Lycée et prépa · SVT
Métabolisme : photosynthèse et respiration
Une feuille dans une enceinte fermée, deux capteurs et une lampe. Mesure ce qu’elle fait de l’air à la lumière et dans le noir, écris les équations-bilans, puis calcule combien de glucose elle fabrique et quelle part de la lumière elle garde. Et sans dioxygène ? La levure a sa solution.
L’enceinte de mesure (ExAO virtuelle)
Zones sombres : lampe éteinte ; zones dorées : lampe allumée. Les axes s’ajustent d’eux-mêmes, comme dans un logiciel d’ExAO : lis bien les graduations. Changer le contenu de l’enceinte l’ouvre : une nouvelle mesure commence, avec de l’air neuf.
Tableau des mesures (une ligne par minute)
| t (min) | Lampe (µmol/m²/s) | CO₂ (ppm) | O₂ (%) |
|---|
Palier 1 · DécouvrirUne feuille dans une boîte fermée
L’expérience
Au lycée, on mesure les échanges gazeux en ExAO (expérimentation assistée par ordinateur). Ici, une feuille de 20 cm² est enfermée dans une enceinte transparente de 1 L, à 25 °C. Un capteur mesure le dioxygène (O₂, en % de l’air), l’autre le dioxyde de carbone (CO₂, en ppm : parties par million).
Tout est virtuel, mais rien n’est inventé : la feuille est calculée par le modèle du laboratoire « La plante », un modèle publié de la photosynthèse, très utilisé par les chercheurs.
Avant de mesurer : quand la lampe est allumée, que fait le dioxygène dans l’enceinte ?
Noté. La mesure va trancher : c’est la mission 1.
Et dans le noir ?
Noté aussi. Garde tes deux pronostics en tête pendant la mesure.
- Allume la lampe (1 000 µmol de photons par m² et par seconde, la moitié du plein soleil), puis clique sur « Mesurer ». Une minute passe en un peu plus d’une seconde ; « + 5 min » avance d’un coup.
- Au bout de 5 minutes, éteins la lampe et continue 5 minutes.
- Lis les courbes, les vitesses affichées sous l’enceinte et le tableau des mesures.
Deux processus, une seule feuille
Relie tes mesures aux processus du métabolisme.
À l’obscurité, la feuille consomme du dioxygène et rejette du CO₂ : elle . À la lumière, elle rejette du dioxygène et prend du CO₂ : sa l’emporte sur sa .
Il reste un trou à remplir.
Sans lumière, la photosynthèse s’arrête. Qu’est-ce qui consomme alors du dioxygène et rejette du CO₂, comme toi ?
Rien ? Les courbes bougent pourtant dans le noir : lis la vitesse de l’O₂ quand la lampe est éteinte.
La respiration consomme du dioxygène. Quel processus en rejette ?
La fermentation se passe de dioxygène et n’en produit pas. Quel processus en rejette à la lumière ?
Si la photosynthèse l’emporte, c’est sur un processus qui fait l’inverse d’elle : lequel ?
La fermentation ne consomme pas de dioxygène. Quel processus en consomme, dans le noir comme à la lumière ?
Oui. Les deux processus ont lieu dans la même feuille.
Comparer avec la règle
Les cellules de la feuille respirent jour et nuit : elles consomment du dioxygène et rejettent du CO₂. À la lumière s’ajoute la photosynthèse, qui fait l’inverse, et bien plus vite. Le capteur ne voit que la différence : c’est la photosynthèse nette. Au palier 2, tu t’en sers pour calculer la photosynthèse totale, dite brute.
Le témoin
Une courbe qui bouge ne prouve pas encore que c’est la feuille. Une lampe chauffe l’enceinte ; un capteur peut dériver. Pour conclure, on refait l’expérience en ne changeant qu’une chose : c’est l’expérience témoin. Laquelle ? C’est la mission 2.
Au collège, on apprend à ne changer qu’un facteur à la fois : revois l’atelier « De quoi la plante a-t-elle besoin ? » si besoin.
Et avec très peu de lumière ?
La lampe ne donne plus que 10 µmol de photons par m² et par seconde (0,5 % du plein soleil). La feuille est éclairée : que fait le dioxygène ?
Noté. Vérifie-le avec la lampe : c’est la mission 3.
Palier 2 · ComprendreLes équations du métabolisme
Autant de dioxygène que de CO₂ ?
Pendant une phase éclairée, compare les deux capteurs : quand le CO₂ baisse de 100 ppm, de combien l’O₂ monte-t-il ? Attention aux unités : le capteur d’O₂ affiche des %, celui de CO₂ des ppm, et 1 % = 10 000 ppm. C’est la mission 4.
Pourquoi le pourcentage d’O₂ bouge-t-il si peu, alors que le CO₂ chute ? L’air contient 20,95 % de dioxygène, soit 500 fois plus que de CO₂ (environ 420 ppm). 100 ppm, c’est presque le quart du CO₂ de l’air, mais seulement 0,01 % d’O₂.
Les équations-bilans
Photosynthèse · dans les chloroplastes, à la lumière
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
Respiration · dans les mitochondries, jour et nuit
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
Ce sont des bilans : entre les deux membres, il y a des dizaines de réactions, chacune accélérée par une enzyme. Si la feuille fabrique et brûle du glucose, elle rend une molécule d’O₂ pour chaque molécule de CO₂ prise, et inversement : c’est ce que montrent les deux capteurs.
Une vraie feuille s’en écarte un peu : une partie de l’énergie de la lumière sert aussi à assimiler l’azote. Nourries de nitrates, des pousses d’orge rejettent environ 25 % de dioxygène de plus qu’elles ne prennent de CO₂ ; nourries d’ammonium, autant (Bloom et al., 1989).
Nette ou brute ?
À la lumière, la feuille ne cesse pas de respirer. Le capteur mesure donc une différence :
photosynthèse nette = photosynthèse brute − respiration
La photosynthèse brute, c’est tout ce que fabriquent les chloroplastes. Ces capteurs ne la voient pas directement : on l’obtient avec deux mesures, à la lumière et dans le noir, en supposant que la respiration garde la même vitesse à la lumière. C’est la mission 5.
Cette hypothèse est celle du modèle. En réalité, la respiration d’une feuille ralentit un peu à la lumière (Tcherkez et al., 2017).
Le point de compensation
À faible lumière, la respiration l’emporte encore ; à forte lumière, c’est la photosynthèse. Entre les deux, il existe une intensité où elles se compensent exactement : la photosynthèse nette est nulle, les gaz ne bougent plus. C’est le point de compensation pour la lumière. Trouve-le avec la lampe : c’est la mission 6.
Une feuille d’ombre respire moins qu’une feuille de soleil. Son point de compensation est-il plus haut ou plus bas ?
Si elle respire moins, a-t-elle besoin de plus ou de moins de photosynthèse brute pour compenser ?
Au point de compensation, photosynthèse brute = respiration. Si la respiration change, le point change aussi.
Oui : moins de respiration à compenser, donc moins de lumière nécessaire. C’est ainsi que des plantes d’ombre gagnent de la matière sous les arbres, là où une plante de soleil en perdrait (Boardman, 1977).
Où ça se passe ?
Dans une cellule de feuille, chaque processus a son organite : les chloroplastes pour la photosynthèse, les mitochondries pour la respiration. Compare le jour et la nuit.
Schéma simplifié, pas à l’échelle : une cellule de feuille mesure quelques dizaines de micromètres et contient souvent des dizaines de chloroplastes.
Range chaque processus dans son organite.
La photosynthèse a lieu dans les , la respiration dans les . Une cellule de feuille possède .
Il reste un trou à remplir.
Les mitochondries consomment du dioxygène : c’est la respiration. Où se trouve la chlorophylle, le pigment vert ?
Le noyau contient l’ADN ; il ne fabrique pas de glucose. Cherche l’organite vert.
Les chloroplastes fabriquent le glucose ; ils ne le brûlent pas. Cherche l’autre organite du schéma.
La vacuole stocke de l’eau et des substances dissoutes ; elle ne consomme pas de dioxygène.
Dans le noir, la feuille respire : avec quel organite ?
Sans chloroplastes, pas de photosynthèse : or la feuille en fait à la lumière.
Oui : une cellule de feuille respire jour et nuit, et fait en plus la photosynthèse à la lumière.
Comparer avec la règle
Chloroplastes : photosynthèse, à la lumière. Mitochondries : respiration, jour et nuit. Une cellule de feuille a les deux ; le jour, le CO₂ rejeté par ses mitochondries peut repartir directement dans ses chloroplastes, et le dioxygène de ses chloroplastes nourrir ses mitochondries.
Une cellule de racine n’a pas de chloroplastes. Elle est…
Autotrophe voudrait dire qu’elle fabrique sa matière organique à partir de matière minérale (CO₂, eau, sels minéraux). Sans chloroplaste ni lumière, le peut-elle ?
Oui : elle vit du glucose fabriqué par les feuilles et apporté par la sève. Une même plante réunit des cellules autotrophes, dans ses parties vertes, et des cellules hétérotrophes, comme celles des racines.
Chaque étape du métabolisme est accélérée par une enzyme, une protéine. Dans le chloroplaste, la Rubisco fixe le CO₂ sur un sucre déjà présent : c’est la première étape de la fabrication du glucose. La nature des enzymes et leur fonctionnement viennent en spécialité SVT, en première et en terminale.
Sans dioxygène : la fermentation
La levure de boulanger est un champignon unicellulaire, hétérotrophe : elle vit du sucre qu’elle trouve. Avec du dioxygène, elle peut respirer. Sans dioxygène, elle fermente : dans son cytoplasme, sans passer par ses mitochondries, elle coupe le glucose en éthanol et en CO₂.
La fermentation alcoolique
C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2
Calcul du laboratoire « La chimie de la cuisine » : 2 moles de CO₂ par mole de glucose, gaz à 20 °C. C’est le rendement théorique : en vrai, une petite part du sucre sert à fabriquer de nouvelles levures et d’autres produits, et un peu de CO₂ reste dissous dans le liquide.
Pour une molécule de glucose, la respiration rejette 6 CO₂. Et la fermentation ?
Relis l’équation de la fermentation : quel coefficient y a-t-il devant CO₂ ?
6, c’est la respiration, qui oxyde le glucose jusqu’au bout. La fermentation s’arrête à l’éthanol.
Oui : 2 CO₂ et 2 éthanol. Sur les 6 atomes de carbone du glucose, 4 restent dans l’éthanol.
Et l’énergie ? L’oxydation complète d’une mole de glucose libère environ 2 870 kJ ; sa fermentation, environ 230 kJ, une douzaine de fois moins. Le reste est toujours là, dans l’éthanol, qui brûle d’ailleurs très bien.
Pour obtenir la même énergie, une levure qui fermente consomme-t-elle plus, autant ou moins de sucre qu’une levure qui respire ?
Compare l’énergie tirée d’une mole de glucose : environ 2 870 kJ en respirant, environ 230 kJ en fermentant.
Chaque glucose fermenté rapporte environ 12 fois moins d’énergie. Pour en obtenir autant, faut-il en consommer plus ou moins ?
Oui, bien plus. Pasteur l’avait remarqué : privée d’air, la levure consomme beaucoup plus de sucre pour une même croissance.
Avec beaucoup de sucre, la levure de boulanger fermente même en présence de dioxygène : c’est l’effet Crabtree (De Deken, 1966).
Palier 3 · Aller plus loinBilans de matière et d’énergie
Du capteur au glucose : la méthode
Les capteurs donnent des ppm dans l’enceinte ; le biologiste veut des grammes de glucose par heure et par m² de feuille. Voici la méthode, sur la respiration mesurée dans le noir.
- Le CO₂ monte de 2,64 ppm par minute dans 1 L d’air : cela fait 2,64 µL de CO₂ par minute (1 ppm de 1 L, c’est 1 µL).
- À 25 °C, une mole de gaz occupe 24,5 L : 2,64 µL ÷ 24,5 L/mol ≈ 0,108 µmol par minute.
- La feuille mesure 20 cm², soit 0,002 m². Pour 1 m² : 0,108 ÷ 0,002 ≈ 54 µmol par minute, soit 54 × 60 ≈ 3,24 mmol par heure.
- L’équation de la respiration : 6 CO₂ pour 1 glucose. 3,24 ÷ 6 = 0,54 mmol de glucose par heure.
- Avec 180 g/mol : 0,54 × 180 ≈ 97 mg de glucose brûlés par heure et par m² de feuille.
À toi, pour la photosynthèse : c’est la mission 7.
L’énergie
Fabriquer une mole de glucose (180 g) stocke autant d’énergie chimique que son oxydation complète en libère : environ 2 870 kJ (les manuels de biochimie donnent 2 840 à 2 870 kJ/mol). Cette énergie vient de la lumière.
Pour comparer, il faut la lumière en watts. Pour la lumière du jour entre 400 et 700 nm, celle qui sert aux plantes, 1 joule transporte environ 4,57 µmol de photons. Le plein soleil, 2 000 µmol de photons par m² et par seconde, apporte donc environ 438 W/m² de lumière utile. C’est la mission 8.
Un cran au-dessus de la seconde : le bilan d’énergie de la photosynthèse est au programme d’enseignement scientifique de première.
La courbe de réponse à la lumière
Chaque point de cette courbe, c’est la pente de l’O₂ au début d’une mesure, ramenée à 1 m² de feuille (le calcul de la mission 7). Le point jaune suit la lampe de l’enceinte : change son intensité.
D’abord, la photosynthèse nette augmente presque en proportion de la lumière : c’est la lumière qui la limite. Puis la courbe s’aplatit : doubler la lumière n’aide presque plus. Ce qui aide le plus, c’est ce qui freinait le plus : le facteur limitant (Blackman, 1905).
À 1 000 µmol (la moitié du plein soleil) et 25 °C, qu’est-ce qui aide le plus la feuille : doubler la lumière, ou un air à 1 000 ppm de CO₂ ? Lis les deux courbes.
Suis la courbe pleine de 1 000 à 2 000 µmol : elle monte à peine. Compare avec l’écart entre les deux courbes, à 1 000 µmol.
Change la température : à 10 °C comme à 40 °C, la feuille fait moins bien qu’à 25 °C. Les réactions de la photosynthèse sont catalysées par des enzymes : elles accélèrent avec la chaleur jusqu’à un optimum, puis perdent leur efficacité, alors que la respiration continue d’accélérer.
Pourquoi l’O₂ finit-il par plafonner ?
Avec la feuille, lampe allumée à 1 000 µmol, mesure 20 minutes (« + 5 min » quatre fois) : l’O₂ monte de moins en moins vite, puis presque plus.
Pourquoi ?
La lampe n’a pas changé, et au début l’O₂ montait vite à cette même lumière. Qu’est-ce qui a changé dans l’enceinte ?
L’O₂ n’a gagné que quelques centièmes de pourcent. Regarde plutôt l’autre capteur.
Tes missions
Voici les missions du palier choisi. Réponds, puis clique sur « Valider ma réponse ». Si ce n’est pas encore ça, un indice t’aide. Après trois essais, tu peux voir la solution.
Le savais-tu ?
Des faits vrais, et d’où viennent les nombres.
Les mots du module
Chaque mot, en une ou deux phrases.
- Métabolisme
- L’ensemble des transformations chimiques qui se déroulent dans une cellule pour assurer ses besoins : fabriquer sa matière, en tirer de l’énergie.
- Voie métabolique
- Une suite de réactions qui transforment une molécule en une autre, étape par étape, chacune accélérée par une enzyme.
- Autotrophe
- Se dit d’une cellule ou d’un être vivant qui fabrique sa matière organique à partir de matière minérale seulement (CO₂, eau, sels minéraux), avec une source d’énergie : la lumière pour les cellules chlorophylliennes.
- Hétérotrophe
- Se dit d’une cellule ou d’un être vivant qui doit prendre de la matière organique (sucres…) dans son milieu : animaux, champignons, levures, cellules des racines.
- Photosynthèse nette, brute
- Brute : tout ce que fabriquent les chloroplastes. Nette : ce qui reste une fois la respiration déduite ; c’est ce que mesurent les capteurs.
- Respiration cellulaire
- L’oxydation complète du glucose par le dioxygène, dans les mitochondries, jour et nuit : elle rejette du CO₂ et de l’eau et libère beaucoup d’énergie.
- Fermentation
- Une dégradation incomplète du glucose, sans dioxygène, dans le cytoplasme : chez la levure, elle donne de l’éthanol et du CO₂, et peu d’énergie.
- Chloroplaste
- Un organite vert des cellules chlorophylliennes : il contient la chlorophylle et fait la photosynthèse.
- Mitochondrie
- Un organite présent dans presque toutes les cellules des plantes, des animaux et des champignons : elle fait la respiration cellulaire.
- Enzyme
- Une protéine qui accélère une réaction précise du métabolisme, sans être consommée.
- Point de compensation
- La lumière (ou la teneur en CO₂) pour laquelle la photosynthèse brute compense exactement la respiration : la photosynthèse nette est nulle.
- Facteur limitant
- Le facteur qui freine le plus un processus à un moment donné : l’augmenter l’accélère davantage que d’augmenter les autres.
- ExAO
- Expérimentation assistée par ordinateur : des capteurs reliés à un ordinateur qui enregistre et trace les mesures au cours du temps.
- ppm
- Partie par million : 420 ppm de CO₂, c’est 420 molécules de CO₂ sur un million de molécules d’air. C’est la valeur ronde du banc ; à Mauna Loa, la moyenne annuelle 2024 est de 424,61 ppm (NOAA GML). 1 % = 10 000 ppm.
Pour les parents et les enseignantsouvrir
Objectifs
- Mesurer les échanges gazeux d’une feuille à la lumière et à l’obscurité, et les relier à la photosynthèse et à la respiration.
- Concevoir une expérience témoin.
- Écrire les équations-bilans et les confronter aux mesures (une molécule d’O₂ pour une de CO₂).
- Distinguer photosynthèse nette et brute ; trouver le point de compensation.
- Situer les processus dans la cellule (chloroplastes, mitochondries) ; autotrophie, hétérotrophie ; la fermentation.
- Faire un bilan de matière (glucose par heure et par m²) et un bilan d’énergie (part de la lumière stockée).
Notions
Métabolisme, voie métabolique, autotrophe, hétérotrophe, photosynthèse nette et brute, respiration cellulaire, fermentation, chloroplaste, mitochondrie, enzyme, point de compensation, facteur limitant, équation-bilan, quantité de matière, volume molaire.
Déroulé (20 à 30 minutes)
Palier 1 : prédire, mesurer à la lumière et dans le noir, monter le témoin, tester une lumière très faible. Palier 2 : le rapport O₂/CO₂ et les équations-bilans, nette ou brute, le point de compensation, les organites, la fermentation. Palier 3 : le bilan de matière et d’énergie, la courbe de réponse à la lumière, le plafond de l’enceinte fermée.
Les idées reçues travaillées
« Les plantes ne respirent pas », ou « seulement la nuit » ; « la photosynthèse est la respiration des plantes » ; « une feuille éclairée rejette toujours du dioxygène » ; « la photosynthèse produit de l’énergie » (elle convertit l’énergie de la lumière) ; « une courbe qui bouge suffit à conclure, sans témoin » ; « la fermentation rapporte autant d’énergie que la respiration ».
Liens avec les programmes
- SVT, seconde générale et technologique (arrêté du 17 janvier 2019, BO spécial n° 1 du 22 janvier 2019, toujours en vigueur en 2026-2027) : thème « La Terre, la vie et l’organisation du vivant », partie « Le métabolisme des cellules ». Notions : métabolisme, voie métabolique, autotrophe, hétérotrophe, organites, enzymes. Capacités : expérimenter des réactions du métabolisme, identifier leurs substrats et leurs produits, schématiser des flux de matière et d’énergie.
- Ce que le texte ne dit pas : il cite la photosynthèse, mais ni la respiration ni la fermentation ; ce sont les exemples de métabolisme hétérotrophe habituels des manuels. La nature et le fonctionnement des enzymes sont renvoyés à la spécialité SVT du cycle terminal : ici, elles sont seulement nommées.
- Un cran au-dessus : le bilan d’énergie de la photosynthèse relève de l’enseignement scientifique de première (annexe de l’arrêté du 30 mai 2023, BO n° 25 du 22 juin 2023, thème « Le Soleil, notre source d’énergie ») ; la comparaison des rendements de la respiration et de la fermentation, de la spécialité SVT de terminale (arrêté du 19 juillet 2019). La courbe de réponse à la lumière et le facteur limitant vont au-delà des programmes.
En classe, en vrai
Avec une vraie feuille dans l’air, le capteur de CO₂ réagit bien, mais celui de dioxygène voit à peine bouger son pourcentage. C’est pourquoi on mesure souvent le dioxygène dissous dans l’eau d’une suspension d’algues (chlorelles), à laquelle on ajoute de l’hydrogénocarbonate pour leur fournir du CO₂.
Ce que le module simplifie
La feuille est calculée par le modèle du laboratoire La plante (feuille type de plante en C3, bien arrosée, à 25 °C, humidité de l’air de 60 % gardée constante). La respiration y garde la même vitesse à la lumière et dans le noir. Pour chaque CO₂ pris, un O₂ rendu (et inversement), comme dans les équations-bilans. Les capteurs sont parfaits (ni bruit, ni dérive, ni délai), l’enceinte parfaitement étanche, et les pourcentages de dioxygène sont ceux de l’air sec. La lumière de la lampe a le spectre de la lumière du jour. La fermentation est calculée à son rendement théorique.
Sources
Les calculs viennent des modèles des laboratoires La plante (plant.js) et La chimie de la cuisine (cooking.js), et du modèle du module (modele.js), qui s’appuie sur eux.
- Ministère de l’Éducation nationale. Arrêté du 17 janvier 2019 fixant le programme de l’enseignement de sciences de la vie et de la Terre de la classe de seconde générale et technologique (NOR MENE1901647A), JORF du 20 janvier 2019 ; annexe au Bulletin officiel spécial n° 1 du 22 janvier 2019.
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- Énergie du glucose : Berg J.M., Tymoczko J.L., Stryer L., Biochemistry ; Nelson D.L., Cox M.M., Lehninger Principles of Biochemistry (W. H. Freeman) : 2 840 à 2 870 kJ/mol. Calcul du module avec les enthalpies libres standard de formation à 25 °C (CRC Handbook of Chemistry and Physics) : oxydation complète 2 879 kJ/mol, fermentation alcoolique 228 kJ/mol.
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