Corrigé bac SVT 2025 Métropole jour 1 — Exercice 1 : Le végétal chlorophyllien et l'eau

Introduction

Les Angiospermes, ou plantes à fleurs, mènent une vie fixée : ancrées au sol par leurs racines, elles ne peuvent pas se déplacer vers leurs ressources et doivent donc les prélever là où elles se trouvent, à l'interface de deux milieux très différents — le sol, qui fournit l'eau et les ions minéraux, et l'atmosphère éclairée, qui fournit le $\mathrm{CO}{}_2$ et l'énergie lumineuse. Ce sont des organismes autotrophes : ils synthétisent eux-mêmes leur matière organique à partir de matière minérale, par photosynthèse, dans les cellules chlorophylliennes des feuilles. Or l'eau que ces cellules utilisent a été prélevée à plusieurs décimètres, parfois à plusieurs mètres de là, dans le sol. Comment l'absorption de l'eau du sol par des structures variées aboutit-elle à la production de matière organique dans les feuilles ? Nous suivrons le trajet de l'eau : son absorption par les vastes surfaces d'échange souterraines, son transport par les tissus conducteurs et le moteur de cette ascension, enfin son rôle de réactif dans la photosynthèse et le devenir des molécules produites.

I. De grandes surfaces souterraines absorbent l'eau du sol

L'eau du sol est diluée et dispersée dans un volume considérable : pour la capter, la plante maximise sa surface de contact. L'appareil racinaire se ramifie abondamment, et, en arrière de l'extrémité de chaque jeune racine, la zone pilifère porte des poils absorbants, fines expansions des cellules de l'épiderme racinaire, qui peuvent se compter par milliers au centimètre carré. Observation : une graine de cresson ou de radis germée sur coton humide, examinée à la loupe, montre un manchon feutré de poils quelques millimètres en arrière de l'apex ; ils sont absents de la coiffe et des portions âgées de la racine, ce qui localise précisément la zone d'absorption. Ordre de grandeur : chez un plant de seigle adulte, la surface racinaire totale, poils compris, se compte en centaines de mètres carrés, sans commune mesure avec la surface du corps d'un animal de masse comparable.

Cette absorption est le plus souvent facilitée par des symbioses, associations à bénéfices réciproques. Les mycorhizes associent les racines à un champignon du sol : ses filaments, bien plus fins que les racines, explorent un volume de sol beaucoup plus grand et lui cèdent de l'eau et des ions (en particulier le phosphate) ; la plante lui fournit en retour des sucres issus de la photosynthèse. Expérience : deux lots de plants identiques sont cultivés sur un même sol pauvre, l'un inoculé par le champignon, l'autre non. Au bout de quelques semaines, le lot mycorhizé a produit une biomasse nettement supérieure et prélevé davantage d'eau et de phosphate : la symbiose améliore bien la nutrition hydrique et minérale. Chez les Légumineuses (trèfle, pois), des bactéries logées dans des nodosités racinaires fixent le diazote $\mathrm{N}{}_2$ de l'air ; cette symbiose-là concerne la nutrition azotée, non l'absorption d'eau : il ne faut pas les confondre.

Bilan : par ses poils absorbants et ses symbioses, la racine prélève dans la solution du sol une eau qui contient déjà les ions minéraux nécessaires aux synthèses ultérieures.

II. Le xylème conduit l'eau jusqu'aux feuilles, la transpiration l'aspire

Les lieux de prélèvement sont aux deux extrémités de l'organisme : la plante doit donc transporter l'eau sur de longues distances, par des tissus conducteurs groupés en faisceaux dans la racine, la tige et les nervures des feuilles. Le xylème, formé de cellules mortes lignifiées, conduit la sève brute (eau et ions minéraux) des racines vers les feuilles ; le phloème, formé de cellules vivantes, conduit la sève élaborée, riche en saccharose, des feuilles vers les organes consommateurs ou de réserve.

Expérience : un pétiole de céleri, ou un rameau feuillé, est placé quelques heures dans de l'eau additionnée d'un colorant. Une coupe transversale de la tige montre alors le colorant uniquement dans les vaisseaux du xylème, que l'on retrouve colorés jusque dans les nervures des feuilles. La conduction de l'eau est donc localisée, ascendante et continue de la racine au limbe. Expérience complémentaire — l'anneau de Malpighi : sur une tige ligneuse, on retire l'écorce, et donc le phloème, sur un anneau complet. Les feuilles restent vertes et turgescentes, car le bois intact continue de leur monter l'eau, mais un bourrelet se forme au-dessus de l'anneau, du côté des feuilles, tandis que la partie inférieure s'appauvrit : deux circulations distinctes coexistent, l'une montante dans le xylème, l'autre descendante dans le phloème.

Quel est le moteur de cette ascension ? L'eau s'évapore en permanence au niveau des feuilles — c'est la transpiration — et cette évaporation crée une aspiration qui tire la colonne d'eau contenue dans le xylème ; la poussée racinaire y contribue. Argument expérimental : un rameau dont la base plonge dans un tube gradué (potomètre) absorbe d'autant plus d'eau que la transpiration est intense (air sec, ventilation, lumière) ; placé à l'obscurité, stomates fermés, il n'absorbe presque plus rien. L'absorption suit donc la transpiration, et non l'inverse. Où l'eau sort-elle ? Un papier au chlorure de cobalt, bleu à sec et rose humide, appliqué sur les deux faces d'une feuille, rosit beaucoup plus vite à la face inférieure, précisément là où une empreinte épidermique au vernis montre les stomates les plus nombreux. Chaque stomate est un orifice bordé de deux cellules de garde dont la turgescence règle l'ouverture.

Ce que le correcteur attend : ne pas céder au finalisme. La plante ne cherche pas l'eau et ne la pompe pas ; l'ascension est un phénomène physique passif, entretenu par l'évaporation foliaire. Il faut aussi souligner le compromis stomatique : le même orifice laisse entrer le $\mathrm{CO}{}_2$ et sortir la vapeur d'eau. En cas de sécheresse, la fermeture des stomates préserve l'eau mais interrompt l'entrée du $\mathrm{CO}{}_2$, donc la photosynthèse.

Bilan : l'eau absorbée par les racines parvient, par le xylème et grâce à l'aspiration créée par la transpiration, jusqu'aux cellules chlorophylliennes du limbe.

III. Dans la cellule chlorophyllienne, l'eau est le réactif oxydé de la photosynthèse

La feuille est un organe aplati dont le limbe étale une grande surface face à la lumière. Sous l'épiderme percé de stomates, le parenchyme est riche en cellules contenant des chloroplastes, et les nervures y amènent la sève brute au contact même de ces cellules. Le chloroplaste renferme les pigments chlorophylliens : une chromatographie d'un extrait foliaire sépare le vert apparent en plusieurs pigments (chlorophylles a et b, caroténoïdes), ce qui montre que la capture de la lumière est assurée par un ensemble de molécules.

Expérience d'Engelmann (fin du XIX^e siècle) : un filament d'algue verte est éclairé par un spectre lumineux, dans une préparation contenant des bactéries aérobies mobiles. Celles-ci s'accumulent le long des portions du filament éclairées en bleu-violet et en rouge, c'est-à-dire là où les pigments absorbent le plus. C'est donc bien la lumière captée par les pigments chlorophylliens qui permet le dégagement de dioxygène.

Expérience de Ruben et Kamen (début des années 1940) : des algues sont cultivées soit avec de l'eau marquée par l'isotope 18 de l'oxygène, $\mathrm{H}{}_2{}_{}^{}{}_{}^{18}\mathrm{O}$, soit avec du dioxyde de carbone marqué, $\mathrm{C}{}_{}^{}{}_{}^{18}\mathrm{O}{}_2$. Dans le premier cas, le dioxygène dégagé est marqué ; dans le second, il ne l'est pas. Le dioxygène libéré provient donc de l'eau, et non du $\mathrm{CO}{}_2$ : l'eau n'est pas seulement le véhicule des ions, elle est un réactif de la photosynthèse, qui y est oxydée.

Expérience de Sachs, ou feuille partiellement masquée : une plante est placée à l'obscurité une nuit, puis une feuille est recouverte pour partie d'un cache opaque et éclairée quelques heures. Décolorée à l'alcool bouillant puis traitée à l'eau iodée, elle ne brunit que dans la zone restée éclairée : la matière organique (ici l'amidon) n'apparaît qu'à la lumière.

Le mécanisme se résume ainsi : l'énergie lumineuse est captée par les pigments chlorophylliens au niveau du chloroplaste, puis convertie en énergie chimique par la photolyse de l'eau, avec libération de $\mathrm{O}{}_2$ ; cette énergie permet la réduction du $\mathrm{CO}{}_2$, qui aboutit au glucose et à d'autres sucres solubles. Le bilan global s'écrit :

$$6\mathrm{CO}{}_2+6\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\stackrel{\text{eˊnergie lumineuse}}{\to }\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6+6\mathrm{O}{}_2$$

Ces sucres ne restent pas sur place : exportés par le phloème dans la sève élaborée, ils gagnent tous les organes, où des enzymes variées les transforment en cellulose et en lignine (croissance et port de la plante), en réserves (saccharose, amidon, protéines, lipides des graines, fruits et tubercules), ou en molécules d'interaction avec les autres espèces (tanins, anthocyanes). Une simple goutte d'eau iodée sur une coupe de tubercule de pomme de terre y révèle les grains d'amidon, produits lointains de l'eau absorbée dans le sol.

Bilan : l'eau joue ici trois rôles distincts — solvant et transporteur des ions, réactif oxydé par la photolyse, et, par son évaporation, moteur de sa propre ascension.

Schéma-bilan

Conclusion

Chez les Angiospermes, une chaîne continue relie l'eau du sol à la matière organique de la feuille. De vastes surfaces souterraines — poils absorbants, filaments des champignons mycorhiziens — prélèvent une eau chargée d'ions ; le xylème la conduit jusqu'au limbe, tiré par l'aspiration qu'y crée la transpiration à travers les stomates ; dans le chloroplaste des cellules chlorophylliennes, l'énergie lumineuse captée par les pigments provoque la photolyse de cette eau, libère le dioxygène et permet la réduction du $\mathrm{CO}{}_2$ en glucose, que le phloème redistribue ensuite à toute la plante. L'eau y est tour à tour transportée, transportante et transformée. Cette chaîne a son point faible : elle impose d'ouvrir les stomates pour capter le $\mathrm{CO}{}_2$, donc de perdre de l'eau. On comprend ainsi que la sécheresse limite d'abord la photosynthèse, et que les plantes des milieux arides, comme les variétés sélectionnées pour résister au manque d'eau, agissent précisément sur ce compromis.