EXAO

L’influence des radiations lumineuses sur l’efficacité de la photosynthèse Dans le cadre du nouveau programme de TS

Voici une proposition d’activité utilisant un dispositif ExAO en classe de terminale scientifique, dans le cadre de l’enseignement de spécialité.

Thème 1 : La Terre dans l’Univers, la vie et l’évolution de la vie - Énergie et cellule vivante.

Extrait du B.O. : La cellule chlorophyllienne des végétaux verts effectue la photosynthèse grâce à l’énergie lumineuse.

INTRODUCTION

Dans le thème 2 du programme de Seconde, les élèves ont vu que chez les végétaux, la photosynthèse nécessite de la lumière et qu’elle n’a lieu que dans les parties chlorophylliennes. Dans le thème 1 du programme de Terminale S Spécialité, il s’agit d’aborder la photosynthèse à l’échelle de la cellule chlorophyllienne et du chloroplaste (thème 1) : il faut montrer que cette cellule (ou cet organite) possède tous les "ingrédients" permettant la photosynthèse.

Les Euglènes sont des cellules chlorophylliennes souvent utilisées au cours des séances de travaux pratiques. Elles permettent entre autre d’étudier certains aspects du métabolisme autotrophe et de la photosynthèse. Elles donnent ainsi l’occasion de réaliser des mesures à l’aide d’un dispositif ExAO afin de mettre en évidence des échanges gazeux entre des cellules chlorophylliennes et leur milieu.

SCÉNARIO PÉDAGOGIQUE

Il s’agit d’identifier les éléments impliqués dans la capture de l’énergie lumineuse indispensable à la photosynthèse. Selon la progression choisie, les élèves ont pu voir auparavant qu’une solution de chlorophylle brute absorbe certaines longueurs d’onde du visible (bleu, rouge) mais pas d’autres (vert). Une chromatographie révèle que cette même solution est composée de plusieurs pigments. On montre ensuite que chaque pigment possède un spectre d’absorption propre.

Les pigments chlorophylliens absorbent certaines radiations de la lumière visible, mais cela ne démontre pas que ces radiations sont celles qui sont utiles à la photosynthèse.
On peut alors faire l’hypothèse que ces pigments sont aussi des pigments photosynthétiques : les radiations qu’ils absorbent permettent la photosynthèse.

On teste alors l’influence des radiations absorbées par les pigments sur l’efficacité de la photosynthèse de cellules chlorophylliennes éclairées par des lumières monochromatiques (bleu, rouge et vert). On compare les résultats obtenus avec ceux acquis lorsque ces cellules chlorophylliennes sont éclairées par une lumière blanche (témoin positif de la photosynthèse) ou sont plongées dans l’obscurité (témoin positif de la respiration ou témoin négatif de la photosynthèse).

Dans ce cadre, les élèves peuvent pratiquer certaines étapes types de la démarche d’investigation :

  • la conception d’une stratégie ou d’un protocole pour éprouver une hypothèse ;
  • la confrontation des résultats obtenus et de l’hypothèse.

DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL

Dispositif experimental

  • La photosynthèse produit du dioxygène à la lumière : on mesure l’efficacité de la photosynthèse à l’aide d’une sonde à dioxygène reliée à un dispositif ExAO.
  • Le photomètre permet de s’assurer que la suspension est éclairée par une lumière d’intensité lumineuse identique pour toutes les radiations testées. Dans la photographie du montage, la distance entre la lampe du projecteur de diapositive et le photomètre est d’environ 40 cm. Cette distance devra donc être ajustée en bougeant le projecteur de diapositives et/ou la potence.
  • La lampe du projecteur de diapositives ne transmet pas de chaleur à la suspension d’Euglènes : on peut considérer alors que la température au sein de celle-ci ne varie pas au cours des mesures, d’où l’absence d’un thermomètre dans le montage réalisé.
  • La suspension d’Euglènes est placée dans un tube à essais, ce qui procure au moins un avantage et un inconvénient : toute la suspension est ainsi éclairée mais il n’y a pas de système d’agitation. Le tube est environ à moitié rempli par la suspension d’Euglènes. Comme il n’y aucune injection dans la suspension au cours des mesures, une même suspension d’Euglènes peut servir pour l’ensemble des mesures et le dispositif employé reste identique pour chaque mesure. Attention cependant car si les Euglènes pratiquent « bien » la photosynthèse, elles respirent tout aussi bien ! Les mesures se feront sur des durées courtes.
  • La sonde à O2 est plus large au niveau d’une de ses extrémités (celle d’où part le câble la reliant à l’adaptateur) : elle peut être ainsi « posée » sur le col du tube. Le tube est quant à lui tenu par une pince fixée à une potence métallique.
  • L’ensemble des mesures s’est déroulé dans une salle obscure afin de n’éclairer la suspension qu’avec une unique source de lumière. L’écran de l’ordinateur a été éteint au début de chaque mesure puis rallumé à la fin de celle-ci (1 minute après environ).

RÉGLAGES DU LOGICIEL D’ACQUISITION

Le logiciel employé ici est l’Atelier Scientifique de Jeulin (version 4).

Au lancement du logiciel, sélectionnez le module généraliste pour l’acquisition des mesures :

Lorsque l’écran de paramétrage s’affiche, les capteurs branchés à la console sont automatiquement reconnus :

Effectuez un « glisser-déposer » des icônes et choisissez les paramètres de l’acquisition :

En cliquant sur l’icône Oxymètre, on peut :

  • choisir le calibre de la mesure (gaz ou liquide) ;
  • procéder à l’étalonnage de la sonde selon la procédure indiquée dans cet article.

En cliquant sur l’icône Temps, réglez les paramètres suivants :

  • Durée de acquisition : 1 min.
  • Nombre de points : 101.
  • La case Acquisition continue reste décochée.

INFORMATIONS POUR LA RÉALISATION DES MESURES

  1. Après avoir réalisé le montage expérimental précédemment décrit, on réalise des mesures de la concentration en dioxygène dissous dans la suspension d’Euglènes. Entre chaque acquisition, laissez la suspension d’Euglènes à l’obscurité durant environ 1 minute : cela enrichit le milieu en CO2 ce qui ne limitera pas la photosynthèse à la lumière.
  2. On réalise une première mesure au sein de la suspension éclairée par une lumière blanche. Avant de démarrer l’acquisition, veillez à bien noter la valeur de l’intensité lumineuse : il suffit pour cela de cliquer sur l’icône Luxmètre puis sur l’onglet Mesure. La valeur mesurée s’affiche. Au démarrage de la première acquisition, il est préférable de renommer la manipulation de façon explicite. Par défaut, le logiciel propose « Manipulation 1 » (s’il s’agit de la première, ou même de la seule, réalisée).
  3. A la fin de la première acquisition, on réalise une deuxième acquisition à l’obscurité. Au démarrage de celle-ci, le logiciel propose de remplacer les données dans une manipulation déjà effectuée ou d’en réaliser une nouvelle. Choisissez cette deuxième possibilité car choisir la première effacerait les données précédemment acquises. On renomme alors la nouvelle manipulation (ex : obscurité).
  4. Pour la troisième manipulation, on place un filtre de couleur dans le projecteur de diapositives. Renommez ensuite la nouvelle manipulation avec le nom de la couleur du filtre. Pensez à ajuster la distance entre la source de lumière et la suspension afin que cette dernière soit éclairée avec la même intensité lumineuse.
  5. Reproduire à la fin de l’acquisition l’étape précédente pour d’autres radiations, sans oublier de replacer la suspension d’Euglènes quelques instants à l’obscurité.

RÉSULTATS ET ANALYSE

Les mesures obtenues sont communiquées sont forme de captures d’écran. Pour chaque mesure, deux graphiques apparaissent : celui du haut représente l’évolution de la teneur en dioxygène dissous dans la suspension d’Euglènes durant 1 minute, celui du bas indique la valeur de l’intensité lumineuse (en W/m²) pour chaque mesure.

Mise à part l’acquisition faite à l’obscurité, l’intensité lumineuse reste à peu près identique pour toutes les autres mesures faites à la lumière, soit environ 3 000 W/m².

Une photographie du montage ou d’une partie de celui-ci peut accompagner le graphique des résultats.

Résultats obtenus avec une lumière blanche :

Résultats obtenus à l’obscurité :

Résultats obtenus avec une lumière bleue :

Résultats obtenus avec une lumière rouge :

Résultats obtenus avec une lumière verte :

Lorsque les Euglènes sont éclairées par une lumière blanche ou une lumière rouge, la concentration en dioxygène dans la suspension augmente. Dans ces conditions, les Euglènes dégagent le dioxygène qu’elles produisent lors de la photosynthèse.

En revanche, la concentration en dioxygène dans la suspension diminue lorsque les Euglènes sont placées à l’obscurité, ou sont éclairées par une lumière verte comme bleue. Dans ces conditions, les Euglènes consomment le dioxygène dissous dans le milieu : c’est la respiration cellulaire qui est mise en évidence ici.

Les radiations vertes, qui ne sont pas absorbées par les pigments chlorophylliens, ne sont pas non plus utiles à la photosynthèse. C’est tout le contraire des radiations rouges.

En revanche, les radiations bleues ne sont pas efficaces pour la photosynthèse alors qu’elles sont absorbées par les pigments chlorophylliens.

Ces résultats valident donc le fait que les pigments chlorophylliens absorbent des radiations utiles à la photosynthèse : les pigments chlorophylliens sont donc des pigments photosynthétiques.

Remarque au sujet des résultats obtenus avec une lumière bleue : pour l’ensemble des mesures faites à la lumière, l’intensité lumineuse est d’environ 3 000 W/m². Cette valeur est suffisante pour permettre une production de dioxygène par la photosynthèse avec une lumière rouge comme blanche mais pas avec une lumière bleue. D’autres mesures avec intensité lumineuse plus faible (1 200 W/m²) mettent en évidence une production de dioxygène sous une lumière blanche, bleue, rouge... et verte ! Il faudrait donc tester plusieurs intensités lumineuses comprises en 1 200 et 3 000 W/m² pour que le résultat « colle ».

Durée : 2 min.
Nombre de points : 201.
Montage utilisé : identique à celui décrit précédemment.

Résultats obtenus avec une lumière blanche :

Résultats obtenus à l’obscurité :

Résultats obtenus avec une lumière bleue :

Résultats obtenus avec une lumière rouge :

Résultats obtenus avec une lumière verte :

SUGGESTIONS : POUR « ALLER PLUS LOIN »

Voici ci-après quelques remarques relatives à l’activité proposée.

Du côté du matériel...

  • On peut travailler avec d’autres cellules chlorophylliennes (ex : Chlorelles, Scenedesmus).
  • On peut utiliser une cuve adéquate (ou bioréacteur) afin d’agiter la suspension et /ou utiliser en plus une sonde à CO2 et un thermomètre. Cela éviterait aussi sans doute de travailler dans une salle obscure en utilisant les caches à placer sur la cuve, caches généralement fourni avec le matériel.

Des idées pour d’autres mesures...

  • Pour une même radiation (blanche ici), on peut mesurer la concentration de dioxygène dans la suspension en fonction de l’intensité lumineuse que reçoit la suspension : on ne fait varier ici que la distance entre la suspension et la source de lumière. Pour obtenir des différences de résultats très marquées, privilégiez des intensités lumineuses inférieures à celles employées précédemment.

Durée : 2 min.
Nombre de points : 201.
Montage utilisé : identique à celui décrit précédemment.

Résultats pour une intensité lumineuse de 250 W/m² : le taux de dioxygène passe de 8 à 9,4 % au cours de la mesure.

Résultats pour une intensité lumineuse de 700 W/m² : le taux de dioxygène passe de 6 à 15 % au cours de la mesure

  • Enfin, on peut montrer que les Euglènes pratiquent de façon alternative la photosynthèse puis la respiration lorsqu’elles sont placées à la lumière (lumière blanche de 75 W/m² environ) puis « à l’obscurité ».

Durée : 6 min.
Nombre de points : 201.
Montage utilisé : identique à celui décrit précédemment.

Première phase : à la lumière de t = 0 à t = 2 min.

Deuxième phase : à l’obscurité de t = 2 à t = 4 min.

troisième phase : à la lumière de t = 4 à t = 6 min.

Résultat obtenu :

Remarque : « à l’obscurité », l’intensité lumineuse n’est pas nulle. Les diodes présentes sur la console d’acquisition ainsi que d’autres lumières parasites produisent un éclairage dont l’intensité est ici d’environ 50 W/m².

COIN DU LABO

Suspension d’Euglènes et milieu de culture :

  • Les différents fournisseurs proposent dans leur catalogue des suspensions d’Euglènes ainsi que des milieux de culture adéquats.
  • Les Euglènes sont placées dans une armoire à culture ventilée et éclairée au laboratoire. Leur culture se fait selon les indications du fournisseur.

Matériel ExAO :

  • Sonde à O2 et photomètre Jeulin.
  • Logiciel Atelier Scientifique v4.
  • Console ESAO Visio.

Olivier Avisseau, Lycée Évariste Galois de Beaumont-sur-Oise (95), Point pilote SVT du CRDP de l’académie de Versailles.

Partager

Imprimer cette page (impression du contenu de la page)