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  QUAND LA VIE FAIT DES BULLES


Les premières recherches scientifiques sur le fonctionnement des plantes commencèrent avec Joseph Priestley (1733-1804), un homme particulièrement étonnant. Ce pasteur et théologien anglais était aussi un chercheur, auteur d'ouvrages sur la grammaire, l'éducation, l'électricité, la chimie, et un défenseur des libertés. Il publia des essais politiques et dut s'exiler aux Etats Unis en raison de ses idées progressistes. Passionné par l'étude des gaz, il en identifia un très grand nombre et démontre en 1771 que les plantes produisent un gaz capable de régénérer l'air vicié par la respiration d'un animal. C'est Lavoisier qui devait appeler ce gaz "oxygène". Quatre ans plus tard, reprenant ces travaux, Jan Ingenhousz (1730-1799), médecin hollandais, montre que le dégagement d'oxygène ne se produit qu'à la lumière. Pendant la nuit, les plantes rejettent un gaz dans lequel la combustion d'une bougie est impossible.

Toutefois, l'existence d'une respiration chez les végétaux ne fut pas comprise tout de suite et ce furent les premières expériences quantitatives sur les échanges gazeux des plantes réalisées par un suisse, Horace Bénédict de Saussure (1740-1799), par ailleurs géologue et pionnier de l'alpinisme (il escalada le premier le Mont Blanc en 1787) qui devaient permettre d'arriver à cette conclusion. Un autre suisse, Jean Sénebier (1742-1809), montra à la même époque que les plantes absorbent du gaz carbonique et il affirma, à tort, que celui-ci est décomposé en oxygène sous l'effet de la lumière.

Le fils de H.B. de Saussure, Nicolas Théodore (1764-1845), accompagnait souvent son père dans ses travaux et ses voyages et il attrapa aussi le virus de la recherche. Diverses théories sur la nutrition des plantes avaient cours : depuis une mystérieuse transmutation de l'eau en minéraux jusqu'à une théorie de l'humus décrétant que les plantes prélèvent dans le sol des aliments organiques, elles brillaient surtout par leur absence de fondement expérimental. Au contraire, de Saussure démontra expérimentalement que les plantes absorbent en même temps l'eau du sol et les minéraux qui y sont dissous et il confirma ses conclusions en réalisant des cultures sur un milieu minéral artificiel préfigurant les cultures hydroponiques (sur milieu liquide) actuelles. Il démontra également que les plantes assimilent le carbone du gaz carbonique, c'est à dire l'utilisent pour élaborer leur propre substance, mais se trompa, comme Sénebier, en croyant que l'oxygène dégagé provient de ce gaz. Il remarqua que l'eau est indispensable au déroulement de ce phénomène mais il faudra les techniques sophistiquées du XXème siècle pour montrer que l'oxygène dégagé provient en réalité de la décomposition des molécules d'eau.

A la fin du XVIIIème siècle, les recherches sur la physiologie des plantes ont simplement dégrossi le terrain : il est alors admis que les plantes respirent comme les animaux mais qu'elles ont, en plus, la capacité d'élaborer des matières organiques à partir de matières minérales lorsqu'elles sont placées à la lumière. Cette propriété, l'autotrophie, leur permet de vivre sans avoir à se nourrir de matériaux organiques issus d'autres êtres vivants. En somme, tous les autres êtres vivants (appelés maintenant hétérotrophes) en dépendent non seulement pour leur alimentation, directement (animaux mangeurs de plantes) ou indirectement (carnivores) mais aussi pour leur approvisionnement en oxygène puisqu'il est alors prouvé que seules les plantes rejettent de l'oxygène dans l'atmosphère. Pourtant, l'essentiel reste à faire pour comprendre les mécanismes en cause.

En 1837, Dutrochet, rendu célèbre pour ses travaux sur la diffusion, découvre que le pigment vert des feuilles, la chlorophylle, est indispensable au phénomène. Un pas décisif dans la compréhension des principes sous-jacents au fonctionnement des êtres vivants est fait ensuite par un physicien et médecin allemand, père de la thermodynamique J.R. von Mayer. Après avoir démontré l'équivalence entre énergie thermique et énergie mécanique, il applique ses idées aux plantes et affirme : "Les plantes prennent une force, la lumière, et engendrent une force, l'énergie chimique". Il avait raison : comme pour les autres formes d'énergie, il y a équivalence entre l'énergie chimique et l'énergie lumineuse. Cette formidable propriété de réaliser et d'utiliser à son profit des conversions énergétiques est une des principales caractéristiques qui définissent la vie.

En 1862, Julius van Sachs, sans doute le plus grand physiologiste végétal de son temps, prouve que l'assimilation chlorophyllienne se déroule dans des organites microscopiques des cellules végétales, les chloroplastes, où se trouve concentrée la chlorophylle et où se produit une synthèse d'amidon à la lumière. En 1898, pour rendre compte de l'ensemble de ces caractéristiques, Barnes invente le terme de photosynthèse. H. Fischer établit la structure chimique de la chlorophylle et R.Willstaëter la cristallise en 1906. Ces avancées scientifiques doivent beaucoup au développement des nouvelles techniques d'analyse comme la chromatographie qui valut à Willstaëter le prix Nobel de chimie en 1915. Cependant, c'est la deuxième moitié du XXème siècle qui devait apporter les explications au niveau moléculaire, en partie en raison du formidable développement des techniques d'analyse, de purification et de marquage isotopique, en partie, comme toujours, en raison de la curiosité inlassable et des talents des chercheurs. Mais ceci est une autre histoire.



EXPERIENCE

MESURER L'EFFET DE L'INTENSITE LUMINEUSE SUR LA PRODUCTION D'OXYGENE D'UNE PLANTE

Matériel

Un rameau de plante aquatique : Elodée, Myriophylle etc. (en vente dans les magasins d'aquariophilie), un grand verre, un spot halogène 20 W, du "Perrier", une lame de rasoir, une montre avec trotteuse, une règle.

Comment procéder ?

Couper un rameau de la plante (10 de cm de long) avec une lame de rasoir. Remplir à moitié le verre avec de l'eau du robinet et compléter avec du "Perrier". Plonger le rameau dans l'eau, la section étant dirigée vers le haut. Placer la lampe au bout d'une table et mettre une règle le long de la table pour mesurer la distance entre le spot et le flacon. Faire la pénombre dans la pièce à l'exception du spot.
Placer le flacon contenant la plante devant la lampe halogène à environ 15 cm. Dans les instants qui suivent, on voit apparaître, au niveau de la section, des bulles qui se succèdent rapidement :

MONTAGE         DETAIL 

Le débit d'oxygène reflète l'intensité de la photosynthèse selon l'équation globale suivante :

             nCO2 + nH2O ------------> (CH2O)n + nO2

gaz carbonique + eau --------------> matière organique + oxygène gazeux

On peut donc la mesurer en comptant le débit des bulles pour différentes intensités lumineuses.

Précautions

Utiliser des plantes fraîches. La section de la tige doit être faite proprement, avec une lame de rasoir, pour permettre un débit régulier des bulles. Si les bulles sont trop petites et trop nombreuses pour être comptées, refaire une section. Si elles sont trop peu nombreuses ajouter un peu de Perrier, agiter et refaire une section. Ne pas laisser longtemps le flacon prés de la lampe pour éviter l'échauffement qui fausserait les mesures. Attendre toujours 5 minutes entre deux mesures et agiter le flacon par des mouvements de rotation une demi minute avant la mesure. La plante doit être toujours dans la même position par rapport à la lumière : tester l'effet d'un quart de tour du flacon sur le débit des bulles.

NB Pour réaliser le graphique, il faut calculer l'intensité lumineuse. Elle est inversement proportionnelle au carré de la distance de la source lumineuse.

Exemple de résultats.


Distance de la lampe (d : m) Intensité lumineuse (1/d²) Intensité de photosynthèse (bulles/min)
0.80 1.56 4
0.70 2.05 10
0.60 2.77 16
0.50 4.00 28
0.40 6.25 40
0.30 11.11 54
0.20 25.00 62
0.15 44.44 78
0.10 100.00 80

Voir le graphique

On constate que l'intensité de photosynthèse, initialement faible pour de faibles éclairements, augmente ensuite rapidement, proportionnellement à l'intensité lumineuse : la photosynthèse dépend directement de l'énergie lumineuse reçue car elle correspond à sa conversion en énergie chimique. Toutefois, lorsque l'intensité lumineuse passe de 44 à 100, l'intensité de photosynthèse n'augmente plus, soit en raison du dépassement des capacités de conversion énergétique, soit par manque de matière première (CO2).


Amusez-vous bien !

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