie.