Photosynthese

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Photosynthese

La photosynthèse
Guide pédagogique
Le présent guide sert de complément à la série d’émissions intitulée
La photosynthèse produite par TFO.
La série
Responsable de projet : Annette Lalonde
Le guide – Édition 1988
Auteur de la version anglaise : Bob Whitney
Traduction de la version anglaise : Compagnie de traduction universelle
Le guide – Édition 2009
Révision pédagogique : François Lépine
Pour obtenir des copies des émissions de la série La photosynthèse :
• Vous pouvez enregistrer les émissions lors de leur diffusion sur les ondes de TFO.
• Consultez le site www.tfo.org/diffusion pour connaître la date de la prochaine diffusion
ou téléphonez au 1.800.387.8435, poste 2388 pour une diffusion spéciale.
• Les écoles de langue française de l’Ontario peuvent visionner les émissions de cette série
directement sur le site web www.tfo.org/ressources.
Pour obtenir des exemplaires supplémentaires de ce guide :
• Vous pouvez l’imprimer à partir du site www.tfo.org/guides.
• Vous avez le droit d’en faire des photocopies à volonté.
• Vous pouvez l’acheter auprès du Centre franco-ontarien de ressources pédagogiques à Ottawa en
appelant au 1.877.742.3677, poste 228 (Ontario) ou au 1.877.747.8003, poste 228 (Canada).
TFO tient à remercier le Secrétariat d’État de sa participation financière.
Renseignements : [email protected]
© L’Office des télécommunications éducatives de langue française de l’Ontario, mai 2009.
Table des matières
3
Introduction
5
Émission 1 : La lumière et les plantes (317201)
13
Émission 2 : Absorption de la lumière (317202)
21
Émission 3 : Réaction claire (317203)
28
Émission 4 : Réaction sombre (317204)
33
Émission 5 : Plantes à structures C-3 et C-4 (317205)
38
Émission 6 : Système vasculaire (317206)
Introduction
La série La photosynthèse, qui comporte six émissions de 10 minutes chacune,
se propose d’inculquer des notions de base en biologie, aux élèves du cycle supérieur.
Le présent guide pédagogique traite de façon plus approfondie la matière abordée
dans chacune des émissions. Il propose également des activités connexes à faire
avant le visionnement. Les activités qui suivent le visionnement sont destinées
aux élèves et peuvent être photocopiées et distribuées. Elles comprennent
des expériences de laboratoire, la fabrication de maquettes, des travaux de recherche
et même la reconstitution scénique des étapes de la photosynthèse. À la fin du guide,
une bibliographie réunit des documents de référence de niveau secondaire
et universitaire, pour une étude plus approfondie de ce phénomène.
La série débute par un survol historique des premières théories et expériences
relatives à la photosynthèse; plusieurs de ces expériences pourront être reprises
en laboratoire. La première émission, La lumière et les plantes, explique l’équation
chimique représentant la photosynthèse et amorce l’étude de la réaction claire et
de la réaction sombre ainsi que des caractéristiques morphologiques des organes
photosynthétiques.
L’émission intitulée Absorption de la lumière revient sur cette dimension
morphologique au niveau moléculaire, en examinant les divers types de pigments qui
participent à la photosynthèse. Elle invite les élèves à étudier le spectre d’absorption
des pigments végétaux et à trouver comment les séparer et les nommer.
En suivant les canaux empruntés par les électrons et les protons à travers
les thylakoïdes, l’émission Réaction claire fait découvrir aux élèves les principaux
transporteurs d’électrons, tandis que la Réaction sombre, les initie à l’ensemble
des réactions complexes qui se produisent au niveau moléculaire et constituent
le cycle de Calvin.
Les deux dernières émissions traitent de concepts connexes. Dans l’émission Plantes
à structures C-3 et C-4, l’analyse des plantes à structure C-4 permet de découvrir
pourquoi elles ont réussi à prospérer dans les zones tropicales, mais ont été incapables
de se substituer aux végétaux à structure C-3 dans les autres régions. Enfin, l’émission
Système vasculaire explique le rôle des plantes dans l’écosystème. Le problème de
l’approvisionnement en eau du réseau photosynthétique jusqu’à la cime des grands
arbres est également abordé.
Les émissions 1 et 6 appuient particulièrement les cours de 11e année.
L’émission 1 peut servir de révision en 12e année.
Les émissions 2 à 5 sont particulièrement utiles en 12e année.
Émission 1 : La lumière et les plantes (317201)
Liens au programme-cadre de Science du ministère de l’Éducation de l’Ontario 2008
SBI3C
Biologie cellulaire
Attente
Expliquer les processus fondamentaux de la biologie cellulaire.
Contenus d’apprentissage
• Expliquer le rôle fondamental des enzymes dans les réactions biochimiques.
• Expliquer les transformations d’énergie et de matière associées au processus
de la respiration cellulaire en identifiant les réactifs et les produits.
SBI3U
Anatomie et fonctions végétales
Attentes
• Décrire des structures, des fonctions, des modes de reproduction des plantes vasculaires
ainsi que des facteurs influant sur leur croissance.
• Analyser, en appliquant la méthode scientifique, l’organisation structurale
des plantes vasculaires et les facteurs influant sur leur croissance.
• Décrire la structure des tissus végétaux selon leur fonction dans le système caulinaire,
le système racinaire et le système foliaire des plantes vasculaires.
• Décrire l’apport des plantes à la durabilité de l’environnement.
SBI4U
Processus métaboliques
Attentes
• Décrire les réactions chimiques à la base des processus métaboliques cellulaires.
• Mettre en évidence les liens entre l’avancement de la connaissance scientifique
des processus métaboliques et les progrès technologiques, et reconnaître leur incidence
sur la société et l’environnement.
• Décrire la séquence de transformation du glucose lors de la respiration cellulaire
aérobie et anaérobie.
• Schématiser les transferts d’énergie s’opérant lors de la photosynthèse
et de la respiration cellulaire.
5
La photosynthèse
É m i s s i o n 1 : La lum ièr e et les plant es
Objectifs de l’émission
Après avoir visionné cette émission, les élèves devraient pouvoir :
• Nommer les réactifs et les produits de la photosynthèse;
• Écrire une équation chimique équilibrée de la photosynthèse;
• Décrire, dans les grandes lignes, les effets des réactions liées ou non
(réaction sombre) à la lumière;
• Nommer le siège de la photosynthèse chez les plantes;
• Décrire le rôle des isotopes de divers éléments dans l’étude de la biologie.
Description de l’émission
Les toutes premières expériences menées sur la photosynthèse avaient permis de
déceler les réactifs et les produits, ainsi que le rôle déterminant de la lumière dans
l’ensemble du processus. En 1771, Joseph Priestley avait découvert que « quelque
chose » dans l’air, permettait aux bougies de brûler et que les plantes avaient
le pouvoir de purifier l’air exhalé par les animaux. Quelques années plus tard,
Johannes Ingen-Housz démontra que cette régénération de l’air ne pouvait se
produire qu’à la lumière et que seules les parties vertes des plantes participaient
à ce phénomène. À son tour, Jean Senebier découvrit que le gaz carbonique était
complètement absorbé au cours du processus et y vit l’explication de l’émission
d’oxygène. Par la suite, on constata que l’eau était à la fois un réactif et un produit
de la photosynthèse et que la chlorophylle en était un élément indispensable.
Voici l’équation chimique qui résume la photosynthèse :
6CO2 + 12H2O ‡ C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
C’est seulement après avoir découvert comment produire et isoler le lourd isotope
de l’oxygène, 0-18, qu’on a pu établir une distinction entre la « vieille » eau
(un réactif) et la « nouvelle » eau (un produit). Lorsque les molécules de l’eau réactive
sont marquées avec cet isotope, l’oxygène contenu dans l’eau se retrouve dans
les molécules d’oxygène dégagées comme produit de déchet.
Le processus complet de la photosynthèse est la somme de deux séries de réactions
complexes : les réactions liées à la lumière utilisent la « vieille » eau et dégagent de
l’oxygène; les réactions indépendantes de la lumière (dites sombres) combinent
les produits des premières au gaz carbonique pour former des matières organiques
et libérer la « nouvelle » eau en tant que produit de déchet.
D’un point de vue anatomique, les réactions de la photosynthèse se produisent dans
les parties de la plante qui contiennent des chloroplastes. Ceux-ci abondent surtout
dans les feuilles et plus particulièrement dans les cellules palissadiques, situées sous
la surface de la feuille. À l’intérieur même des chloroplastes, des systèmes complexes
de membranes, appelés lamelles, distribuent les molécules de chlorophylle de telle
sorte qu’elles puissent offrir une immense surface à la lumière.
6
La photosynthèse
Activités avant le visionnement
Discuter de la nature générale de la photosynthèse et du rôle important qu’elle joue
en recueillant et en emmagasinant de l’énergie sous une forme utilisable par les
autres espèces biologiques.
Discuter de l’importance de la photosynthèse pour l’homme, en ce qui a trait à la
concentration de l’énergie contenue dans la biomasse et les combustibles fossiles et
utilisée pour le chauffage domestique, les transports et l’industrie, de même que son
rôle en tant que matière première pour l’industrie des produits chimiques organiques.
Activités après le visionnement
ACTIVITÉ 1 – Examen d’un chloroplaste
Obtenir la micrographie électronique d’un chloroplaste et la reproduire ou
la photocopier. Identifier la membrane extérieure, le stroma, les lamelles,
les thylakoïdes et les grana. Comme il s’agit d’une structure à deux dimensions,
calculer le rapport réel approximatif entre la surface et le volume (rapport de la
longueur totale des membranes et de la coupe transversale) de la vacuole contractile,
et ce même rapport tel qu’il serait s’il n’y avait pas de membranes intérieures.
7
La photosynthèse
ACTIVITÉ 2 – Étude des gaz libérés par une plante
lors de la photosynthèse
Cette expérience a pour but de recueillir le gaz libéré par une plante aquatique
et de vérifier sa capacité d’entretenir la combustion.
Matériel
• Gros bécher ou bocal
• Entonnoir pouvant tenir dans l’élément ci-dessus
(un tube court est préférable)
• Cône découpé dans une toile métallique ou une moustiquaire
et tenant amplement dans l’entonnoir
• Éprouvette
• Éclisse de bois et allumette ou bec Bunsen
• Source de lumière (ou fenêtre non voilée)
• Solution d’hydrogénocarbonate de sodium à 0,1 %, bien aérée
• 6 à 8 pousses d’élodée du Canada
Marche à suivre
1. Remplir le bocal aux trois quarts environ de la solution
d’hydrogénocarbonate de sodium.
2. Renverser l’entonnoir (tube vers le haut) tapissé du grillage.
3. Disposer les pousses d’élodée autour du grillage, à l’intérieur de l’entonnoir.
La base des pousses devrait pointer vers le haut.
4. Placer l’entonnoir, le grillage et les élodées dans le récipient.
5. Remplir l’éprouvette de la solution d’hydrogénocarbonate et la renverser
sur le tube de l’entonnoir.
6. Laisser tout le dispositif à la lumière pendant un ou deux jours ou
jusqu’à ce qu’il y ait assez de gaz pour pouvoir procéder au test.
7. Vérifier la nature du gaz recueilli dans l’éprouvette en y plongeant
un éclisse de bois incandescent.
8. Noter toutes les observations et en tirer les conclusions qui s’imposent.
Schéma 1.1 : Matériel pour activité 2.
Questions à discuter
1. Pourquoi a-t-on fourni de l’hydrogénocarbonate aux plantes?
Pourquoi a-t-on aéré la solution?
2. Quels sont les gaz qui auraient pu s’accumuler dans l’éprouvette?
Expliquer la source possible de chacun d’entre eux.
3. En quoi cette expérience ressemble-t-elle à celle de Priestley?
8
La photosynthèse
ACTIVITÉ 3 – La lumière, le gaz carbonique et la chlorophylle
sont-ils nécessaires à la photosynthèse?
Le matériel et la marche à suivre sont les mêmes pour les parties A, B et C
de cette activité.
Matériel d’examen des feuilles
• Bécher
• Grosse éprouvette
• Pinces
• Verre de montre ou boîte de Petri
• Source de lumière ou fenêtre ensoleillée
• Lunettes protectrices
• Serviette mouillée en cas d’incendie
• Eau bouillante (utiliser une bouilloire électrique ou un percolateur)
• Éthanol dénaturé (ATTENTION : INFLAMMABLE)
• Solution iodée de Lugol
Marche à suivre pour vérifier la présence d’amidon dans les feuilles
Mise en garde : Toujours porter des lunettes protectrices et rester debout
lorsqu’on travaille avec des produits chimiques et une flamme!
Ne pas utiliser de flamme vive à proximité de l’éthanol. On le porte
à ébullition en immergeant son contenant dans de l’eau bouillante.
1. Détacher la feuille de la plante.
2. À l’aide des pinces, l’immerger pendant 30 secondes dans le bécher rempli
d’eau bouillante.
3. Verser environ 30 mL d’éthanol dans l’éprouvette et y plonger la feuille.
4. Déposer l’éprouvette dans le bécher rempli d’eau bouillante.
5. Laisser la feuille quatre minutes dans l’éthanol bouillant, en rajoutant
au besoin de l’eau dans le bécher, pour maintenir l’ébullition.
6. Retirer la feuille de l’éthanol avec les pinces et la plonger
dans l’eau bouillante pendant 30 secondes.
7. Aplatir la feuille dans le verre de montre ou la boîte de Petri et
l’enduire de la solution iodée de Lugol. Au bout de deux minutes,
rechercher des taches noires qui indiqueraient la présence d’amidon
dans la feuille traitée.
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La photosynthèse
Partie A : La lumière est-elle nécessaire à la photosynthèse?
Matériel
• Matériel d’examen des feuilles (voir plus haut)
• Géranium en pot (gardé 24 heures dans le noir)
• Trombone
• Croix (environ 2 cm x 2 cm) découpée dans du carton noir
• Microscope composé
• Lame
• Lamelle
• Glycérine (dans un flacon muni d’un compte-gouttes)
Marche à suivre
1. Retirer le géranium de son endroit sombre pour vérifier la présence d’amidon
dans l’une de ses feuilles. Fixer immédiatement la croix à plat sur la feuille choisie.
2. Laisser la plante en pleine lumière pendant une journée.
3. Détacher la feuille traitée et vérifier la présence d’amidon.
4. Détacher un fragment de la partie contenant de l’amidon et la fixer
(face inférieure vers le haut) avec de la glycérine sur la lame de microscope.
Au bout de deux minutes, examiner le fragment à des grossissements moyen
et fort, et décrire la répartition des taches noires sur la feuille.
Discussion
1. Essayer d’expliquer la répartition de l’amidon sur la feuille, telle que perçue
à l’œil nu et vue au microscope.
2. Pourquoi a-t-on laissé la plante dans le noir pendant 24 heures avant l’expérience?
3. Cette expérience comportait-elle un « témoin »? Expliquer.
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La photosynthèse
Partie B : Le gaz carbonique est-il nécessaire à la photosynthèse?
Matériel
• Matériel d’examen des feuilles (voir plus haut)
• Géranium en pot (gardé 24 heures dans le noir)
• Fiole d’Erlenmeyer de 250 mL
• Bouchon à un trou, fendu sur le long à l’intérieur de la perforation
• Vaseline
• Hydroxyde de sodium solide (ATTENTION : EXTRÊMEMENT CAUSTIQUE)
• Spatule ou cuillère en plastique
• Support universel
• Pince à burette réglable ou pince à rallonge
Marche à suivre
Mise en garde : Toujours porter des lunettes protectrices pour manipuler
de l’hydroxyde de sodium. En cas d’éclaboussure sur les mains,
les laver longuement à grande eau.
1. Retirer le géranium de son endroit sombre.
2. Mettre une dizaine de grains d’hydroxyde de sodium dans la fiole.
3. Placer le bouchon de caoutchouc sur le pétiole d’une des feuilles
en orientant son extrémité la plus large vers la tige.
4. Enfermer le limbe de la feuille dans la fiole et enduire le bord de vaseline
pour en renforcer l’étanchéité.
5. Appuyer la fiole contre un support pour éviter que la feuille ne soit abîmée.
6. Exposer la plante en pleine lumière pendant toute la journée.
7. Démonter le tout et examiner la feuille conservée dans la fiole ainsi
qu’une autre feuille prélevée sur la plante pour déceler la présence d’amidon
(voir la marche à suivre décrite plus haut).
8. Expliquer ses observations.
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La photosynthèse
Partie C : La chlorophylle est-elle nécessaire à la photosynthèse?
Matériel
• Matériel utilisé pour déceler la présence d’amidon dans les feuilles
(voir plus haut).
• Coléus panaché en pot (blanc ou vert).
Marche à suivre
1. Exposer le coléus à la lumière pendant toute une journée.
2. Procéder au test de l’amidon sur l’une de ses feuilles
(marche à suivre décrite plus haut).
3. Expliquer ses observations.
ACTIVITÉ 4 – Révision
1. Écrire une équation chimique équilibrée pour l’ensemble du processus
de la photosynthèse.
2. Expliquer pourquoi les toutes premières observations sur la photosynthèse
ont été l’œuvre de médecins et de pasteurs plutôt que de savants.
3. Si on identifiait d’une façon ou d’une autre l’hydrogène fourni par l’eau
à une plante au cours de la photosynthèse, où le trouverait-on une fois
le processus terminé? Expliquer.
4. Dessiner la coupe transversale d’un chloroplaste telle qu’on pourrait l’observer
avec un microscope électronique à transmission et en identifier les éléments.
12
La photosynthèse
Émission 2 : Absorption de la lumière (317202)
SBI3C
Biologie cellulaire
Attente
Contenu d’apprentissage
Expliquer les transformations d’énergie et de matière associées au processus
SBI3U
Attentes
• Analyser, en appliquant la méthode scientifique, l’organisation structurale
des plantes vasculaires et les facteurs influant sur leur croissance.
SBI4U
Attente
• Décrire les réactions chimiques à la base des processus métaboliques cellulaires.
• Appliquer les lois de la thermodynamique à l’étude des transformations énergétiques
qui s’opèrent dans la cellule lors de la photosynthèse et de la respiration cellulaire.
• Comparer les transformations d’énergie et de matière associées aux processus
de la respiration cellulaire et de la photosynthèse.
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La photosynthèse
É m i s s i o n 2 : A bs or pt ion de la lum ièr e
• Décrire l’organisation interne d’un chloroplaste;
• Démontrer le lien entre les réactions claires et les thylakoïdes;
• Expliquer le concept de « spectre » et l’appliquer à l’absorption, la réflexion
et la transmission de la lumière par les feuilles;
• Nommer les pigments contenus dans les chloroplastes;
• Expliquer en quoi les pigments antennes se différencient de ceux qui forment
des centres de réaction;
• Expliquer pourquoi les molécules organiques absorbent la lumière
dans un prisme visible;
• Nommer les deux photosystèmes et expliquer l’origine de leur nom.
La chlorophylle est contenue dans des membranes oblongues qui se trouvent à
l’intérieur des chloroplastes et qu’on appelle des lamelles. Ces membranes portent
des corpuscules discoïdes, les thylakoïdes, qui forment des piles nommées grana.
Les lamelles, et plus spécialement les thylakoïdes, sont le siège des réactions claires
de la photosynthèse.
Lorsqu’on décompose la lumière visible en ses éléments chromatiques, on obtient
un spectre. Les feuilles produisent des spectres différents, selon qu’elles reflètent,
absorbent ou transmettent la lumière étudiée.
Les longueurs d’ondes du spectre d’absorption sont les plus importantes parce
qu’elles représentent la portion de la lumière solaire pouvant servir à la synthèse
des hydrates de carbone.
Les principaux agents de la photosynthèse sont les pigments chlorophylliens :
La chlorophylle « a » et la chlorophylle « b » ont une structure chimique presque
identique, la première possédant un groupe méthyle et la seconde un groupe
carbonyle. Les pigments secondaires, comme les carotinoïdes, permettent à la plante
d’absorber davantage de rayons lumineux et peuvent ainsi rendre la photosynthèse
encore plus efficace. C’est également à eux qu’on doit les riches couleurs des feuilles
en automne. Habituellement, on les qualifie de « pigments antennes » parce qu’ils
captent l’énergie et la transmettent à un centre de réaction où elle sera utilisée.
Le centre de réaction contient toujours de la chlorophylle « a ».
Bien qu’ils différent par leur rôle et leur structure chimique, les pigments ont
un point commun. Ils possèdent tous des molécules où alternent des liaisons simples
et doubles. Cela leur permet d’absorber la lumière visible, mais chacune des molécules
n’absorbe que quelques ondes de longueurs bien définies. C’est pourquoi la présence
de nombreux types de pigments dans des milieux chimiques légèrement différents
augmente l’éventail des longueurs d’ondes (photons) absorbables par
le chloroplaste et accroît d’autant l’efficacité de la photosynthèse.
14
La photosynthèse
Discuter de la façon dont un prisme ou un réseau de diffraction décompose
les diverses longueurs d’ondes ou couleurs de la lumière; enchaîner avec l’étude
des causes qui font que des produits chimiques, tels que les teintures et les colorants
alimentaires, semblent colorés lorsqu’on les examine à la lumière « blanche ».
Présenter les unités (nanomètres) utilisées pour mesurer les longueurs d’ondes
de la lumière et amener les élèves à s’intéresser aux valeurs, en nanomètres,
de la gradation de la lumière visible quand elle passe du violet au rouge.
15
La photosynthèse
ACTIVITÉ 1 – Les sources lumineuses
Matériel
• Spectroscope manuel, modèle scolaire (par exemple : Science Kit Inc.)
• Source lumineuse fluorescente (par exemple : néons de la classe)
• Source lumineuse incandescente (ou plusieurs sources d’intensité différente)
• Feuille fraîche
Marche à suivre
1. Si on utilise le spectroscope manuel de « Science Kit », on remarquera
qu’il comporte un orifice carré à son extrémité la plus étroite. C’est le viseur.
À son autre extrémité, une fente étroite laisse passer la lumière qui sera analysée.
Il y a également une longue ouverture rectangulaire qui permet d’éclairer l’échelle
graduée intégrée à l’instrument. Chacune des divisions de l’échelle correspond
à 1000 À. Il faut donc multiplier par 100 les nombres qui y sont inscrits pour
les convertir en nm.
2. Orienter le spectroscope de telle sorte que la lumière provenant d’une lampe
fluorescente passe par la fente, et regarder dans le viseur. On verra alors des images
multicolores de la fente sur l’échelle. Les élèves myopes devront ôter leurs lunettes
pour pouvoir lire les graduations plus facilement. Le spectre se compose de bandes
brillantes qui correspondent aux principales bandes émises par la lampe
fluorescente. Dessiner le spectre, puis uniquement la partie qui couvre l’échelle.
3. Répéter l’exercice d’observation et les croquis avec chacune des sources lumineuses
suivantes :
a. ampoule incandescente;
b. lumière solaire;
c. lumière solaire réfléchie à la surface d’une feuille;
d. lumière solaire traversant une feuille.
4. Comparer les quatre spectres et commenter la signification
des éventuelles différences.
Discussion
Les mini-serres d’intérieur combinent souvent des lampes à fluorescence et
à incandescence pour stimuler artificiellement la croissance des plantes.
Les ampoules incandescentes ont une faible puissance (par exemple : 40 watts).
Expliquer pourquoi cette combinaison est bonne.
16
La photosynthèse
ACTIVITÉ 2 – Le spectre d’absorption de l’épinard
Matériel
• Spectroscope manuel
• Source lumineuse concentrée (par exemple : un illuminateur de microscope
à fibre optique) ou d’un projecteur de diapositives masqué par un carton percé
en son milieu d’un trou fait au poinçon)
• Deux flacons jetables en plastique de 30 mL pour la culture des tissus,
avec leur bouchon
• Un mortier et un pilon
• Petit entonnoir
• Bécher
• Grande éprouvette
• Pinces
• Lunettes de protection
• Serviette mouillée (comme extincteur d’urgence)
• Feuilles d’épinard fraîches
• Sable propre
• Source d’eau chaude (par exemple : bouilloire électrique ou percolateur)
• Éthanol dénaturé
• Solution de sucrose, 0,25 mol/L
Marche à suivre
1. Après avoir pris bonne note des précautions à observer, répéter les étapes de
l’activité 3 du chapitre précédent (voir en page X) afin d’extraire la chlorophylle
d’une ou deux feuilles d’épinard, mais sans les replonger dans l’eau bouillante.
On pourra ensuite les jeter puisqu’il est inutile de vérifier la présence d’amidon.
Recueillir l’extrait de chlorophylle dans l’un des flacons et le boucher soigneusement.
2. Préparer une suspension de chloroplastes d’épinard en broyant dans le mortier
une feuille (avec une pincée de sable) dans 30 mL de solution de sucrose. Lorsque la
suspension est aussi fine que possible, la décanter dans le deuxième flacon et boucher.
3. Observer, pour chaque flacon, le spectre d’un faisceau lumineux traversant
leur contenu de haut en bas (dimension réduite) et observer à l’œil nu la lumière
qui se disperse perpendiculairement au faisceau. Noter toutes les observations.
4. Conserver l’extrait de chlorophylle dans l’éthanol en prévision de la troisième
activité. (Avant de la jeter, s’informer auprès de l’enseignante ou l’enseignant,
de la possibilité d’utiliser la suspension de chloroplastes et de sucrose pour
la réaction de Hill si cette expérience doit être faite lors de la même séance
de laboratoire.)
Discussion
1. Comparer l’absorption des rayons lumineux de chaque préparation avec le spectre
de la feuille entière (activité 1).
2. La diffusion de la lumière observée à l’œil nu est un phénomène de « fluorescence ».
Discuter de sa signification et commenter, le cas échéant, sur les propriétés
fluorescentes respectives des extraits de chlorophylle et de chloroplastes.
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La photosynthèse
Activité 3 – Séparation des pigments
Matériel
• Cylindre gradué de 100 mL
• Bouchon de caoutchouc no 9
• Petit bécher
• Paire de ciseaux
• Règle
• Punaise
• Séchoir à cheveux (facultatif)
• Bande de papier-filtre (Whatman no 1) de 2,5 X 25 cm
• Extrait de chlorophylle conservé dans de l’éthanol (voir activité 2)
• Solvant chromatographique composé de 12 mL d’acétone à 90 % mélangée
à 100 mL d’éther de pétrole (100 - 120o)
Marche à suivre
Mise en garde : Exécuter cette activité sous une hotte de laboratoire.
Les vapeurs d’acétone peuvent causer des troubles hépatiques voire le cancer!
1. Verser 10 mL du solvant chromatographique dans le cylindre et le reboucher
soigneusement. Laisser reposer pendant au moins une demi-heure avant de
l’utiliser à l’étape 6, pour que l’air contenu dans le cylindre soit saturé des vapeurs
du solvant.
2. Transvider l’extrait de chlorophylle dans le bécher.
3. Plier transversalement le papier-filtre à environ 5 cm d’une de ses extrémités.
4. Obtenir une bande sombre d’extrait de chlorophylle le long du pli; pour ce faire,
tremper le pli dans l’extrait le temps de l’humecter, le retirer du bécher et laisser
sécher. Répéter l’opération jusqu’à l’obtention d’une bande sombre d’extrait
de chlorophylle sur toute la longueur du pli. Cette étape demande beaucoup de
patience parce qu’il faut chaque fois laisser sécher la première application avant
de passer à la suivante. Toutefois, plus la bande de chlorophylle sera sombre,
plus il sera facile de procéder à la dernière étape.
5. Couper le papier-filtre pour que la bande de chlorophylle ne soit plus qu’à 3 cm
environ de son extrémité. En diminuer également la largeur jusqu’à 1,5 cm en
ne gardant que la portion où la bande d’extrait est la plus uniforme. Supprimer
encore 2,5 cm sur la longueur, près de l’extrait de chlorophylle, en un point qui
soit symétrique.
18
La photosynthèse
Figure 2.1 : Matériel de chromotographie
6. En travaillant sous la hotte de laboratoire, insérer la bande de papier-filtre dans
le cylindre de telle sorte que sa pointe, et non l’extrait de chlorophylle, trempe
dans le solvant. Il faudra peut-être la raccourcir aux dimensions du cylindre
(environ 22 cm de long) et l’incurver légèrement pour qu’elle reste bien droite.
La fixer au bouchon de caoutchouc avec la punaise. Voir figure 2.1 ci-dessus.
7. Attendre que le solvant ait été absorbé avant de retirer le papier du cylindre.
Il faut compter environ une heure pour que le solvant atteigne le haut du cylindre.
Retirer le papier, et, toujours en travaillant sous la hotte, marquer la position
du bord du solvant et encercler chaque tache colorée. Utiliser un crayon si le papier
n’est pas complètement sec.
8. Dès que le papier est sec, retourner à son bureau et calculer, pour chaque tache,
le rapport entre la distance parcourue par le composant coloré (jusqu’au centre
de densité de sa tache) et celle parcourue par le solvant. Ce rapport
(RF = rapport des fronts) devrait être constant pour chacune des substances.
Discussion
1. Combien de pigments contenait l’extrait de feuille?
2. Quelle est la valeur du « rapport des fronts » pour les pigments qui sont
probablement de la chlorophylle « a », de la chlorophylle « b » et des carotinoïdes?
3. Comparer ces « constantes » avec celles obtenues par d’autres élèves pour
les mêmes pigments. Commenter les éventuelles différences.
4. Pourquoi les pigments parcourent-ils des distances différentes?
Quelle est la propriété qui différencie un pigment qui parcourt une longue distance
d’un autre dont le trajet est plus court?
5. Comment, au cours de cette expérience, a-t-on procédé pour distinguer
la chlorophylle « a », de la chlorophylle « b »?
19
La photosynthèse
Activité 4 – Recherche
Pour pouvoir établir une relation entre une fonction particulière et un pigment
donné, il faut souvent procéder à l’étude d’un spectre d’action afin de comparer
la dépendance de la fonction par rapport aux rayons lumineux et le spectre
d’absorption du pigment qui semble servir d’intermédiaire à cette fonction.
T.W. Engelmann a étudié le spectre d’action de la photosynthèse.
Effectuer, sur Internet, une recherche sur l’expérience d’Englemann et la décrire
dans une courte rédaction (environ 300 mots).
Activité 5 – Révision
1. Nommer trois pigments dont l’intervention est déterminante dans la photosynthèse
et discuter de leurs rôles respectifs.
2. Expliquer pourquoi les feuilles virent au jaune, à l’orange ou au rouge pendant
l’automne ou lorsqu’elles sont atteintes d’une maladie.
3. Évaluer l’utilité de la chromatographie en tant que moyen de reconnaître
des pigments regroupés dans un mélange complexe.
20
La photosynthèse
Émission 3 : Réaction claire (317203)
SBI3C
Biologie cellulaire
Attente
• Décrire le rôle des organites dans divers processus cellulaires.
• Expliquer les transformations d’énergie et de matière associées au processus
SBI3U
Attente
Décrire des structures, des fonctions, des modes de reproduction des plantes vasculaires
SBI4U
Attente
Décrire les réactions chimiques à la base des processus métaboliques cellulaires.
21
La photosynthèse
É m i s s i o n 3 : Réac t ion c lair e
• Expliquer l’importance des doubles liaisons pour déterminer si une molécule
est capable d’absorber la lumière;
• Expliquer les concepts d’oxydation et de réduction;
• Reconnaître que l’eau est une source d’électrons et l’oxygène gazeux,
un produit de déchet;
• Définir la photolyse;
• Identifier et expliquer le rôle des deux photosystèmes dans la réaction claire;
• Expliquer le principe d’une pompe à protons, plus spécifiquement dans le cas
de la plastoquinone;
• Établir une relation entre la phosphorylation de l’ADP et un flux de protons
à l’intérieur d’un gradient de protons.
Présents en abondance dans les chloroplastes des plantes vertes, les thylakoïdes
contiennent les principaux agents des réactions claires de la photosynthèse. En effet,
chaque pile de thylakoïdes renferme environ 200 unités photosynthétiques qui,
elles-mêmes, renferment quelque 300 molécules pigmentaires.
Ces molécules de chlorophylle et de carotinoïde agissent de concert à la façon
d’une « antenne », en captant les photons et en canalisant leur énergie vers un centre
de réaction. Celui-ci contient une molécule unique de chlorophylle « a », voisine
d’une molécule acceptrice d’électrons. Les centres de réaction P680 et P700 sont ainsi
désignés d’après la longueur d’ondes photonique maximale (mesurée en nanomètres)
qu’ils peuvent utiliser.
La présence, à l’intérieur de chaque molécule, de doubles liaisons conjuguées
(c’est-à-dire des liaisons alternantes simples et doubles) détermine les longueurs
d’ondes de la lumière que celle-ci peut absorber. En fait, lorsqu’une molécule de
chlorophylle absorbe un photon, elle s’en trouve « stimulée » et prélève alors
un électron d’une double liaison pour l’envoyer vers l’une de ses orbites externes.
La molécule acceptrice située à proximité du centre de réaction récupère cet électron
« libre » de la molécule de chlorophylle. Chaque fois que la chlorophylle perd
un électron, il doit être remplacé et demeurer efficace. Dans le cas du P680,
les électrons de remplacement sont extraits de l’eau, au cours d’un processus
appelé photolyse.
22
La photosynthèse
Le système transporteur d’électrons, constitué d’une série de molécules appartenant
à la membrane thylakoïdale, véhicule ceux-ci jusqu’au P680 et au P700, puis de
ce dernier jusqu’au NADP. Le NADP est le coenzyme qui fournit les électrons et
les noyaux d’hydrogène nécessaires à la réduction des composés carbonés,
lors des réactions sombres de la photosynthèse.
Près du point de départ du système transporteur d’électrons se trouve un transporteur
spécial, la plastoquinone (PQ), située à l’intérieur de la membrane thylakoïdale
et dotée d’une grande mobilité. La PQ oxydée se trouve à la limite extérieure de
la membrane. À mesure qu’elle reçoit des électrons en provenance du P680,
elle les intègre aux protons contenus dans le stroma (le fluide où baigne
le thylakoïde) pour compléter sa réduction. La plastoquinone réduite, PQH2,
gagne le bord interne de la membrane avant d’être oxydée de nouveau.
Elle remet alors ses électrons aux transporteurs suivants, mais libère ses protons
à l’intérieur du thylakoïde. Après quoi, la plastoquinone oxydée regagne le bord
externe de la membrane et réamorce le processus.
Durant la photolyse, les protons sont également libérés dans le thylakoïde où
leur concentration augmente (pH plus faible), alors qu’elle diminue dans le stroma
(pH plus élevé). Il en résulte un gradient de protons à travers toute la membrane
thylakoïdale. Celle-ci est traversée par un canal qui permet le retour spontané
des protons vers le stroma. Ce flux de charge positive forme un courant électrique
qui peut être mis à contribution.
C’est là l’œuvre d’un groupe d’enzymes, appelé particule CF1, qui capture les protons
pour exploiter leur énergie et phosphoryler l’ADP afin d’obtenir de l’ATP qui sera
utilisée lors des réactions sombres de la photosynthèse.
23
La photosynthèse
1. Revoir l’équation globale de la photosynthèse, l’ultrastructure du chloroplaste et
la détermination de pigments. Comme les connaissances générales peuvent varier
d’un élève à l’autre, il peut également s’avérer nécessaire de revoir
(ou d’enseigner) les notions d’oxydation, de réduction et de potentiel
d’oxydoréduction.
2. Il peut être utile de comparer le comportement des systèmes biologiques à celui
d’une cellule électrochimique.
Figure 3.1 Cellule électrochimique
Dans un système biologique, une série de transporteurs d’électrons remplace
les fils de branchement de la cellule électrochimique. Indiquer que la cellule
électrochimique ne fonctionne pas sans pont salin, que le flux d’ions positifs
qui le traverse constitue un courant, et qu’il serait possible de canaliser
un courant positif en vue de lui faire faire un travail.
3. Les élèves devraient connaître l’autre formule du NADP réduit, qui,
du point de vue chimique, est plus précise :
24
La photosynthèse
Activité 1- Discussion sur la photophosphorylation cyclique
Le système de transport des électrons fait passer dans le NADP les électrons qui se
trouvent dans l’eau. La « photophosphorylation cyclique » permet de produire une
ATP supplémentaire, et il serait bon de discuter de ce processus avec la classe. Les
électrons sont amenés, par succion, à un état hautement énergétique par P700, puis
ramenés au début du système de transport des électrons, produisant ainsi une plus
grande capacité phosphorylisante.
Activité 2- La réaction de Hill
Cet exercice reproduit les expériences qui ont été réalisées vers la fin des années 30
et le début des années 40 par Robert Hill et ses collaborateurs. Ils ont tenté de savoir
si des chloroplastes isolés, exposés à des ions de fer comme accepteurs d’électrons,
dégageraient de l’oxygène en présence de lumière. Comme l’oxygène est difficile
à analyser, vous essaierez d’exécuter l’expérience en vous servant de DCPIP (2,6
dichlorophénolindophénol) à titre d’accepteur d’électrons. La valeur E0 du DCPIP le
place environ au point central du système de transport d’électrons. La réduction du
DCPIP en présence de chloroplastes indiquera que les électrons circulent. Notez tout
changement de couleur se produisant à mesure que le DCPIP oscille entre les états
oxydés et réduits.
Matériel
• Épinards frais*
• Deux flacons de plastique jetables de 30 mL
• Un mortier et un pilon
• Deux éprouvettes pour la centrifugeuse
• Centrifugeuse
• Lame et lamelle à microscope
• Rétroprojecteur
• Compte-gouttes gradué à 1,0 mL
• Tamis à fines mailles
• Bécher étalonné à 50 mL
• Feuille d’aluminium
• Sable propre
• Solution de sucrose à 3,5 %
• Solution de DCPIP à 0,02 %
* Les épinards vendus dans des paquets de cellophane pourraient être
trop vieux pour produire les résultats souhaités.
25
La photosynthèse
Marche à suivre
1. Placer un peu de sable dans le fond du mortier.
2. Ajouter un morceau de feuille d’épinard frais (environ 4 g).
3. Verser environ 25 mL de solution de sucrose (se servir du bécher pour mesurer).
4. Broyer les épinards soigneusement à l’aide du pilon.
5. Filtrer les épinards broyés dans le bécher avec le tamis. Si le volume de l’extrait
d’épinard est inférieur à 20 mL, ajouter de la solution de sucrose pour obtenir
le volume désiré.
6. Verser une portion égale d’extrait d’épinards dans chacune des deux éprouvettes.
7. Envelopper l’un des flacons dans une feuille d’aluminium.
8. Centrifuger chaque éprouvette contenant l’extrait pendant deux minutes
à 3000 tours/min.
9. Dans chacun des flacons, verser le contenu d’une éprouvette.
10. Ajouter 1,0 mL de solution de DCPIP dans chaque flacon et agiter le contenu.
11. Placer le flacon non enveloppé sur le rétroprojecteur allumé,
pendant 5 à 10 minutes.
12. Dans l’intervalle, retirer une goutte du flacon enveloppé, la placer entre une lame
et une lamelle et noter ses observations, faites à la puissance forte du microscope.
13. Lorsque le délai est écoulé, éteindre le rétroprojecteur, enlever la feuille
d’aluminium du flacon qui en est enveloppé et comparer la couleur de
son contenu à celui du flacon sur le retro.
Discussion
1. On utilise souvent le DCPIP dans les titrages pour déterminer la teneur
en vitamine C des jus de fruits ou de légumes. Comment réfuteriez-vous
l’hypothèse que les résultats de l’expérience ont été causés par la vitamine C
qui se trouve dans l’extrait d’épinards?
2. À votre avis, est-ce que de l’oxygène a été créé au cours de l’expérience?
Justifiez votre réponse.
3. Est-il possible que l’ADP ait été phosphorylé en ATP au cours de l’expérience?
Expliquez.
4. Est-il possible que le NADP ait été réduit au cours de l’expérience?
Expliquez.
5. Concevez une méthode qui permettrait de mesurer le taux de changement
de couleur par rapport au temps écoulé au cours de l’expérience.
26
La photosynthèse
Une récente recherche spécialisée a donné aux scientifiques une meilleure
compréhension du processus photosynthétique. Faire une recherche sur Internet
pour trouver la réponse aux questions suivantes :
1. Comment savons-nous qu’il existe deux photosystèmes (P680 et P700)?
2. Comment a-t-on pu déterminer à quel endroit, dans la séquence de réactions,
il fallait placer les diverses molécules transporteuses d’électrons?
3. Comment savons-nous que les réactions claires de la photosynthèse se font
beaucoup plus rapidement que les réactions sombres?
4. Qu’est-ce qui prouve qu’un gradient de protons est à la source
de la phosphorylation de l’ADP?
27
La photosynthèse
Émission 4 : Réaction sombre (317204)
SBI3C
Biologie cellulaire
Attente
• Expliquer les transformations d’énergie et de matière associées
au processus de la respiration cellulaire en identifiant les réactifs et les produits.
SBI3U
Attente
SBI4U
Attente
• Décrire la séquence de transformation du glucose lors de la respiration cellulaire aérobie et anaérobie.
28
La photosynthèse
É m i s s i o n 4 : Réac t ion s om br e
• Expliquer pourquoi il a fallu attendre la découverte des isotopes radioactifs
pour comprendre la réaction sombre;
• Expliquer le rôle du ribulose diphosphate comme accepteur de gaz carbonique;
• Préciser spécifiquement les besoins de l’ATP et du NADP réduit dans
la photosynthèse;
• Expliquer pourquoi les réactions claires et les réactions sombres ne peuvent
avoir lieu qu’à la lumière;
• Expliquer dans les grandes lignes pourquoi les chloroplastes ne sont jamais
à court de ribulose diphosphate pendant le processus de photosynthèse.
Les réactions sombres de la photosynthèse ont lieu dans le stroma des chloroplastes
et utilisent l’ATP et le NADP réduit, produits par les réactions claires pour regrouper
et réduire les molécules de gaz carbonique. On obtient alors des hydrates de carbone
comme le glucose, la cellulose et l’amidon, ainsi que d’autres corps comme les
graisses, les huiles et les squelettes carbonés des aminoacides (protéines). Comme
la lumière n’intervient pas directement pendant ces modifications chimiques du
gaz carbonique, on dit de ces réactions qu’elles sont indépendantes de la lumière
(ou sombres). Néanmoins, ces réactions ne peuvent avoir lieu que lorsque la plante
reçoit de la lumière car ni l’ATP ni le NADP réduit ne sont emmagasinés en quantités
suffisantes.
On a donné à cette chaîne complexe de réactions le nom de cycle de Calvin, d’après
Melvin Calvin qui a découvert la plupart des phases du processus en appliquant à
la chlorelle, une algue verte, les techniques de marquage bref. Le premier élément
produit après l’utilisation du gaz carbonique radioactif est l’acide phosphoglycérique.
Comme il contient trois atomes de carbone, on dit des plantes qui forment ce
composé qu’elles sont à structure C-3. Pour être fixé, le gaz carbonique doit se
combiner à un composé à 5 atomes de carbone, le ribulose diphosphate, qui devient
alors un composé de 6 atomes de carbone et se divise immédiatement en deux
molécules d’acide phosphoglycérique. Le ribulose diphosphate se forme à partir du
ribulose phosphate lorsque ce dernier absorbe un groupe phosphate et de l’énergie,
tous deux fournis par l’ATP au cours des réactions claires. À court d’énergie, l’ADP
résultante revient à la réaction claire pour s’y réapprovisionner.
Les produits de la réaction claire sont de nouveau mis à contribution pendant la
phosphorylation (avec de l’ATP) et la réduction (avec du NADP réduit) de chacune des
molécules d’acide phosphoglycérique. Lors de la réduction, le phosphate inorganique
se divise en deux et, au terme de cette principale série de réactions, on obtient deux
molécules de phosphoglycéraldéhyde. Après une légère modification de l’une d’entre
elles, elles donnent du glucose-phosphate ou, en dernier lieu, de l’amidon.
On considère généralement qui’il s’agit des deux produits finals des réactions
sombres. Toutefois, la majeure partie du phosphoglycéraldéhyde est utilisée pour
régénérer le ribulose phosphate au cours d’une série d’interactions complexes qui
complètent le cycle de Calvin. Ce cycle doit se répéter six fois pour que la cellule
réussisse à gagner l’équivalent d’une molécule de glucose.
29
La photosynthèse
Résumer, à l’intention des élèves, l’ensemble des réactions claires en insistant plus
particulièrement sur la formation du NADP et de l’ATP. Rappeler l’importance du
rôle joué par ces composants comme fournisseurs de l’énergie utilisée, d’une part
pour la réduction des squelettes carbonés des molécules, et d’autre part pour leur
incorporation à des réactions non-rédox. Souligner l’augmentation considérable
d’énergie potentielle ainsi que la baisse d’entropie pendant la fixation du gaz
carbonique dans des sucres simples puis dans les polysaccharides. Noter également
que ces réactions ont besoin d’énergie libre pour pouvoir se produire.
Activité 1 – Discussion du cycle de Calvin
Discuter avec les élèves de l’importance de l’enchaînement cyclique des réactions
et comparer le cycle de Calvin à celui de l’acide citrique (cycle de Krebs), s’il a déjà
été vu en classe. Pour encourager les élèves à étudier plus à fond les réactions du
cycle de Calvin, leur demander de prévoir celui ou ceux des atomes de carbone qui
deviendront radioactifs après l’exposition des cellules foliaires au gaz carbonique
radioactif. Leur demander de justifier leurs réponses. S’il est possible de se procurer
des sphères en polystyrène et de la peinture, diviser la classe en petits groupes qui
auront à reconstituer les différents composés du cycle de Calvin et à les monter en un
mobile qu’on suspendra dans la classe.
Activité 2 – Mise en scène de la photosynthèse
Répartir les élèves en groupes de 6 ou 8 et leur faire écrire des scénarios ne dépassant
pas 10 minutes sur les phases de la photosynthèse. Monter le décor dans un coin de
la classe et disposer les meubles de façon à représenter l’intérieur complet ou partiel
d’une cellule foliaire. Un dessin ou un plan de la scène devra accompagner les textes.
Établir la liste des « personnages chimiques » et assigner un ou plusieurs rôles à
chaque élève qui toutefois, ne peut paraître sur scène que dans un seul rôle à la
fois. Tout élément chimique intervenant activement dans la photosynthèse constitue
un personnage possible, tandis que les composés passifs, bien qu’essentiels, seront
intégrés au décor. Plus les « personnages » seront nombreux et plus la note attribuée
au groupe sera élevée.
Les scénarios devront inclure les dialogues et la mise en scène (déplacements, gestes).
Plus les termes scientifiques propres aux processus, structures ou principes (réduction,
thylakoïdes) reviendront souvent, meilleure sera la note.
Chaque groupe doit soumettre un plan du décor et un scénario suivant l’échéancier
prévu. Indiquer aussi aux élèves le moment où ils devront présenter leur pièce devant
la classe et s’ils doivent porter des costumes spéciaux.
30
La photosynthèse
Activité 3 – La formation d’amidon dans l’obscurité
Matériel
Nécessaire pour vérifier la présence d’amidon dans les feuilles
(voir activité 3, émission 1, page 9)
• Bécher de 50 ou 100 mL
• Verre de montre ou autre couvercle à bécher
• Marqueur
• Cylindre gradué de 50 mL
• Couteau pour tailler le liège
• Géranium en pot gardé 24 heures dans l’obscurité
• Solution de glucose à 5 %
Marche à suivre
1. Marquer le bécher pour pouvoir le reconnaître.
2. Y verser 20 mL de la solution de glucose.
3. Prélever une feuille de géranium et y tailler huit ronds avec le couteau à liège,
sans toucher aux nervures principales.
4. Mettre les ronds à flotter dans la solution de glucose, quatre à l’endroit
et quatre à l’envers.
5. Couvrir le bécher et le laisser dans un endroit sombre pendant au moins 24 heures.
6. Récupérer les ronds au bout de 24 heures, en prenant soin de bien séparer
les deux groupes.
7. Rechercher la présence d’amidon dans chacun des ronds en suivant les directives
et en prenant les précautions indiquées à la troisième activité, émission 1, page 9.
8. Noter et commenter les observations.
Discussion
1. Quelle expérience « témoin » devrait-on avoir faite? Pourquoi?
2. Pourquoi vaut-il mieux utiliser des portions de feuille plutôt que des feuilles
intactes pour cette expérience?
3. L’ATP est nécessaire à la conversion des molécules de glucose en molécules
d’amidon. Comment les cellules foliaires peuvent-elles produire de l’ATP
dans le noir?
31
La photosynthèse
Entreprendre une recherche sur les expériences de Calvin qui ont identifié
les intermédiaires des réactions sombres dans le processus de photosynthèse.
Rédiger un essai d’environ 300 mots, accompagné de croquis des chromatogrammes
et d’une analyse des méthodes et appareils utilisés par Calvin ou par d’autres
chercheurs œuvrant dans le même domaine.
1. Commenter les rôles de l’ATP, du NADP réduit, du ribulose et du gaz carbonique,
pendant les réactions sombres de la photosynthèse.
2. Lorsqu’une molécule subit une modification chimique, mais que sa formule
demeure intacte, on qualifie cette réaction d’isomérisation. Commenter
l’importance de l’isomérisation dans les réactions sombres de la photosynthèse.
3. Expliquer pourquoi il a fallu attendre les années 40 avant de pouvoir déterminer
les phases des réactions sombres.
4. Les expériences ont démontré que la quantité de gaz carbonique radioactif fixé
au glucose par une plante reste la même si une lumière clignotant très rapidement
remplace une lumière fixe, du même type et ayant la même intensité.
Cette substitution réduit le taux de l’apport énergétique. Expliquer pourquoi.
32
La photosynthèse
Émission 5 : Plantes à structures C-3 et C-4 (317205)
SBI3C
Biologie cellulaire
Attente
• Expliquer les transformations d’énergie et de matière associées
au processus de la respiration cellulaire en identifiant les réactifs et les produits.
SBI3U
Attente
SBI4U
Attente
Contenu d’apprentissage
Décrire la séquence de transformation du glucose lors de la respiration cellulaire aérobie et anaérobie.
• Expliquer le peu d’efficacité de la photosynthèse chez les plantes en C-3;
• Relever les différences au niveau de la répartition des cellules foliaires des plantes
en C-3 et en C-4;
• Expliquer les concepts biochimiques qui permettent d’établir qu’une plante
est à structure C-3 ou C-4;
• Comparer les chloroplastes des cellules du mésophylle et des cellules formant
la gaine du faisceau vasculaire chez les plantes en C-4;
• Expliquer le rôle de l’oxaloacétate, du malate et du pyruvate chez les plantes en C-4;
• Expliquer pourquoi le métabolisme C-4 constitue un avantage dans les régions
tropicales, désertiques ou salines.
33
La photosynthèse
É m i s s i o n 5 : Plant es à s t r uc t ur es C-3 et C-4
La comparaison de l’énergie emmagasinée par les plantes qui suivent le cycle de
Calvin avec la quantité d’énergie absorbée lors des réactions claires, révèle un taux
d’efficacité remarquable de 38 %. En réalité, toutefois, ce taux n’atteint même pas
1 %. Cet écart est dû à la nature de l’enzyme qui combinerait le gaz carbonique au
ribulose diphosphate.
Cet enzyme a également une affinité avec l’oxygène moléculaire et lorsque c’est
l’oxygène, au lieu du gaz carbonique, qui s’ajoute au ribulose diphosphate, celui-ci
amorce une série de réactions qui finissent par l’éliminer efficacement du cycle de
Calvin. Étant donné qu’il y a beaucoup plus d’oxygène que de gaz carbonique
dans l’atmosphère (21 % contre 0,035 %), il s’ensuit une diminution considérable
du ribulose diphosphate chez les plantes qui ont recours au cycle de Calvin pour
fixer le gaz carbonique.
Certaines plantes ont réussi à contourner ce problème. Il s’agit des végétaux
qui poussent dans les régions tropicales ou désertiques et chez qui le carbone
radioactif fourni par le gaz carbonique apparaît tout d’abord dans des composés
à quatre atomes de carbone et non dans le phosphoglycéraldéhyde qui n’en a que
trois. C’est pourquoi on les appelle des plantes à structure C-4 ou on dit qu’elles
photosynthétisent en C-4.
Cette différence biochimique s’accompagne d’une différence anatomique au
niveau de la répartition des cellules photosynthétiques dans le mésophylle qui est
la partie interne des feuilles. Chez la plupart des plantes à structure C-3, les cellules
du mésophylle sont disposées en deux couches, celle du dessus étant la couche
palissadique. La couche palissadique renferme d’innombrables petites veines (les
faisceaux vasculaires) enfermées dans une gaine constituée de cellules qui ne sont
pas photosynthétiques. Les cellules du mésophylle des plantes photosynthétisant en
C-4 forment des anneaux autour de la gaine du faisceau vasculaire dont les cellules
contiennent des chloroplastes. Mais ceux-ci ayant très peu de grana et étant par
surcroît peu développés, ne peuvent pas participer aux réactions claires. C’est donc,
comme on pouvait s’y attendre, dans les thylakoïdes du mésophylle, qu’ont lieu les
réactions claires.
La différence réside surtout au niveau des réactions sombres qui, chez les plantes
à structure C-4, nécessitent la participation des cellules du mésophylle et de celles
des faisceaux vasculaires. Voisines les unes des autres, ces cellules sont reliées par des
prolongements cytoplasmiques, ce qui permet à leurs éléments de circuler facilement
dans les deux sens. Le gaz carbonique pénètre dans les cellules du mésophylle et se
combine à l’oxaloacétate qui, sous l’action du NADP réduit, est converti en malate.
34
La photosynthèse
Le malate passe dans les cellules de la gaine des faisceaux vasculaires où il contribue à
réduire le NADP et se change simultanément en pyruvate, un composé à trois atomes
de carbone, et en gaz carbonique. Celui-ci entre alors dans le cycle de Calvin dont
l’action se limite aux gaines des faisceaux vasculaires qui contiennent énormément
de gaz carbonique (résultant de la décomposition du malate) et beaucoup moins
d’oxygène (parce qu’elles ne sont pas le siège des réactions claires).
De ce fait, la perte en ribulose diphosphate est peu prononcée, tandis que la
photosynthèse gagne en efficacité. Cette forme d’adaptation est particulièrement
utile dans les régions chaudes et sèches puisque les plantes qui y vivent doivent,
pour prévenir l’évaporation, fermer leur stomates par où les gaz entrent et sortent,
et ce, durant presque toute la journée. C’est ce qui explique la baisse rapide des
concentrations de gaz carbonique dans les cellules du mésophylle et l’augmentation
des concentrations d’oxygène. En utilisant les cellules du mésophylle pour « pomper »
littéralement le gaz carbonique dans les chloroplastes pauvres en oxygène de la gaine
des faisceaux vasculaires, les plantes à structure C-4 font preuve d’une étonnante
faculté d’adaptation.
1. Commenter la spécificité des enzymes et la possibilité qu’il puisse exister
deux substrats équivalents pour un même site actif. Enchaîner avec une discussion
et des pronostics sur l’inhibition compétitive des enzymes
(interaction de 02 ou de CO2 avec la carboxylase du ribulose diphosphate).
2. Passer en revue avec les élèves les concepts des deux émissions précédentes,
surtout en ce qui a trait à la libération de l’oxygène moléculaire lors des réactions
claires (photolyse) et de l’intégration du gaz carbonique aux réactions sombres
par suite de sa combinaison avec le ribulose diphosphate.
Activité 1 – Poursuite de la discussion
Les céréales qui utilisent un métabolisme de type C-4 (comme le maïs et le riz)
s’avèrent des convertisseurs d’énergie d’une très grande efficacité.
• Serait-il possible que l’éthanol provenant du maïs soit de plus en plus utilisé
comme source d’énergie affectée au transport (au lieu du pétrole)?
• Comment expliquer qu’un procédé aussi efficace et présent depuis suffisamment
longtemps pour avoir été adopté par de nombreuses espèces végétales n’ait pas
encore remplacé le métabolisme de type C-3 au cours de l’évolution?
Trouver les réponses à ces questions grâces à des lectures sur la photorespiration.
35
La photosynthèse
Activité 2 – Examen microscopique
Matériel
• Lamelle préparée : coupe transversale d’une feuille de seringa (lilas)
• Lamelle préparée : coupe transversale d’une feuille de maïs
Marche à suivre
1. Dessiner une portion de chaque feuille dans le sens de la longueur et inclure
une petite nervure sur chaque croquis. S’assurer que les croquis sont tous
à la même échelle et les identifier par une légende.
2. Rechercher sur chaque couche épidermique le point d’échange des gaz et vapeurs
avec l’atmosphère. L’ajouter à l’endroit correspondant sur le croquis, même
s’il est invisible sur la portion choisie.
3. Examiner attentivement chaque type de cellule pour repérer les chloroplastes.
Ne pas oublier que les lamelles sont artificiellement teintées et que les éléments
cellulaires ne seront pas forcément de la couleur à laquelle on s’attend.
Par exemple, les chloroplastes sont souvent teints en rouge dans les préparations
commerciales. Ajouter sur les croquis les chloroplastes trouvés dans les cellules,
en respectant leur forme, leur dimension et leur emplacement.
4. Identifier, sur les croquis, les parties des feuilles déjà connues.
5. Concevoir un code utilisant les flèches colorées pour indiquer, sur chaque croquis,
les canaux empruntés par les éléments suivants à l’intérieur des feuilles :
a. le gaz carbonique provenant de l’air et gagnant le point d’incorporation
du glucose;
b. l’oxygène à son point de libération dans l’air;
c. l’eau circulant depuis les réserves de la plante jusqu’au siège
de la photolyse;
d. la vapeur d’eau résultant de la transpiration. Ajouter à côté des croquis
l’interprétation des codes.
Discussion
Quelle(s) plante(s) faisant partie de l’étude, photosynthétise(nt) en C-3? en C-4?
Justifier ses réponses.
36
La photosynthèse
Un troisième type d’adaptation dans les habitats aux conditions extrêmes est
le « métabolisme des crassulacées ». Effectuer une recherche sur cette forme
d’adaptation et rédiger un texte d’environ 250 mots.
Activité 4 – Mise en scène de la photosynthèse (acte 2)
En procédant de la même façon qu’au chapitre correspondant dans la quatrième
émission, rédiger un second acte intitulé « Variations sur un thème ».
Celui-ci devra être bref et ne pas excéder cinq minutes (en plus du temps nécessaire
pour le changement de décor). Ce second acte devra porter sur les mécanismes
d’adaptation des plantes en C-4 et des crassulacées.
1. Expliquer pourquoi la photosynthèse ne fonctionne pas conformément
à son taux d’efficacité théorique.
2. Dans le cas du métabolisme de type C-4, à quoi tient l’importance
des prolongements cytoplasmiques (les plasmodesmes) qui relient les cellules
du mésophylle à celles de la gaine des faisceaux vasculaires?
3. Pourquoi le métabolisme de type C-4 est-il plus utile dans les régions arides
que dans les zones humides?
4. Si un paléontologue découvrait la feuille fossilisée d’une plante disparue,
comment pourrait-il déterminer si elle était en C-3 ou en C-4?
5. Les anthropologues peuvent, en analysant des ossements et en utilisant le rapport
entre le carbone 13 (isotope formé dans l’atmosphère pour les rayons cosmiques)
et le carbone 12 (isotope normal), déterminer si ces personnes cultivaient
des plantes à structures C-3 ou C-4. Expliquer pourquoi de telles déductions
seraient plausibles.
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La photosynthèse
Émission 6 : Système vasculaire (317206)
SBI3U
Attentes
• Décrire la structure des tissus végétaux selon leur fonction dans le système caulinaire,
le système racinaire et le système foliaire des plantes vasculaires.
• Décrire les mécanismes de transport dans les plantes vasculaires.
• Distinguer, à l’aide d’un microscope ou de modèles, les structures des racines,
des tiges et des feuilles d’une plante.
• Définir ce qu’est la transpiration et établir sa relation avec le système vasculaire
du xylème;
• Commenter le rôle des stomates dans l’échange de gaz et de vapeurs
entre l’intérieur de la feuille et l’atmosphère;
• Évaluer la difficulté que constitue le transport de l’eau jusqu’à la cime d’un arbre,
à l’encontre des lois de la gravité;
• Établir la relation entre la structure d’une molécule d’eau et les propriétés
de cohésion et d’adhérence de l’eau;
• Expliquer comment l’eau pénètre dans les racines d’une plante;
• Décrire les processus actifs à l’origine du système vasculaire du phloème.
Au cours de leur évolution, certaines plantes ont atteint des hauteurs considérables,
ce qui leur donne un net avantage par rapport aux autres plantes, dans la lutte pour
capter la lumière solaire. En revanche, la grande distance qui sépare les feuilles de
la source d’eau et de minéraux (le sol) a nécessité l’évolution de systèmes vasculaires
efficaces.
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La photosynthèse
É m i s s i o n 6 : Sys t èm e vas c ulair e
Les échanges gazeux entre l’intérieur de la feuille et l’atmosphère, étape
indispensable de la photosynthèse, entraînent inévitablement l’évaporation de l’eau
dans l’atmosphère. Ce phénomène, qu’on appelle transpiration, a également
son utilité puisqu’il fournit à l’arbre l’énergie nécessaire pour hisser l’eau depuis
les racines jusqu’aux branches les plus hautes.
Certains minéraux sont véhiculés par l’eau et peuvent ainsi alimenter les tissus
foliaires. Ces minéraux circulent, tout comme l’eau, dans des réseaux de canaux
verticaux, formés de cellules mortes et qui font partie du tissu du xylème.
C’est ce même tissu qui permet aux parties aériennes de l’arbre de résister
à la tension.
À l’instar de ce qui se passe dans les autres parties de la plante, les molécules d’eau
contenues dans les tissus du xylème remplissent plusieurs rôles importants.
Tout d’abord, ces molécules sont polaires, chacune affichant une séparation
permanente et asymétrique de ses charges positive et négative. Cela leur donne
la propriété de s’accrocher fermement les unes aux autres, dans un processus
appelé cohésion.
En outre, elles peuvent adhérer à d’autres molécules polaires ou aux groupes
hydroxyles des macromolécules, comme la cellulose intégrée aux parois des cellules.
Ce second processus est appelé adhérence. C’est grâce à ce double phénomène
que l’eau peut être transportée à des hauteurs considérables à travers le xylème.
L’adhérence permet d’« amarrer » une colonne d’eau à la feuille, tandis que
la cohésion retient celle-ci avec presque autant de force que celle d’un fil d’acier
ayant le même diamètre. Pendant l’évaporation, l’eau adhère aux fibres cellulosiques
des cellules foliaires et exerce ainsi une traction suffisante pour haler la colonne vers
la cime où elle remplacera l’eau évaporée.
C’est par un phénomène d’osmose que l’eau pénètre dans les racines en entraînant
avec elle les ions minéraux contenus dans le sol. L’approvisionnement en minéraux
est ininterrompu parce que la plante ne cesse d’explorer de nouvelles couches du sol
à mesure qu’elle pousse et développe de nouveaux poils radiculaires. Les ions sont
souvent rattachés à l’humus, mais ils peuvent être délogés en les remplaçant, sur
l’humus, par des ions d’hydrogène générés par le métabolisme intermédiaire
des cellules radiculaires.
On retrouve des processus semblables dans le système vasculaire du phloème.
L’eau pénètre par osmose dans les cellules du phloème par suite du transport actif de
molécules organiques (ou de certains ions inorganiques) dans ces même cellules, et,
ce faisant, provoque leur turgescence.
Toutefois, le déchargement actif des solutés, ailleurs dans la même colonne de cellules
du phloème, provoque une diminution de turgescence. Il en résulte un gradient de
pression entre le point d’absorption du soluté et son point de rejet et, par voie de
conséquence, un afflux massif des éléments cellulaires du phloème le long de ce
gradient. L’écoulement de ce flux est facilité par la présence de cribles dans les parois
mitoyennes des cellules. Celles-ci contiennent même une protéine qui agit comme
« coagulant » lorsque la colonne est endommagée.
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La photosynthèse
1. Revoir avec les élèves, les concepts de transport actif et d’osmose,
ainsi que la structure de la feuille (émission 5, activité 2).
2. Discuter du taux anticipé de diffusion du gaz carbonique et de l’eau à l’intérieur
et à l’extérieur de la feuille. Insister sur le fait que, dans la plupart des conditions
(gradient de concentration plus prononcé, diminution des macromolécules),
l’évaporation de l’eau se fait en principe beaucoup plus rapidement que
la circulation du gaz carbonique à l’intérieur de la feuille. C’est pourquoi
la photosynthèse s’accompagne inévitablement d’une certaine perte d’eau.
3. Commenter l’importance du système vasculaire et du système d’échange gazeux
d’une plante pour l’efficacité de la photosynthèse.
Activité 1 – Étude de la circulation de l’eau dans les plantes
Matériel
• Deux lames
• Huile à moteur
• Lamelle
• Compote de rhubarbe
• Glycérol
• Phloroglucinol
Marche à suivre
PARTIE A : Comparaison des propriétés adhésive et cohésive de l’eau
avec celles d’une substance non polaire
Déposer une goutte d’eau sur l’une des deux lames de microscope et presser l’autre
par-dessus. Remarquer combien il est difficile de les séparer à moins de les faire
glisser l’une contre l’autre. Ensuite, remplacer l’eau par une goute d’huile à moteur
(non polaire) et observer avec quelle facilité les deux lames se séparent.
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La photosynthèse
PARTIE B : Observation des vaisseaux d’une plante
Établir un code dichotomique qui sera utilisé pour la classification des types de
cellules observées dans de la compote de rhubarbe. Ajouter quelques gouttes de
glycérol à chaque préparation et essayer de teindre la lignine avec de
la phloroglucinol.
Note : Vous pourriez essayer de construire un potomètre en utilisant la tête
de la plante décapitée pendant la deuxième activité. Il faudra toutefois
utiliser du mercure comme fluide, pour mieux démontrer la puissance d’attraction
des parties aériennes des plantes. Mais le mercure dégage des émanations toxiques
et bon nombre de provinces en ont interdit l’utilisation dans les écoles.
Si vous avez l’intention de procéder malgré tout à cette expérience, assurez-vous
que le mercure est enfermé dans un contenant hermétique et qu’il ne risquera
pas de se répandre dans l’atmosphère. N’oubliez pas non plus de faire bouillir
l’eau qui servira de lien entre la plante et le mercure afin qu’elle ne contienne plus
d’air dissout. Faute de quoi, l’apparition de bulles d’air dans la colonne d’eau,
sous l’effet de la tension, en empêcherait la cohésion.
Activité 2 – Comment repérer les vaisseaux des plantes
Matériel
• Bécher de 250 mL
• Céleri frais
• Eau abondamment colorée avec de l’encre rouge ou de l’éosine
• Scalpel ou lame de rasoir à un seul tranchant
• Pinces fines
• Deux lames de microscope avec lamelles
Marche à suivre
1. Vingt-quatre heures avant l’expérience, placer une tige de céleri frais
dans un bécher rempli d’eau fortement teintée.
2. Noter la répartition des taches de rouge sur la tige et la décrire.
3. Prélever une fine section de la tige (pétiole) dans une partie colorée par l’eau.
Préparer un montage humide de la section et l’examiner au microscope.
Faire un croquis de la coupe transversale et indiquer l’emplacement
des vaisseaux transporteurs d’eau.
4. Prélever une section longitudinale de la tige dans la partie vasculaire.
Préparer un montage humide des vaisseaux, l’examiner au microscope et
faire un croquis de la répartition des cellules à l’intérieur d’un vaisseau
transportant de l’eau.
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La photosynthèse
Activité 3 – Les racines peuvent-elles propulser l’eau vers le haut?
Matériel
• Plante en bonne santé, en pot (p. ex. : tomate)
• Un mètre de tube capillaire
• Vaseline
• 3 cm de tube en caoutchouc (environ)
• Collier de serrage et tournevis
• Support universel et pince à burette
Marche à suivre
1. Prélever quelques portions aériennes de la plante en conservant
un à deux centimètres de tige au-dessus du sol.
2. Enduire légèrement la tige de vaseline et l’enfiler dans le tube de caoutchouc
en la maintenant fermement avec un collier de serrage.
3. Insérer le tube capillaire à l’autre extrémité du tube de caoutchouc.
.
Figure 6.1 : Matériel de transpiration
4. Maintenir le tube capillaire à la verticale avec la pince à burette et
laisser le tout plusieurs jours dans un endroit favorable à la croissance de la plante.
5. Noter tout changement du niveau du fluide dans le tube capillaire.
Quelles modifications subirait-il si on « arrosait » la plante avec une solution saline
à un pour cent?
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La photosynthèse
Activité 4 – À quelle vitesse les plantes transpirent-elles?
Matériel
• Appareil volumétrique composé d’une éprouvette tubulée, d’une pipette de 1 mL
(ou d’un tube capillaire gradué) et d’une seringue, comme à la figure 6-1
(l’aiguille de la seringue devra être scellée avec de l’époxy dans le premier trou
du bouchon à deux trous)
• Pâte à modeler
• Chronomètre
• Échantillon de plante, si possible avec une tige ligneuse
(par exemple : la cime de la plante utilisée à la deuxième activité,
une branchette de pin blanc ou une fougère provenant du fleuriste)
Marche à suivre
1. Préparer l’échantillon de la plante pour l’expérience en prélevant
un ou deux pouces au bout de la tige immergée dans l’eau.
2. Fixer la coupe dans le second trou du bouchon en caoutchouc
avec de la pâte à modeler.
3. Remplir l’éprouvette d’eau du robinet et la boucher hermétiquement.
Se débarrasser du surplus d’eau qui s’accumule autour du bouchon et
à l’extrémité de la pipette.
4. Remplir la seringue d’eau à moitié et la visser à l’aiguille. On pourra s’en servir
pour modifier le niveau d’eau dans la pipette.
5. Se baser sur les graduations de la pipette et utiliser un chronomètre pour calculer
la vitesse de transpiration de la coupe. On pourra modifier les conditions
ambiantes, comme le taux d’humidité, la température ou la vélocité du vent.
Si le temps le permet, répéter les déterminations pour chacune des conditions
ambiantes.
6. Commenter toutes les variations relevées au niveau du rythme de transpiration.
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La photosynthèse
Activité 5 – Impressions de feuilles
Mise en garde : Cette activité devrait se dérouler uniquement dans un local
bien aéré ou à l’extérieur. Éviter de respirer les vapeurs d’acétate d’éthyle.
Matériel
• Acétate d’éthyle contenu dans une bouteille
• Lamelles en plastique ou carrés de 2 cm découpés dans de l’acétate transparent
• Petites enveloppes en papier comme celles qu’utilisent les philatélistes
• Règle de 15 cm
Marche à suivre
1. Choisir, comme sujets d’expérience, des plantes provenant d’habitats différents
ou une même plante analysée à divers moments de la journée. Examiner la densité
des stomates et la dimension de leurs orifices en en préparant des répliques.
Verser une goutte d’acétate d’éthyle de chaque côté de la feuille, à tour de
rôle, et la recouvrir d’un carré de plastique pressé fermement par-dessus la goutte
pendant une minute. Retirer le carré de plastique et le garder dans une enveloppe
soigneusement identifiée. Travailler à l’extérieur sans détacher la feuille de la plante.
2. Garder chaque réplique dans une enveloppe distincte et noter tous les détails :
surface de la feuille, habitat, heure.
3. Dans le laboratoire, déterminer dans chaque réplique le nombre de stomates
par unité de surface, en utilisant la règle et le microscope composé.
Indiquer le degré d’ouverture des stomates en faisant un croquis d’un stomate
normal ou d’un complexe de cellules stomatiques, comme on peut l’observer
sur la réplique.
4. Formuler des conclusions à partir de ces données. Selon la nature de la réplique,
on pourra comparer les spécimens prélevés dans des endroits ensoleillés et
dans des zones ombragées, une même plante provenant des deux endroits ou
encore une même plante examinée à différents moments de la journée.
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La photosynthèse
1. Pourquoi les horticulteurs recommandent-ils d’élaguer certaines branches
d’une plante après la transplantation?
2. Expliquer pourquoi une fertilisation ou des arrosages excessifs peuvent tuer
une plante.
3. Pourquoi, avant de les disposer dans un vase, faut-il couper environ 2 cm de la tige
des fleurs, tout en maintenant l’extrémité coupée immergée dans l’eau?
4. Fendre sur le long l’extrémité d’une tige d’œillet blanc et en placer la moitié
dans une eau teinte en bleu et l’autre dans de l’eau teinte en rouge. Expliquer
quelle couleur prendra la fleur après quelques heures. Justifier cette prédiction.
5. Y a-t-il une hauteur maximale qu’un arbre ne pourrait pas dépasser?
Expliquer son raisonnement.
6. Le système vasculaire du xylème s’interrompt-il lorsque le degré d’humidité relative
de l’air ambiant atteint 100 %? Expliquer par quelle expérience on pourrait essayer
de répondre à cette question.
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La photosynthèse

Photosynthese

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