2-3 De la conversion biologique de l’énergie solaire par la photosynthèse à l’énergie nécessaire à tous les êtres vivants

L’utilisation par la photosynthèse d’une infime partie de l’énergie solaire reçue par la planète fournit l’énergie nécessaire à l’ensemble des êtres vivants (à l’exception de certains milieux très spécifiques non évoqués dans ce programme).

À l’échelle de la planète, combien de matière organique est fabriquée grâce à la photosynthèse et où cette synthèse se déroule-t-elle ?

A la fin de la séance je sais :

❑ Recenser, extraire et organiser des informations pour prendre conscience de l’importance planétaire de la photosynthèse : elle permet la synthèse de matière organique 

❑ A quoi sert cette matière organique pour les êtres vivants

❑ que l’équilibre alimentaire est essentiel

A/ La photosynthèse à l’échelle de la plante Belin p100-103

Livre p100–103

Une partie du rayonnement solaire absorbé par les organismes chlorophylliens permet la synthèse de matière organique (glucose, amidon, cellulose) à partir d’eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone : c’est la photosynthèse.

Équation bilan de la photosynthèse

6CO₂ + 6H₂O + énergie lumineuse → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

La photosynthèse permet l’entrée dans la biosphère de matière minérale, en stockant de l’énergie sous forme chimique (les glucides -par exemple- sont des molécules riches en énergie, libérée lorsque les liaisons chimiques entre les atomes de carbone sont rompues).

Ces molécules peuvent ensuite être transformées par différents métabolismes :

• la respiration casse les liaisons entre les atomes de C du glucose en présence d’oxygène (aérobie), libérant du dioxyde de carbone, de l’eau et beaucoup d’énergie

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 36 ADP +36 Pi → 6CO₂ + 6H₂O + énergie = 36 ATP

• la fermentation casse très incomplètement les liaisons entre les atomes de C du glucose en l’absence d’oxygène (anaérobie), libérant un peu d’énergie. La fermentation alcoolique produit aussi du dioxyde de carbone (celui qui fait gonfler la pâte à pain), de l’alcool ; la fermentation lactique produit de l’acide lactique.

Équation bilan de la fermentation alcoolique

C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 Pi → 2 C₂H₅OH + 2CO₂ + énergie = 2 ATP

Ces mécanismes permettent de libérer l’énergie nécessaire au fonctionnement des êtres vivants.

TP métabolisme des sucres (ExAO, voir Seconde)

exercice 6p109 étude des levures par Pasteur

Livre p101

Bilan

 ← Bilan énergétique de la photosynthèse à l’échelle de la feuille

• Une partie du rayonnement solaire absorbé par les organismes chlorophylliens permet la synthèse de matière organique à partir d’eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone (photosynthèse).
• À l’échelle de la feuille (pour les plantes), la photosynthèse utilise une très faible fraction de la puissance radiative reçue, le reste est soit diffusé, soit transmis, soit absorbé (échauffement et évapo-transpiration).

 

La photosynthèse dans la forêt de Wienerwald : Production d’oxygène
Notre exemple de peuplement : durant les mois d’été (juin, juillet, août), 1 m² de hêtraie a une Production Primaire Nette (NPP = photosynthèse – respiration végétale) moyenne de 2,4 g de C par m² et par jour (avec de nettes variations d’un jour à l’autre et des valeurs maximales qui peuvent être deux fois plus élevées).
Il en résulte une production d’oxygène de 6,4 g d’O₂ par m² par jour. Cela correspond à l’oxygène contenu dans 23 litres d’air.
Avec une NPP annuelle de 420 g de C par m² et par an (résultat de l’étude de simulation pour la période 1990-2009), on produirait donc 1120 g d’O₂ par m² de hêtraie, soit l’oxygène pour environ 4 m³ d’air.
Si l’on extrapole ces valeurs à l’ensemble de la surface forestière de la réserve de biosphère du Wienerwald (64 000 ha), on arrive à une production annuelle totale de 716,800 t O₂. Cette quantité d’oxygène permet de couvrir les besoins annuels d’environ 2 millions de personnes (1,963 million). Exactement la population viennoise !

exercices :

• Expérience d’Engelmann Activité 1p100
• 8p110 Couleur d’une algue
• Exercices interactifs Vrai-faux
• QCM

Pour aller plus loin

• Article : Quel potentiel la lumière naturelle offre-t-elle à la photosynthèse ?
• Article : Doper la photosynthèse végétale : potentiel d’énergie mobilisant la recherche (21.02.2012)
• Article : Photosynthèse artificielle : ils transforment du CO₂ en matière première (22/09/2017)
• Article : Planter 1 milliard d’arbres : la fausse solution du gouvernement

b- le devenir de la matière organique après la photosynthèse

La matière organique ingérée par un organisme lui sert de source d’énergie et de source de matière. La matière est utilisée pour renouveler les cellules et leurs constituants, ainsi que pour la croissance. La libération d’énergie à partir de matière organique par la respiration cellulaire s’accompagne d’une perte de matière sous forme de CO₂ + H₂O et d’une perte d’énergie sous forme de chaleur.

1. Calculer le coût en énergie solaire d’un kilogramme de végétal vert, d’herbivore, de carnivore sachant que :

• Coût énergétique d’un herbivore = (Quantité matière herbivore/Quantité matière végétale) × 100  
• Coût énergétique d’un carnivore = (Quantité matière carnivore/ Quantité matière herbivore) × 100

2. Que représente ce pourcentage ?

Bilan

L’absorption de l’énergie solaire par les végétaux chlorophylliens est à la base de la plupart des écosystèmes  : les organismes non chlorophylliens consomment d’autres organismes (chlorophylliens ou non) et utilisent leur matière organique pour en extraire de l’énergie et produire leur propre biomasse.
Lors du transfert de matière d’un niveau à l’autre du réseau alimentaire, une grande partie de l’énergie contenue dans les molécules organiques est dissipée sous forme de chaleur.

 

B/ La photosynthèse à l’échelle de la planète –Belin p98-99

La productivité primaire est la somme des biomasses, en g ou en tonnes de carbone (tC), fabriquées par les organismes chlorophylliens en un lieu donné pendant un temps donné.

La productivité primaire nette globale est de l’ordre de 110 GtC par an.

1. Convertir la productivité primaire donnée pour la forêt tempérée, en tC.ha^-1.an^-1
2. Grâce à la carte page 98, comparer la productivité primaire des écosystèmes continentaux et expliquer les différences observées.
3. L’énergie solaire reçue par unité de temps et de surface selon la latitude est de 340 W.m^-2 en moyenne. Les scientifiques considèrent que seulement 0,340 W.m^-2 est utilisé par les végétaux chlorophylliens pour réaliser la photosynthèse. Calculer la fraction de l’énergie solaire totale utilisée pour la photosynthèse (doc. 2).
4. De septembre 2009 à mars 2012, la mission Tara Océans a sillonné mers et océans. Les scientifiques à bord ont prélevé 20 000 échantillons d’eau de mer afin d’étudier le plancton marin, c’est-à-dire l’ensemble des organismes microscopiques et virus qui s’y trouvent. Formuler une hypothèse sur les facteurs contrôlant la productivité primaire des océans.
5. La productivité primaire moyenne au niveau des océans vaut en moyenne 2,5 tC/ha/an et elle est principalement due au phytoplancton. Sur les continents, cette productivité moyenne est de 5,3 tC/ha/an. Calculer la quantité de matière organique produite chaque minute sur Terre grâce à la photosynthèse (docs 1 et 5). On assimilera la Terre à une sphère de rayon 6 371 km, dont 71 % de la surface est recouverte par les océans.

Bilan

À l’échelle de la planète, les organismes chlorophylliens utilisent pour la photosynthèse environ 0,1% (0,34 W.m^-2) de la puissance solaire totale disponible (340 W.m^-2). 

L’énergie solaire est donc un vaste gisement d’énergie très peu exploité à l’échelle mondiale : une progression de l’indice foliaire (dans une forêt comestible par exemple) et des ressources minérales amélioreraient facilement la captation de cette énergie.

• Visite d’un jardin forêt comestible ! (1h)
• Visite d’un jardin comestible à 800m d’altitude (1h30)
• SVJ n°366 « votre pipi vaut de l’or ! » mars 2020
• Une mystérieuse cité perdue enfin visible grâce au laser (11′)

Regardons le reportage : Les villes vont-elles sauver le monde ?

C/ La photosynthèse est à l’origine des combustibles fossiles –Belin p104-105

← formation de roches combustibles

Bilan

À l’échelle des temps géologiques, une partie de la matière organique s’accumule dans les sédiments puis se transforme en donnant des combustibles fossiles : gaz, charbon, pétrole.

• Vidéo formation du charbon
• Vidéo formation du pétrole

Un extrait de Home (2009) de Yann Arthus Bertrand à voir en entier.

Une animation pour expliquer ce qui se passe lors de l’enfouissement

exercice 5p109 consommation de pétrole

 

 

 

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Savoir

• L’utilisation par les organismes chlorophylliens d’une infime partie de l’énergie solaire reçue par la Terre, fournit l’énergie nécessaire à la synthèse de matière organique à partir de matière minérale (eau, ions, dioxyde de carbone) : c’est la photosynthèse.
• La photosynthèse permet la nutrition de presque toutes les formes de vie de la planète Terre
• Les molécules organiques peuvent être transformées pour libérer l’énergie nécessaire au fonctionnement des êtres vivants.
• L’alimentation apporte ces molécules organiques. L’équilibre alimentaire est un élément essentiel à une bonne santé.

Savoir faire

• Recenser, extraire et organiser des informations pour prendre conscience de l’importance planétaire de la photosynthèse.
• Utiliser des données quantitatives sur l’apport énergétique d’aliments dans un bilan d’énergie correspondant à des activités variées.
• Mettre en évidence des aspects qualitatifs de l’équilibre alimentaire.
• Relier des déséquilibres alimentaires à la prévalence mondiale de la dénutrition, des maladies cardiovasculaires, des diabètes, ou de l’obésité.
  

Vers la correction des activités réalisées en classe