Première · Enseignement scientifique

Contrôle n°3 — La photosynthèse et la production de biomasse

Devoir portant sur le mécanisme de la photosynthèse, son bilan et son importance dans les écosystèmes et pour l'humanité.

1h30 · Difficile · 3 exercices · Barème sur 20 points

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Sujet

Travaille d’abord sans consulter le corrigé. Note tes réponses et les étapes de ton raisonnement.

Exercice 1 — Bilan de la photosynthèse (7 points)

1. Écrivez l'équation-bilan générale de la photosynthèse. Précisez l'origine des réactifs et le devenir des produits. 2. Dans quelle partie de la cellule végétale ce processus a-t-il principalement lieu ? Nommez les deux grandes phases de la photosynthèse et leur lieu précis dans l'organite. 3. Quel est le rôle essentiel des pigments comme la chlorophylle ? Pourquoi les feuilles sont-elles vertes ?

Exercice 2 — Facteurs limitants et productivité (8 points)

Un agriculteur mesure la production de biomasse (en g/m²/jour) de plants de tomates sous serre en faisant varier un paramètre à la fois. Graphique 1 : Production en fonction de l'intensité lumineuse (à [CO₂] et température constantes). Graphique 2 : Production en fonction de la concentration en CO₂ (à intensité lumineuse et température constantes). 1. Décrivez l'allure de chaque courbe. Identifiez le ou les facteurs limitants dans chaque cas. 2. Proposez une explication biologique pour le plateau observé sur le graphique 1. 3. En conditions naturelles, lequel de ces deux facteurs est le plus souvent limitant pour la croissance des plantes ? Pourquoi ?

Exercice 3 — De la biomasse aux ressources (5 points)

Le rendement de la photosynthèse à l'échelle d'un champ de blé est faible. Seulement environ 1% de l'énergie solaire incidente est convertie en biomasse récoltable (grains). 1. Citez deux causes principales de cette faible efficacité. 2. La production mondiale de grains de blé est d'environ 750 millions de tonnes par an. En supposant que la teneur moyenne en énergie des grains est de 15 MJ/kg, calculez l'énergie totale stockée annuellement dans cette récolte (en J). 3. Cette énergie provient initialement du Soleil. Quel processus physique au cœur du Soleil est à l'origine de cette énergie ?

Corrigé et barème

Le total du barème est de 20 points. Les réponses rédigées admettent plusieurs formulations pertinentes ; compare le raisonnement, pas seulement les mots.

Exercice 1 — Bilan de la photosynthèse : 7 points

1. 6 CO₂ + 6 H₂O + énergie lumineuse → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. Le CO₂ vient de l'air, l'H₂O du sol. Le glucose est utilisé pour la croissance ou stocké, l'O₂ est rejeté dans l'atmosphère. 2. Dans le chloroplaste. Phase claire (photochimique) dans les thylakoïdes : capture de l'énergie lumineuse. Phase sombre (cycle de Calvin) dans le stroma : fixation du CO₂ et synthèse de glucides. 3. Les pigments absorbent l'énergie lumineuse (principalement dans le bleu et le rouge) et initient les réactions photochimiques. Les feuilles sont vertes car la chlorophylle réfléchit la lumière verte, qui n'est donc pas absorbée.

Exercice 2 — Facteurs limitants et productivité : 8 points

1. Graphique 1 : La production augmente avec la lumière puis atteint un plateau. La lumière est le facteur limitant avant le plateau. Graphique 2 : La production augmente avec le [CO₂] puis plafonne. Le CO₂ est le facteur limitant avant le plateau. 2. Le plateau signifie qu'un autre facteur (la concentration en CO₂, la température ou la capacité des enzymes du cycle de Calvin) devient limitant. La phase photochimique produit plus d'ATP et de NADPH que la phase chimique ne peut en utiliser. 3. La concentration en CO₂ atmosphérique (≈ 0,04%) est souvent le facteur limitant majeur en conditions naturelles de plein champ, car la lumière est généralement abondante le jour.

Exercice 3 — De la biomasse aux ressources : 5 points

1. Une partie de la lumière est réfléchie ou traverse la feuille (non absorbée). Une grande partie de l'énergie absorbée est dissipée en chaleur ou utilisée pour la respiration cellulaire de la plante. 2. Masse : 7,5×10¹¹ kg. Énergie totale : E = 7,5×10¹¹ kg × 15×10⁶ J/kg = 1,125×10¹⁹ J. 3. La fusion nucléaire : au cœur du Soleil, des noyaux d'hydrogène fusionnent pour former de l'hélium, libérant une immense quantité d'énergie.

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