Sujet 2023 2 - Spécialité SVT - Corrigé

Sujet bac : annale 21 mars 2023

EXERCICE 1 : Molécules organiques et germination des graines

La production de matière organique par les feuilles

• La photosynthèse, une réaction de production de matière organique

Les végétaux chlorophylliens ont la capacité de produire leur propre matière organique à partir de matière minérale. C’est ce qu’on appelle la photosynthèse. Celle-ci n’est possible que grâce à la présence d’un pigment vert, la chlorophylle, et l’énergie solaire captée par ce pigment. Une chromatographie de feuilles vertes montre en effet la présence la présence de plusieurs pigments dont la chlorophylle, contrairement à celle d’organes non chlorophylliens comme une racine.

Chez les plantes chlorophylliennes, la feuille est l’organe principal de la photosynthèse. À l’intérieur des cellules de la feuille, des organites appelés chloroplastes sont le siège des réactions liées à la photosynthèse. La feuille prélève ainsi du dioxyde de carbone $\text{CO}_2$ qui vient de l’atmosphère, et de l’eau venant notamment des racines. Grâce à l’énergie solaire, elle produit de la matière organique sous forme de glucose ainsi que du dioxygène $\text{O}_2$ qui est libéré. La réaction se présente ainsi :

• La circulation de matière dans la plante et sa contribution à la photosynthèse et à la distribution de ses produits

Nous venons de le voir, différentes molécules sont nécessaires à la photosynthèse. Une fois celle-ci réalisée, les produits obtenus, dont bien sûr la matière organique sous forme de sucres, devront être distribués pour profiter à l’ensemble de la plante. Cela est possible par la présence d’un système de circulation dans la plante.

Tout d’abord, le $\text{CO}_2$ nécessaire à la photosynthèse est apporté via de petits orifices situés principalement sur la face inférieure des feuilles : les stomates. Ceux-ci ont une ouverture variable appelée ostiole, qui s’adapte à la période de la journée et au risque de déshydratation.

L’eau provient principalement des racines qui, grâce à leurs poils absorbants, récupèrent l’eau du sol. Une association symbiotique avec des filaments de champignons, appelée mycorhize, facilite aussi ce prélèvement. Ainsi, la photosynthèse nécessite des molécules provenant de différents endroits de la plante.

Une première sève, la sève brute riche en eau et en minéraux circule dans des faisceaux conducteurs qu’on appelle des vaisseaux de xylème. Cette circulation est surtout ascendante et irrigue les feuilles pour la réalisation de la photosynthèse.
A l’inverse, la matière organique produite aura surtout une circulation descendante, sous forme de sucres solubles comme le glucose. Elle alimentera l’ensemble des organes de la plante qui en ont besoin, comme la graine, ou la fleur. Cette sève riche en matière organique est appelée sève élaborée et circule dans les vaisseaux du phloème.

C’est ainsi qu’une partie de cette matière organique va dans les graines en cours de formation. Cette matière pourra ainsi être stockée lorsque la graine sera dispersée et que les conditions permettront la germination. C’est de ce stockage dont nous allons parler dans la deuxième partie.

 Le stockage de matière organique dans la graine

Comme nous l’avons vu dans la partie précédente, la matière organique fraîchement produite circule dans la sève élaborée via les vaisseaux du phloème, et est distribuée dans les différents organes de la fleur que peuvent être les racines, les fleurs, les tiges, les bourgeons et donc aussi les graines en formation. L’utilisation d’une même matière organique pour des fonctions différentes selon les organes est permise par un équipement enzymatique varié dans les différentes cellules de la plante.
Une graine est issue de la fécondation d’un ovule par un grain de pollen. Dans la graine, cette matière organique doit être stockée pour une utilisation différée, lorsque la graine sera dispersée et qu’elle pourra germer dans des conditions favorables. La forme la plus répandue de stockage de la matière organique dans les graines est l’amidon. Ce polymère de glucose est synthétisé à partir d’unités de glucose grâce à une enzyme spécialisée. Cet amidon peut par exemple être stocké dans les cotylédons d’une graine de haricot. L’ouverture de cette graine au scalpel permet d’ailleurs de mettre facilement en évidence ces réserves par l’utilisation d’eau iodée, dont les gouttes prendront une couleur bleu nuit au contact de l’intérieur de la graine, signe de sa richesse en amidon.

L’amidon n’est pas la seule forme de réserve de matière organique que peut contenir une graine. L’écrasement d’une noix sur du papier montre une tâche graisseuse, signe que dans cette graine, les réserves organiques prennent la forme de lipides.
Une fois bien à l’abri dans la graine, les réserves de matière organique attendront la dispersion de la graine et des conditions favorables pour être mobilisées dans le début du développement de la plante, en attendant que les premières feuilles puissent prendre le relai avec la photosynthèse.

 L’utilisation des réserves de matière organique : le processus de germination

Une graine contient tous les éléments nécessaires à la formation d’une nouvelle plante. On peut y trouver l’embryon (appelé aussi plantule) contenant les premières feuilles, la future racine, la future tige, et le cotylédon, tissu de réserve dont nous avons parlé.
Dès que les conditions de température et d’humidité sont favorables, la graine va pouvoir germer, ce qui va bien sûr nécessiter beaucoup d’énergie. Les futures feuilles ne sont évidemment pas encore en capacité de réaliser la photosynthèse étant à l’intérieur de la graine. La principale source de matière organique et d’énergie est donc les réserves d’amidon. Une enzyme à l’action inverse de celle qui permet la synthèse de ce polymère de glucose, va dégrader petit à petit cette macromolécule pour mettre à disposition de l’embryon des unités de glucose.
Une coloration à l’eau iodée (dont on rappelle qu’elle se colore en bleu nuit en présence d’amidon) de graines de haricot à différents stades de germination montre une coloration de plus en plus ténue confirmant l’utilisation progressive des réserves d’amidon.
Ces unités de glucose pourront servir à la production d’autres molécules ou être utilisées par les mitochondries des cellules de l’embryon. Ces organites utilisent en effet ce glucose afin de produire de l’énergie sous la forme d’une molécule appelée $\text{ATP}$. Le mécanisme qui le permet est la respiration cellulaire et nécessite du dioxygène tout en s’accompagnant de la production de $\text{CO}_2$ :

Pour être plus précis, cette production se fait en deux temps :

• Oxydation du glucose par la réaction de glycolyse en pyruvate ;
• Oxydation du pyruvate dans la mitochondrie donnant naissance à des molécules réduites, dont la réoxydation par la chaîne respiratoire de la mitochondrie permet une réduction du dioxygène en eau ainsi que des mouvements d’électrons qui participent à la formation d’$\text{ATP}$.

Les réserves de la graine, issues de la photosynthèse de la plante mère et stockées dans la graine, servent donc à la fois de matière première aux molécules organiques de la plantule (comme la cellulose pour la paroi des cellule) et aussi de carburant nécessaire à la production d’énergie sous forme d’$\text{ATP}$, énergie nécessaire à toutes les réactions impliquées dans la germination.

EXERCICE 2 : Étude d’une modification climatique dans la région du lac Salinas au Pérou

Étude des sédiments du lac Salinas

Le document 1 nous présente une carotte de sédiments issus du lac Salinas qui descend jusqu’à environ $5\ \text{m}$. Trois échantillons sont analysés, $\text{A}$, $\text{B}$ et $\text{C}$ prélevés à $50\ \text{cm}$, $200\ \text{cm}$ et $440\ \text{cm}$. Les trois sont prélevés dans la tourbe, une matière organique fossile qui se forme en milieu humide et qui contient des restes de végétaux, ce qui donne la possibilité d’y trouver par exemple du pollen, pour aider à identifier le climat de la période.
Nous pouvons aussi rappeler que l’échantillon $\text{A}$ est le plus récent et $\text{C}$ le plus ancien puisque le principe de superposition utilisé en datation relative nous indique que les sédiments se déposant par le haut, ceux qui recouvrent d’autres, sont plus récents.

Entre les échantillons $\text{A}$ et $\text{B}$ on peut identifier des téphras et des cristaux de sel. Les téphras sont des ensembles de matières solides et liquides éjectés lors d’une éruption volcanique, comme les cendres. Les cristaux de sel suggèrent quant à eux un mécanisme d’évaporation, donc un climat plutôt chaud. Les téphras sont à nouveau présents entre les échantillons $\text{B}$ et $\text{C}$
Le premier élément ainsi apporté par l’étude des sédiments du lac Salinas est l’existence d’une ou de plusieurs éruptions volcaniques qu’il reste à dater. Les conséquences d’une éruption volcanique sont connues. Selon leur importance, elles peuvent dégager de grandes quantités de gaz comme le $\text{CO}_2$ , dont on sait qu’il augmente le processus d’effet de serre en captant davantage de rayonnement infrarouge du soleil. Un premier indice en faveur d’une variation climatique serait donc un réchauffement climatique provoqué par une éruption volcanique.
Attention cependant, une éruption, si elle est très importante, peut aussi provoquer plus tard un refroidissement par une accumulation de poussières, de particules dans l’atmosphère, accumulation qui obscurcirait le ciel et empêcherait une partie des rayons solaires de réchauffer le sol. Cependant, la présence de cristaux de sel, signe d’une intense évaporation, tend à écarter cette possibilité.

Le document 2 peut nous permettre d’apporter des précisions sur la date des évènements décrits plus haut. En effet, il présente une méthode de datation des échantillons $\text{A}$, $\text{B}$ et $\text{C}$ La méthode de datation absolue présentée est celle du carbone $14$. Tant qu’un organisme est vivant, il échange par sa respiration du $^{14}\text{C}$ et du $^{12}\text{C}$ qui sont deux isotopes du carbone. Ainsi, le rapport $^{14}\text{C}/^{12}\text{C}$ est constant dans un organisme. Mais à la mort de l’organisme, cet échange cesse et le $^{14}\text{C}$ étant un isotope radioactif, il se désintègre. Sa quantité diminue donc dans l’organisme, et le rapport $^{14}\text{C}/^{12}\text{C}$ décroît ainsi avec le temps depuis la fermeture du système, à savoir la mort de l’organisme.

De plus, le temps de désintégration est connu. Ce temps désigne la durée nécessaire pour qu’un élément radioactif se désintègre en un élément appelé fils. Pour caractériser ce temps de désintégration, on utilise souvent ce qu’on appelle la demi-vie, c’est à dire le temps au bout duquel la moitié du $^{14}\text{C}$ s’est désintégré. Pour le $^{14}\text{C}$, cette demi-vie est de $5\,730 \text{ans}$. Cet élément est donc propice à la datation de la période étudiée (15 000 ans) et permet de calculer l’âge de la mort des organismes des échantillons $\text{A}$, $\text{B}$ et $\text{C}$.
En utilisant le graphique fourni, on arrive aux âges suivants :

Les éruptions volcaniques ayant eu lieu respectivement entre les échantillons $\text{C}$ et $\text{B}$, et $\text{B}$ et $\text{A}$, on peut dire qu’elles ont eu lieu pour la première entre 14 800 ans et 9 600 ans, et pour la plus récente entre 9 600 ans et 200 ans. Le scénario d’un réchauffement qu’indiquait la présence de cristaux de sel, et provoqué par ces éruptions, semble bien s’être déroulé au cours des derniers 15 000 ans.
D’autres arguments nous manquent cependant afin d’avoir une hypothèse plus robuste sur la variation climatique proposée, à savoir un réchauffement. L’identification d’espèces pourrait par exemple les apporter. C’est ce que nous allons étudier dans la deuxième partie.

Contenu fossilifère des sédiments du lac Salinas

Plusieurs documents nous sont proposés contenant des relevés de pollens ou encore d’algues. Avant d’aller plus loin, il est nécessaire de rappeler que toute interprétation n’est possible que si l’on applique le principe d’actualisme. Ce principe stipule que si des organismes anciens sont proches d’organismes actuels, alors il est possible de leur attribuer le même milieu de vie, les mêmes besoins.
La première analyse, donnée dans le document 3, est un diagramme pollinique réalisé à partir d’échantillons issus des tourbes des carottes du lac Salinas. Un diagramme pollinique est une représentation graphique de la fréquence des pollens trouvés dans un échantillon. Le principe d’actualisme permet ensuite de faire un lien entre le type de pollen trouvé, sa plante d’origine et donc le type de climat lié à cette plante.
Grâce aux profondeurs indiquées et celles connues des échantillons $\text{A}$, $\text{B}$ et $\text{C}$, on peut ainsi dire que :

• L’échantillon $\text{A}$ contient environ $55\,%$ d’Astéracées, $20\,%$ de Poacées et $5\,%$ d’Alnus ; *L’échantillon $\text{B}$ contient environ $25\,$ d’Astéracées, $40\,%$ de Poacées et $2\,%$ d’Alnus ;
• L’échantillon $\text{C}$ contient environ $75\,$ d’Astéracées, $15\,%$ de Poacées et $20\,%$ de Cypéracées.

Le document 5 apporte des données écologiques sur les différents groupes de végétaux identifiés. Ainsi :

• l’association Astéracées - Poacées des échantillons $\text{A}$ et $\text{B}$ est caractéristique des steppes, un milieu plus ou moins sec ;
• l’association Astéracées - Poacées associée à des Cypéracées de l’échantillon $\text{C}$ est lui représentative d’un milieu plus humide.

L’échantillon $\text{C}$ étant le plus ancien, on peut donc identifier une aridification progressive du climat avec disparition d’espèces comme les cypéracées caractéristiques des milieux humide.

Les documents 4 et 5b quant à eux présentent les diatomées présentes dans les mêmes sédiments, et la salinité des eaux dans lesquelles elles vivent. Les diatomées sont des algues unicellulaires qui peuvent vivre dans des milieux très variés.
Avec les profondeurs indiquées, on peut dire que :

• L’échantillon $\text{C}$ contient beaucoup de Nitzschia perminuta, Cymbella alpina, Naviculla cfr. disjuncta, caractéristiques d’une salinité de l’eau faible à moyenne.
• L’échantillon $\text{B}$ contient des Rhopalodia acuminata, Nitzschia perminuta, Navicula bryophila et Cymbella alpina et norvegica, indices d’une salinité de l’eau pouvant être de faible à forte, et beaucoup de Navicula gallica, indice d’une salinité de l’eau faible ;
• L’échantillon $\text{A}$ contient beaucoup de Rhopalodia acuminata et Denticula sp., caractéristiques d’une salinité de l’eau élevée ;

Une fois encore se dessine une évolution qui tend à une élévation de la salinité de l’eau au fil du temps provoquée par une aridification. Cette hypothèse est cohérente avec l’observation de cristaux de sels commentée en première partie, dont la formation est provoquée par une évaporation importante de l’eau. La concentration en sels augmente ainsi dans l’eau restante, modifiant les conditions de vie des organismes dont certains sont plus adaptés que d’autres à ces salinités.