Approfondissez votre compréhension de la photosynthèse avec cette série d’exercices sur le rôle des pigments chlorophylliens dans la captation de l’énergie lumineuse, destinée aux élèves de 1BAC Sciences Expérimentales (SE).
Partie I : Restitution des connaissances
I-Répondre par Vrai ou Faux.
1. Les pigments chlorophylliens : a. sont localisés dans la membrane des thylakoïdes. b. absorbent toutes les longueurs d’onde du spectre visible. c. comprennent les chlorophylles a et b ainsi que les caroténoïdes. d. sont solubles dans l’eau.
2. La chlorophylle a : a. absorbe principalement la lumière rouge et bleue-violette. b. est le pigment accessoire le plus abondant dans la cellule végétale. c. transfère l’énergie lumineuse absorbée vers le centre réactionnel. d. présente un spectre d’absorption identique à celui de la chlorophylle b.
3. Les caroténoïdes : a. sont des pigments de couleur jaune-orangée. b. absorbent principalement les longueurs d’onde vertes. c. jouent un rôle de protection contre les excès de lumière. d. transfèrent l’énergie qu’ils captent vers la chlorophylle a.
4. Le spectre d’action de la photosynthèse : a. correspond aux longueurs d’onde les plus efficaces pour la photosynthèse. b. est identique au spectre d’absorption de la chlorophylle a. c. montre que la lumière verte est la plus efficace pour la photosynthèse. d. se superpose globalement au spectre d’absorption des pigments chlorophylliens.
II-Définissez les termes suivants :
- Pigment photosynthétique
- Spectre d’absorption
- Spectre d’action
- Chromatographie
- Centre réactionnel
- Antenne collectrice
Partie II : Investissement des données et utilisation des connaissances
Exercice 1
Un élève réalise une chromatographie sur couche mince à partir d’un extrait de feuilles vertes. Il obtient une plaque présentant plusieurs taches colorées séparées dont voici les caractéristiques :
| Tache | Couleur | Distance parcourue (cm) | Rf |
|---|---|---|---|
| 1 | Jaune-orangé | 8,5 | 0,97 |
| 2 | Jaune | 7,8 | 0,89 |
| 3 | Vert-bleuté | 5,2 | 0,59 |
| 4 | Vert-jaunâtre | 4,2 | 0,48 |
(Distance parcourue par le solvant : 8,8 cm)
- Expliquez le principe de la chromatographie et l’intérêt de cette technique pour l’étude des pigments.
- Calculez le Rf de chaque tache et identifiez les pigments correspondants sachant que : le carotène a un Rf ≈ 0,97 ; la xanthophylle a un Rf ≈ 0,89 ; la chlorophylle a a un Rf ≈ 0,59 ; la chlorophylle b a un Rf ≈ 0,48.
- Expliquez pourquoi les pigments se séparent lors de la chromatographie.
- Quel pigment est le plus abondant dans une feuille verte ? Comment le justifiez-vous à partir de la chromatographie ?
Exercice 2
Le graphique ci-dessous représente les spectres d’absorption de trois pigments chlorophylliens (chlorophylle a, chlorophylle b, caroténoïdes) ainsi que le spectre d’action de la photosynthèse, en fonction de la longueur d’onde de la lumière (nm).
| Longueur d’onde (nm) | Absorption Chl a | Absorption Chl b | Absorption Caroténoïdes | Action photosynthétique |
|---|---|---|---|---|
| 400 (violet) | forte | moyenne | forte | forte |
| 450 (bleu) | forte | forte | forte | forte |
| 500 (vert) | faible | faible | moyenne | faible |
| 550 (vert) | faible | faible | faible | faible |
| 600 (orange) | moyenne | faible | faible | moyenne |
| 650 (rouge) | forte | moyenne | faible | forte |
| 700 (rouge lointain) | faible | faible | faible | faible |
- Analysez les spectres d’absorption des trois pigments.
- Comparez le spectre d’action de la photosynthèse avec les spectres d’absorption des pigments. Quelle conclusion en tirez-vous ?
- Expliquez pourquoi les feuilles apparaissent vertes à nos yeux.
- Quel est l’intérêt pour la plante de posséder plusieurs types de pigments aux spectres d’absorption différents ?
Exercice 3
Pour étudier le rôle des différents pigments dans la photosynthèse, on réalise l’expérience suivante :
On expose trois cultures de microalgues à différentes lumières monochromatiques (une seule longueur d’onde) et on mesure le dégagement de O₂ dans chaque cas :
| Lumière monochromatique | Longueur d’onde (nm) | Dégagement de O₂ (µmol/h) |
|---|---|---|
| Rouge | 680 | 18 |
| Verte | 540 | 2 |
| Bleue | 450 | 16 |
| Rouge lointain | 720 | 1 |
Des expériences complémentaires montrent que des algues ayant perdu leurs caroténoïdes (mutant) présentent un dégagement de O₂ fortement réduit sous lumière bleue, mais identique sous lumière rouge.
- Analysez les résultats du tableau principal.
- Mettez en relation ces résultats avec les spectres d’absorption des pigments vus dans l’exercice précédent.
- Que révèlent les expériences sur les mutants concernant le rôle des caroténoïdes ?
- Concluez sur le rôle respectif de chaque type de pigment dans la captation de l’énergie lumineuse.
Exercice 4
Un chercheur mesure la quantité d’énergie lumineuse transférée au centre réactionnel dans deux situations :
Situation 1 : Une feuille possédant l’ensemble de ses pigments (chlorophylles a et b + caroténoïdes) est exposée à une lumière blanche d’intensité modérée.
Situation 2 : Une feuille dont on a extrait les pigments accessoires (chlorophylle b et caroténoïdes) est exposée aux mêmes conditions.
Les résultats montrent que dans la situation 1, l’efficacité de la photosynthèse est 4 fois supérieure à celle observée dans la situation 2.
- Expliquez pourquoi la présence des pigments accessoires augmente l’efficacité de la photosynthèse.
- Quel est le nom donné à l’ensemble des pigments accessoires qui entourent le centre réactionnel ?
- Décrivez le mécanisme par lequel l’énergie lumineuse captée par les pigments accessoires est transmise au centre réactionnel.
- Quel pigment se trouve au centre réactionnel et quel est son rôle particulier par rapport aux autres pigments ?
Exercice 5
En automne, les feuilles de nombreux arbres changent de couleur, passant du vert au jaune, à l’orange puis au rouge, avant de tomber. Un élève observe ce phénomène et se pose des questions sur sa signification biologique.
- Expliquez la couleur verte des feuilles en été en vous appuyant sur les propriétés d’absorption des pigments chlorophylliens.
- La dégradation de la chlorophylle en automne révèle d’autres pigments. Identifiez ces pigments et justifiez les couleurs jaune et orange observées.
- En sachant que la photosynthèse diminue fortement en automne, expliquez en quoi la dégradation des chlorophylles est cohérente avec les conditions environnementales de cette saison.
- Un élève affirme que les feuilles rouges d’automne contiennent de la chlorophylle en grande quantité. Êtes-vous d’accord avec cette affirmation ? Justifiez votre réponse.