Taux de photosynthèse

L'indicateur d'oxydoréduction et le taux de photosynthèse

Pour étudier le taux de photosynthèse, nous utilisons une substance appelée indicateur d'oxydoréduction .Si tu as déjà étudié la respiration, tu te souviendras que "redox" est l'abréviation de "oxydo-réduction", un terme généralement attribué à un type de réaction où les électrons sont à la fois perdus et gagnés. Les indicateurs d'oxydoréduction sont un type de produit chimique que tu peux ajouter à une solution.

Lorsque cette solution est réduite ou oxydée, l'indicateur d'oxydoréduction la fait soudainement changer de couleur. Les indicateurs d'oxydoréduction sont utilisés dans de nombreuses expériences de chimie et de biologie (y compris lorsque nous étudions la vitesse de la respiration). Dans cette expérience, nous pouvons utiliser un indicateur d'oxydoréduction tel que le DCPIP ou le bleu de méthylène.

Comment étudier la vitesse de la photosynthèse à l'aide d'indicateurs d'oxydoréduction ?

En général, la photosynthèse est affectée par trois facteurs principaux : l'intensité de la lumière, la concentration en dioxyde de carbone et la température.

L'équipement

• Des feuilles d'une seule plante (les feuilles d'épinard sont assez faciles à obtenir et peuvent être achetées en assez grande quantité pour une expérience).

• Un milieu d'isolement (généralement composé d'une solution tampon de phosphate, de saccharose et de chlorure de potassium). Veille à ce que ce milieu soit glacé pour ne pas endommager les chloroplastes.

• Des bains-marie aux températures suivantes : 20°C, 30°C, 40°C, 50°C.

• Des lampes LED placées à différentes distances de la plante. Cela modifiera l'intensité de la lumière.

• Petits tubes à essai.

• Pilon et mortier.

• Tissu de mousseline.

• Entonnoir.

• Bécher.

• Réfrigérateur réglé entre 0 et 4°C.

• Chronomètre.

• Pipette.

• Centrifugeuse et tubes à centrifuger.

Méthode

1. Écrase les feuilles à l'aide du pilon et du mortier avec environ 20 cm³ du milieu d'isolement .

2. Place quatre couches de mousseline dans l'entonnoir et mouille-les délicatement avec le milieu d'isolement froid. Place l'entonnoir au-dessus du bécher.

3. Filtre le mélange des feuilles écrasées et du milieu d'isolation à travers l'entonnoir.

4. Verse la solution contenue dans l'entonnoir dans les tubes à centrifuger, en veillant à ce que chaque tube contienne la même quantité de solution.

5. Centrifuge les tubes pendant environ 10 minutes à grande vitesse. Cela devrait permettre d'obtenir un petit culot d'extrait de feuille.

6. Verse le liquide supplémentaire qui entoure le culot et remets-le en suspension avec environ 2 cm³ de milieu d'isolement. C'est ta solution d'extrait de feuille.

7. Dans chaque tube à essai, ajoute 0,5 cm³ de la nouvelle solution d'extrait de feuilles. Ensuite, ajoute 5 cm³ de DCPIP ou d'indicateur bleu de méthylène dans chaque tube à essai.

8. Si tu testes l'effet de la température, place chaque tube à essai dans un bain-marie différent.

9. Si tu testes l'effet de l'intensité de la lumière, place chaque tube à essai dans une chambre noire séparée avec une seule lumière LED. Varie la distance entre la lumière LED et le tube à essai. Veille à placer un tube à essai dans une pièce entièrement obscure pour servir de contrôle.

10. Remue chaque tube à essai et note le temps nécessaire à la décoloration de la solution.

11. Note que la couleur de la solution peut passer du bleu au vert au lieu d'être incolore en raison de la présence de chlorophylle.

Mécanisme de réaction

Les réactions de la photosynthèse qui dépendent de la lumière ontlieu dans les chloroplastes de la cellule végétale, le long de la membrane thylakoïde .

Au cours de la photosynthèse, la chlorophylle va absorber des photons. Ceux-ci sont une sorte d'énergie lumineuse, qui fait passer les électrons contenus dans la chlorophylle à un niveau d'énergie plus élevé, ce qui leur permet de conserver cette énergie et de participer à d'autres réactions . Ils serontensuite captés par un accepteur d'électrons, un agent oxydant qui accepte les électrons transférés d'un autre composé, en descendant une chaîne de transport d'électrons (plus d'informations à ce sujet dans l'explication sur la photosynthèse) .

Cependant, si un indicateur d'oxydoréduction est présent, l'indicateur remplacera l'accepteur d'électrons et prendra les électrons à haute énergie à la place. Cela provoquera le changement de couleur que tu observeras dans l'expérience. Tu peux utiliser la vitesse à laquelle ce changement de couleur se produit pour mesurer le taux de photosynthèse.

La réaction indépendante de la lumière est connue sous le nom de cycle de Calvin. Le cycle de Calvin a besoin de dioxyde de carbone pour former du glucose (qui a besoin de carbone pour se former). Tout d'abord, une molécule de dioxyde de carbone est combinée avec une molécule appelée RubP. Une fois combinées, elles se divisent en deux et produisent deux molécules de 3-phosphoglycérate. L'ATP et le NADPH, tous deux produits au début de la réaction dépendante de la lumière, donnent chacun un atome d'hydrogène au 3-phosphoglycérate qui les transforme en G3P (un type de sucre). Les deux molécules de G3P produites sont capables de former le glucose nécessaire pour alimenter la plante.

Quels sont les facteurs qui influencent le taux de photosynthèse ?

La photosynthèse est affectée par un certain nombre de facteurs. Cependant, les facteurs suivants peuvent limiter le taux de photosynthèse lorsqu'ils sont en quantité insuffisante :

Lumière

Plus l'intensité de la lumière augmente, plus le taux des réactions de la photosynthèse dépendant de la lumière augmente. Par conséquent, l'augmentation de l'intensité de la lumière augmente le taux global de photosynthèse.

Eneffet, plus de photons tomberont sur la feuille, donc plus d'électrons serontphotoactivés (activés à un niveau d'énergie plus élevé par les ondes lumineuses), ce qui permet d'oxyder l'eau plus rapidement. Par conséquent, la production d'ATP et de NADPH, un type de molécule utilisé comme agent réducteur dans le cycle de Calvin, augmente, et davantage de cycles de la réaction indépendante de la lumière se produiront.

Cependant, après un certain temps, le taux de photosynthèse reste constant même si l'intensité lumineuse augmente, parce qu'un ou plusieurs des autres facteurs s'épuisent, ce qui en fait un facteur limitant.

Concentration de dioxyde de carbone

L'augmentation de la concentration de dioxyde de carbone augmente le taux de photosynthèse jusqu'à un certain point. Si plus de molécules de dioxyde de carbone sont disponibles, plus de cycles de la réaction indépendante de la lumière se produiront à un rythme plus élevé.

Cela signifie que plus de molécules de glucose sont produites, plus de NADPH et d'ATP sont utilisés, plus de RuBP (connu comme le principal accepteur de dioxyde de carbone pendant le cycle de Calvin) est produit, et le taux global de photosynthèse augmentera.

Cependant, à un certain niveau, le taux de photosynthèse sera limité par d'autres facteurs. Il se peut qu'il n'y ait pas assez d'énergie lumineuse pour produire suffisamment de NADPH et d'ATP pour alimenter davantage de cycles de la réaction indépendante de la lumière, de sorte que le taux de photosynthèse n'augmentera pas même si la concentration de dioxyde de carbone augmente. Par ailleurs, il se peut qu'il n'y ait pas assez d'énergie thermique disponible pour catalyser les réactions contrôlées par les enzymes dans la réaction indépendante de la lumière à un taux plus élevé, de sorte que le taux de photosynthèse ne pourra pas augmenter avec la concentration de dioxyde de carbone.

La température

Comme les enzymes contrôlent la photosynthèse, la température est un facteur limitant important pour le taux de photosynthèse. Le taux de photosynthèse augmente avec la température. Cependant, contrairement à la concentration de dioxyde de carbone et à l'intensité lumineuse, le taux de photosynthèse atteint un point optimal avant de décliner radicalement.

Les enzymes qui contrôlent la photosynthèse fonctionnent au mieux auxalentours de 35°C-40°C. Cependant, si la température augmente au-delà de ce point optimal, les enzymes commencent à se dénaturer. La forme du site actif de l'enzyme change et le substrat ne s'y adapte plus. Cela explique la forte diminution du taux de photosynthèse à des températures plus élevées. Si la température est inférieure à 35°C, la photosynthèse se produit à un rythme plus lent parce que les enzymes ne se déplacent pas aussi vite.Ainsi, moins de réactions peuvent se produire car il est plus difficile de trouver le substrat.