La photosynthèse

Écrire l'équation chimique globale de la photosynthèse et identifier les réactifs, les produits et la source d'énergie du processus.

Citer et expliquer trois raisons pour lesquelles la photosynthèse est indispensable à la vie sur Terre, en considérant la matière, l'énergie et l'atmosphère.

Quel pigment capte la lumière lors de la photosynthèse et dans quel organite cellulaire se trouve-t-il ? Expliquer pourquoi les feuilles sont vertes et ce qu'il advient de cette couleur en automne chez les espèces à feuilles caduques.

Nommer les principaux pigments photosynthétiques (chlorophylles a et b, caroténoïdes) et expliquer ce qu'est le spectre d'absorption : quelles couleurs de la lumière sont utilisées et laquelle est réfléchie, en le reliant à la couleur que nous voyons.

En 1882, T. W. Engelmann a éclairé un filament de l'algue verte Spirogyra avec un spectre de lumière visible obtenu à l'aide d'un prisme, en utilisant des bactéries mobiles aérotactiques pour repérer la production de dioxygène.

1. a) Identifier la variable indépendante, la variable dépendante et le biocapteur dans ce dispositif expérimental, en justifiant le fondement biologique du déplacement des bactéries.
2. b) Prévoir le long de quelles longueurs d'onde du spectre ($400\text{--}700\ \text{nm}$) les agrégats bactériens les plus denses ont été observés et justifier pourquoi cette répartition est corrélée surtout au spectre d'absorption des chlorophylles et ne peut s'expliquer uniquement par celui des caroténoïdes accessoires.
3. c) On imagine que l'expérience est répétée en remplaçant Spirogyra par une cyanobactérie benthique profonde dotée de phycobilines (pigments à absorption optimale entre $500$ et $600\ \text{nm}$). Prévoir comment changerait le schéma d'agrégation des bactéries et en déduire l'avantage écologique de ces pigments dans les milieux aquatiques.

Expliquer où se déroule la photosynthèse à l'intérieur du chloroplaste : ce que sont les thylakoïdes et les granums et ce qu'est le stroma, en indiquant quelle phase du processus a lieu dans chaque compartiment.

Distinguer la phase lumineuse et la phase non lumineuse (cycle de Calvin) de la photosynthèse : dans quelle partie du chloroplaste a lieu chacune, quelles substances entrent et ce qui est obtenu à chaque phase.

De quelle molécule provient le dioxygène libéré par la photosynthèse : du $\text{CO}_2$ ou de l'eau ? Expliquer comment cela a été vérifié à l'aide d'isotopes marqués ($\text{O-18}$) et pourquoi le résultat a été décisif.

Expliquer ce qu'est la photolyse de l'eau et quels trois produits elle génère (électrons, protons et dioxygène), en indiquant à quoi la plante utilise les deux premiers.

Les équations globales de la photosynthèse et de la respiration cellulaire semblent symétriques. Expliquer pourquoi, malgré cela, ce ne sont pas des processus inverses : comparer les organites, les mécanismes et le sens énergétique de chacun.

Le schéma montre les échanges de matière dans une feuille pendant la photosynthèse. a) Indiquer quelle substance transporte la flèche marquée « ? » qui sort par la nervure et vers quelles parties de la plante elle circule. b) Écrire l'équation globale du processus et relier chaque flèche aux réactifs ou aux produits. c) Nommer la structure de l'épiderme par laquelle entre le $\text{CO}_2$.

Une feuille panachée présente des zones blanches dépourvues de chlorophylle. Après quelques heures de lumière, elle est décolorée puis colorée au lugol. Prévoir quelles zones se colorent en bleu-noir, expliquer ce que démontre le résultat (que détecte le lugol ?) et pourquoi il faut d'abord éliminer la chlorophylle de la feuille.

Pour reboiser un versant dégradé, on plante un jeune plant de masse sèche initiale $50\ \text{g}$. Au bout de deux ans, sa biomasse sèche (constituée principalement de cellulose, polymère du glucose) atteint $2{,}5\ \text{kg}$, tandis que le sol environnant n'a perdu que $15\ \text{g}$ de sels minéraux nets.

1. a) Réfuter l'erreur courante selon laquelle la masse des plantes provient du sol : justifier l'origine des $2450\ \text{g}$ de matière organique gagnés et calculer la masse minimale de $\text{CO}_2$ atmosphérique que la plante a dû assimiler pour synthétiser cette quantité de glucose équivalente ($M_m(\text{glucose}) = 180\ \text{g/mol}$ ; $M_m(\text{CO}_2) = 44\ \text{g/mol}$).
2. b) Les mesures avec des analyseurs de gaz indiquent que la plante a en réalité fixé une masse nettement supérieure de $\text{CO}_2$ à celle calculée à la question précédente. Expliquer biologiquement cet écart à partir du bilan entre photosynthèse brute, photosynthèse nette et respiration cellulaire.
3. c) Si l'on arrosait l'arbre avec de l'eau marquée à l'isotope lourd $^{18}\text{O}$ ($\text{H}_2^{18}\text{O}$) et que l'on fournissait du $\text{CO}_2$ ordinaire, prévoir en justifiant dans lequel des produits de la photosynthèse (le glucose ou le $\text{O}_2$ émis) cet isotope sera détecté, en précisant la phase photosynthétique concernée.

Citer trois facteurs environnementaux qui influencent l'intensité de la photosynthèse (intensité lumineuse, concentration en $\text{CO}_2$ et température) et expliquer brièvement comment chacun agit lorsqu'il est insuffisant ou excessif.

Les serres enrichissent l'air en $\text{CO}_2$ pour augmenter la récolte. Expliquer pourquoi cela fonctionne en recourant à la loi du minimum (facteur limitant), si l'augmentation de production que l'on peut obtenir est illimitée et quels autres facteurs deviennent limitants une fois le $\text{CO}_2$ corrigé.

Une serre commerciale de tomates à Perpignan installe un éclairage LED supplémentaire pour augmenter la production hivernale. Lorsque l'irradiance passe de $400$ à $800\ \mu\text{mol}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{s}^{-1}$, le taux de fixation du $\text{CO}_2$ n'augmente que de $4\,\%$, atteignant un palier imprévu.

1. a) Justifier, aux niveaux physiologique et moléculaire, pourquoi, à partir d'une certaine intensité lumineuse, le taux de photosynthèse sature alors qu'il y a encore davantage de photons disponibles.
2. b) Formuler une hypothèse sur le facteur environnemental alternatif qui limite le processus dans la serre et concevoir une expérience à variables contrôlées pour la tester.
3. c) Prévoir en justifiant comment évolueront la courbe de saturation lumineuse et le taux de photosynthèse maximal si l'on enrichit l'atmosphère de la serre en $\text{CO}_2$ gazeux.

Qu'est-ce que le point de compensation lumineux ? Expliquer ce qui se passe lorsque la photosynthèse égale la respiration, ce qui arrive à une plante qui vit pendant des semaines en dessous de ce point (d'où tire-t-elle son énergie ?) et pourquoi les plantes de sous-bois ont des points de compensation plus bas que celles de plein soleil.

Concevoir une expérience avec une plante aquatique (Elodea) pour mesurer comment la photosynthèse varie avec la distance à une lampe : hypothèse, variable indépendante, façon de mesurer le rythme (bulles de $\text{O}_2$ par minute), deux témoins nécessaires et une limite de la méthode.

Lors d'un essai agronomique dans une zone semi-aride soumise à une vague de chaleur ($38\ ^\circ\text{C}$) et à une sécheresse estivale, trois parcelles voisines sont suivies : blé (C3), sorgho (C4) et figuier de Barbarie (Opuntia, CAM).

1. a) On mesure l'acidité vacuolaire (concentration en malate) et l'ouverture stomatique à 3 h du matin et à 14 h. Prévoir quelle culture présentera l'acidité maximale à 3 h et justifier comment cette adaptation lui permet de survivre avec une consommation d'eau minimale.
2. b) Pendant les heures centrales de la journée, le blé réduit fortement son taux net d'assimilation du carbone jusqu'à des valeurs proches de zéro, alors que le sorgho maintient un taux net positif très élevé. Justifier ce contraste au niveau enzymatique (RuBisCO et PEP carboxylase) en lien avec la fermeture des stomates et la photorespiration.
3. c) Dans un scénario expérimental avec du $\text{CO}_2$ enrichi artificiellement mais sans déficit hydrique, prévoir laquelle des deux cultures (C3 ou C4) connaîtra la plus forte augmentation en pourcentage de son taux de photosynthèse et expliquer pourquoi.

L'enzyme RuBisCO est bifonctionnelle : elle catalyse à la fois la carboxylation (photosynthèse) et l'oxygénation du ribulose-1,5-bisphosphate (photorespiration). Dans une expérience de physiologie végétale, des plants identiques de soja (plante C3) sont cultivés à $30\ ^\circ\text{C}$ dans deux enceintes avec la même lumière et la même concentration en $\text{CO}_2$ ($0{,}04\,\%$), mais avec un dioxygène différent : enceinte 1 ($21\,\%$ $\text{O}_2$) et enceinte 2 ($2\,\%$ $\text{O}_2$).

1. a) Prévoir dans quelle enceinte le taux de photosynthèse nette et le gain de biomasse seront les plus élevés. Justifier en expliquant le bilan énergétique et carboné de la photorespiration.
2. b) Si l'on élève la température des deux enceintes de $30\ ^\circ\text{C}$ à $40\ ^\circ\text{C}$, le rendement photosynthétique chute fortement dans l'enceinte 1, alors qu'il reste presque constant dans l'enceinte 2. Justifier ce résultat en considérant l'affinité enzymatique de la RuBisCO et la solubilité relative des deux gaz lorsque l'eau se réchauffe.
3. c) La biotechnologie cherche à introduire des voies C4 dans des cultures C3 comme le blé ou le riz. Argumenter si cette modification apporterait un avantage adaptatif net sous des latitudes froides et tempérées ou si, au contraire, elle pourrait diminuer leur rendement par rapport aux variétés non modifiées.

La concentration de $\text{CO}_2$ atmosphérique augmente chaque année, mais avec une oscillation saisonnière (les « dents de scie » de la courbe de Keeling). Expliquer la cause de cette oscillation annuelle, pourquoi elle reflète surtout la photosynthèse de l'hémisphère nord et ce qu'elle indique sur l'échelle de l'activité de la biosphère.

La courbe de Keeling montre la concentration de $\text{CO}_2$ atmosphérique à Mauna Loa depuis 1958, combinant une tendance continue à la hausse et une oscillation périodique annuelle en « dents de scie » (maximum en mai, minimum en octobre).

1. a) Interpréter la cause biologique, à l'échelle de la planète, de l'oscillation annuelle et expliquer pourquoi le minimum de $\text{CO}_2$ est enregistré au début de l'automne boréal (octobre) et non au solstice d'été, et pourquoi les saisons de l'hémisphère sud ne neutralisent pas cette oscillation.
2. b) À la station de mesure du pôle Sud, la tendance de fond à la hausse est identique, mais l'oscillation annuelle a une amplitude quasi négligeable (inférieure à $1\ \text{ppm}$ contre $\sim 6\ \text{ppm}$ à Hawaï). Justifier cette différence d'un point de vue biogéographique.
3. c) Sachant que les puits biologiques terrestres et océaniques absorbent actuellement environ $50\,\%$ du $\text{CO}_2$ d'origine anthropique, prévoir et justifier comment la pente de la courbe de Keeling serait modifiée si le stress thermique faisait passer les forêts boréales de puits nets à émetteurs nets de carbone.

Une compagnie de transport aérien propose de « compenser » l'empreinte carbone d'une ligne qui émet $132\ \text{t}$ de $\text{CO}_2$ par mois en finançant un reboisement. Le dossier du projet indique qu'un hectare de jeune pinède accumule en biomasse nette environ $6\ \text{t}$ de carbone élémentaire ($C$) par an.

1. a) Réaliser le bilan de masse stœchiométrique : calculer combien de tonnes de $\text{CO}_2$ atmosphérique un hectare de cette forêt retire par an et déterminer la surface minimale de plantation nécessaire pour compenser les émissions annuelles de cette ligne aérienne ($M_m(C) = 12\ \text{g/mol}$ ; $M_m(\text{CO}_2) = 44\ \text{g/mol}$).
2. b) Du point de vue du cycle biogéochimique global, justifier pourquoi remplacer la réduction des émissions fossiles par des puits forestiers présente une asymétrie critique quant au temps géologique de fixation et à la vulnérabilité du réservoir.
3. c) À mesure que la forêt reboisée évolue vers une communauté climacique mature, prévoir si elle continuera à retirer du $\text{CO}_2$ net de l'atmosphère au même rythme par hectare. Justifier la réponse en analysant la relation entre la photosynthèse brute ($P$) et la respiration de l'écosystème ($R$).

Bien que le phytoplancton marin représente moins de $1\,\%$ de la biomasse photosynthétique mondiale, il est responsable de près de $50\,\%$ de la production primaire nette de la biosphère.

1. a) Résoudre ce paradoxe écologique apparent en comparant le temps de résidence de la matière organique et le taux de renouvellement (rapport production/biomasse, $P/B$) des microalgues marines et des arbres d'une forêt tempérée.
2. b) Dans les mers tropicales où le rayonnement solaire et la température sont optimaux toute l'année, la productivité photosynthétique est souvent extrêmement faible. Justifier le rôle de la thermocline permanente dans ce phénomène et prévoir l'impact du réchauffement de la surface des océans sur l'étendue de ces zones oligotrophes.
3. c) Expliquer le fonctionnement de la « pompe biologique à carbone » océanique et prévoir les conséquences d'un déclin du phytoplancton, tant sur le réchauffement climatique que sur les niveaux trophiques supérieurs du réseau pélagique marin.