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Évaluation des connaissances (partie I) 8 pts Sujet inédit Les surfaces d’échanges et de capture d’énergie solaire chez la plante Sujet 2 Conforme nouveau PROGRAMME 1 h 3 0 L’organisation morphologique et anatomique des plantes chlorophyl- liennes est adaptée à un prélèvement efficace des matières premières et à la capture de l’énergie solaire nécessaires à leur croissance. Les documents présentent quelques ordres de grandeurs concernant les sources de matières premières des plantes chlorophylliennes. Question Montrez que le développement considérable des surfaces d’échanges et de capture d’énergie solaire de la plante peut être mis en relation avec la nature particulière des sources de matières premières et d’énergie puisées dans l’environnement. Votre exposé s’appuiera sur les documents présentés et sur vos connais- sances sur l’organisation des plantes chlorophylliennes. Doc. 1 Concentrations et besoins des sources de matières premières de l’atmosphère et du sol CO 2 atmosphérique Solution minérale du sol Concentration dans l’environnement 0,035 % en volume Sels minéraux : quelques mg/l d’eau Besoins en matières premières Le CO 2 contenu dans 4 000 m 3 d’air est néces- saire à la fabrication d’1 kg de matière sèche végétale. Pour le maïs : 60 tonnes d’eau par hectare et par an.* *À masse égale, si on considère l’absorption et les pertes d’eau, les plants de maïs d’un champ sont traversés chaque jour par 10 fois plus d’eau qu’un homme. Ch. BOCK et M. BOURNÉRIAS, Le génie végétal, Nathan, 1992. SPÉCIFIQUE

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Évaluation des connaissances (partie I) 8 pts

Sujet inédit

Les surfaces d’échanges et de capture d’énergie solaire chez la plante

Sujet 2

Conforme nouveau

PROGRAMME

1 h 30

L’organisation morphologique et anatomique des plantes chlorophyl-liennes est adaptée à un prélèvement efficace des matières premières et à la capture de l’énergie solaire nécessaires à leur croissance.Les documents présentent quelques ordres de grandeurs concernant les sources de matières premières des plantes chlorophylliennes.

Question❯ Montrez que le développement considérable des surfaces d’échanges et de capture d’énergie solaire de la plante peut être mis en relation avec la nature particulière des sources de matières premières et d’énergie puisées dans l’environnement. Votre exposé s’appuiera sur les documents présentés et sur vos connais-sances sur l’organisation des plantes chlorophylliennes.

Doc. 1 Concentrations et besoins des sources de matières premières de l’atmosphère et du sol

CO2 atmosphérique Solution minérale du sol

Concentration dans l’environnement 0,035 % en volume Sels minéraux :

quelques mg/l d’eau

Besoins en matières premières

Le CO2 contenu dans 4 000 m3 d’air est néces-

saire à la fabrication d’1 kg de matière sèche

végétale.

Pour le maïs : 60 tonnes d’eau par hectare

et par an.*

*À masse égale, si on considère l’absorption et les pertes d’eau, les plants de maïs d’un champ sont traversés chaque jour par 10 fois plus d’eau qu’un homme.

Ch. Bock et M. Bournérias, Le génie végétal, Nathan, 1992.

spécifique

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Doc. 2 Surfaces d’échanges chez l’Homme

Gaz Eau et nutriments

Poumons (surface alvéolaire) : 70 m2 pour

chaque poumon

Intestin grêle : des replis (valvules, villosités) multiplient la surface

d’absorption par 300 pour une sur-face totale de 100 m2.

E. Perilleux, B. anselme, D. richard, Biologie humaine, Nathan, 1991.

Les clés pour réussir

L’essentiel à connaître●● Les relations qu’un organisme fixé comme la plante établit avec

l’atmosphère (capture d’énergie solaire, échanges de gaz), et avec le sol (échange d’eau et de sels minéraux).

●● Des exemples de développement de surfaces d’échanges pour les organes aériens et souterrains de la plante.

Bien comprendre la question●● Prenez le temps de bien lire la question, il ne s’agit pas simplement de

réciter votre cours.●● Vous devez décrire les surfaces d’échanges développées par la

plante, mais aussi montrer que ce sont des surfaces adaptées à « la nature particulière des sources de matière et d’énergie puisées dans l’environnement ».Les questions à vous poser :➜●Quelles sont ces « sources » ? Quelles sont leurs particularités ? Les documents (en particulier le doc. 1) vont vous mettre sur la voie.➜●Quels gaz allez-vous évoquer concernant les échanges de la plante avec l’atmosphère ?➜●À quelle échelle (organes, cellules, organites) peuvent être observés vos exemples ?

Exploiter les documentsDoc. 1 : il rappelle que les plantes ont une particularité : elles doivent se procurer des quantités de CO2 et de sels minéraux très importantes par rapport aux ressources diluées de l’environnement.

Ens. spécifiquE

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Doc. 2 : ces données sur les surfaces d’échanges de l’Homme rappellent que le développement des surfaces est une réponse à l’approvision-nement en matières premières chez tous les êtres vivants, quoiqu’avec certaines particularités.

Les pièges à éviter●● Les documents n’évoquent pas l’énergie lumineuse, mais vous devrez

y consacrer un paragraphe en utilisant vos seules connaissances.●● Compte tenu de l’ampleur du sujet, ne perdez pas de temps à développer

certains mécanismes, comme par exemple le fonctionnement détaillé des stomates.

Construire votre réponse●● Vous devez apporter une réponse (les adaptations de la plante) à des

contraintes (le caractère particulier des sources de matière et d’énergie).●● Partie I : présentez avec précision ces contraintes liées à ces sources

de matières et d’énergie des plantes à appuyez-vous sur le doc. 1.●● Parties II et III : développez la réponse adaptative de la plante par le

développement des surfaces d’échanges et de capture d’énergie à faites appel à vos connaissances.

Introduction

Par rapport à l’Homme, les plantes ont plusieurs particularités : elles ont une vie fixée et ne se nourrissent pas de matière organique. Or cette matière organique représente une forme concentrée de matière et d’énergie. Elles utilisent au contraire du CO2, l’eau minérale du sol et l’énergie solaire, ce qui va être rendu possible par le développement considérable des surfaces d’échanges et de capture d’énergie.

I - Des sources particulières de matières premières et d’énergie

Nous savons que les plantes forment leur matière organique végétale à partir du CO2 (source minérale de carbone), d’eau et de sels minéraux.

CorrigéSujet

2

Corrigé 2Génétique et évolutionspécifique

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ENS. SPÉCIFIQUE

Or, le doc. 1 montre que les besoins sont considérables et les sources de matière peu concentrées.

Pour le CO2, il faut exploiter 4 000 m3 d’atmosphère pour fabriquer un seul kilogramme de matière organique carbonée végétale (doc. 1). En effet le CO2 à l’origine de tout le carbone organique n’est présent qu’à 0,035 % soit 3,5 10-4 (doc. 1).

Pour les ions minéraux, le doc. 1 montre que la concentration minérale s’exprime en mg/l (10-6).

De plus, l’absorption d’eau à prélever chaque jour dans le sol est, rapportée à la masse, dix fois plus importante chez le maïs que chez l’Homme (doc. 1).

La plante fixée va devoir exploiter des volumes considérables d’atmosphère et de sol pour couvrir ses besoins en CO2, en eau et sels minéraux. Pour cela on montrera que la plante développe des surfaces d’échanges considérables avec l’atmosphère et le sol.

De même, on montrera le développement considérable de la surface de capture d’énergie lumineuse, les matières premières minérales ne fournis-sant pas d’énergie à la plante.

II - La plante développe des surfaces d’échanges considérables avec l’atmosphère

A. Les échanges de gazL’absorption de CO2 se fait par la feuille dont la surface, le plus souvent aplatie, est recouverte d’une cuticule imperméable pour éviter une déshydratation excessive. Le CO2 peut néanmoins pénétrer par la présence, sur la surface des feuilles, de milliers de pores à ouverture variable, appelées stomates.

On peut alors prendre en compte la sur-face considérable des feuilles et la structure interne de la feuille qui présente des lacunes augmentant la surface d’échange. Au final, la surface d’échange avec le CO2 atmosphé-rique doit se chiffrer en milliers de m2 pour un arbre adulte, à confronter aux 70 m2 de surface alvéolaire de poumon chez l’Homme (doc. 2).

B. La capture de lumièreLa capture d’énergie lumineuse se fait par la considérable surface foliaire (forme très souvent aplatie). Pour un arbre, par rapport à la surface de l’ombre portée, la surface des feuilles est dix fois plus importante. La rami-fication des tiges permet d’étaler cette surface foliaire.

Un simple ordre de grandeur (« milliers de m2 ») permet de comparer la plante au chiffres du doc. 2 (« 70 m2 »).

L’astuce du prof

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Génétique et évolution Corrigé 2

La capture de lumière se fait en réalité par les membranes chlorophylliennes des lamelles de tous les chloroplastes de chaque cellule chlorophyllienne de la feuille. Au final pour notre arbre, la surface chlorophyllienne de capture de lumière est largement supé-rieure à 10 000 m2.

III - La plante développe des surfaces d’échanges considérables avec le sol

L’absorption d’eau et de sels minéraux dans le sol se fait par les racines. Pour compenser la dilution des éléments nutritifs du sol, les racines sont très développées, très ramifiées (racines et radicelles). Et la surface d’échanges est encore considérablement augmentée par la présence d’un manchon de poils absorbants à l’extrémité des jeunes racines. Ces milliards de poils absorbants sont des prolongements cellulaires très fins, de 1 mm de lon-gueur, qui accroissent de dix fois la surface des racines.

D’une manière générale, pour un végétal donné, la surface racinaire est supérieure à la surface foliaire, à confronter aux 100 m2 de surface intestinale totale chez l’Homme (doc. 2).

Conclusion

La plante doit faire face à la nature particulière des sources de matière première, à leur dilution et aux besoins élevés de la plante (doc. 1). Pour répondre à cette contrainte, celle-ci développe des surfaces d’échanges encore plus considérables que celles présentées pour l’Homme dans le doc. 2. La plante fixée peut alors exploiter des volumes considérables de son environnement. Il en est de même pour la surface de capture d’énergie lumineuse… bien supérieure à celle des panneaux solaires construits par l’Homme.

On peut noter que ces surfaces d’absorption concernent les parties toujours jeunes de la plante (les racines et les feuilles sont jeunes puisqu’elles se renouvellent fréquemment, même chez un arbre centenaire).

On peut enfin ajouter que l’exploitation de tels volumes et la construction de telles surfaces d’échanges sont rendues possibles avec peu de matière, puisque l’essentiel du volume de la cellule végétale est constitué par une accumulation d’eau, la vacuole.

Pensez à passer de l’organe (feuille) à la cellule et ses organites (chloroplastes).

Gagnez des points !

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