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Fiche explicative de la leçon : Absorption des minéraux Biologie

Dans cette fiche explicative, nous allons donner des exemples de micronutriments et de macronutriments nécessaires aux plantes et expliquer comment les plantes absorbent ces nutriments essentiels dans l’environnement.

Tous les organismes vivants ont besoin de se nourrir, principalement pour rester en vie!Sans nutriments essentiels, les processus vitaux tels que la respiration, la croissance et la réparation des tissus endommagés n’auront pas lieu. Contrairement aux humains, les plantes n’ont pas de système digestif complexe pour décomposer leur nourriture et fournir à leurs cellules les nutriments nécessaires. Les végétaux ont besoin d’obtenir une partie de leur nutrition sous forme de minéraux, des substances inorganiques qui ne peuvent pas être synthétisées par une plante et qui doivent donc être absorbées. Les plantes obtiennent les minéraux essentiels dans le sol, généralement par absorption dans leurs racines hautement spécialisées.

Définition : Nutriments

Les nutriments sont des substances dont un organisme a besoin pour puiser de l’énergie, synthétiser des matériaux et contrôler les processus biologiques.

Définition : Minéral

Un minéral est un nutriment inorganique qui ne peut être synthétisé par un organisme et doit donc être ingéré ou absorbé.

Les molécules biologiques dans les cellules de tous les êtres vivants sur Terre sont constituées en grande partie de trois éléments clés:le carbone, l’hydrogène et l’oxygène. Cependant, d’autres éléments et minéraux sont également essentiels pour un organisme en bonne santé, et ceux-ci peuvent différer selon les espèces. Chez les plantes, les minéraux essentiels nécessaires sont divisés en deux groupes principaux:les macronutriments et les micronutriments. Le tableau 1 donne quelques exemples de minéraux classés en macronutriments ou en micronutriments.

Tableau 1: Tableau résumant les minéraux nécessaires aux plantes et classés en macronutriments et micronutriments.

MacronutrimentMicronutriment
Carbone
Hydrogène
Oxygène
Azote
Phosphore
Potassium
Calcium
Magnésium
Soufre
Fer
Manganèse
Zinc
Bore
Chlorure
Cuivre
Molybdène

Les macronutriments sont les minéraux qui sont nécessaires en quantités relativement importantes. Le préfixe macro- signifie en réalité « grand » ou « long ». Par exemple, l’azote est un composant clé des acides aminés qui se lient pour former des protéines. Les protéines sont l’une des quatre principales macromolécules biologiques chez les organismes vivants;par conséquent, l’azote doit être abondant. Une plante en manque d’azote est susceptible d’avoir des feuilles qui jaunissent et risque donc de mourir. Comme mentionné, le carbone, l’hydrogène et l’oxygène sont des composants clés de presque tous les composés organiques dans les plantes, donc une carence en ces éléments entraînera une mauvaise croissance, un flétrissement de la plante et potentiellement sa mort. Le carbone à lui seul constitue environ 45% de la masse sèche d’une plante typique!Le magnésium est un composant de la chlorophylle, le pigment vert des plantes qui absorbe la lumière du soleil pour fournir l’énergie lumineuse nécessaire à la photosynthèse. Sans assez de magnésium, les feuilles de la plante deviendront jaunes et la photosynthèse n’aura pas lieu. Chez les plantes à fleurs, une carence en nutriments peut également empêcher la croissance des fleurs.

Les micronutriments sont les éléments nécessaires en quantités beaucoup plus petites (pas plus de quelques milligrammes par litre) et peuvent être appelés « oligo-éléments ». La plupart des micronutriments agissent comme des « cofacteurs » dans les réactions enzymatiques. Un cofacteur est un composant non protéique d’une enzyme qui aide celle-ci à catalyser une réaction spécifique. Par exemple, le fer est un cofacteur pour les protéines impliquées dans des processus métaboliques importants tels que la respiration cellulaire et la photosynthèse.

Définition : Cofacteur

Un cofacteur est une molécule ou un ion non protéique nécessaire au bon fonctionnement d’une enzyme.

Exemple 1: Comparer les macronutriments et les micronutriments

Les nutriments nécessaires aux plantes peuvent être divisés en deux groupes:les macronutriments et les micronutriments. Quel énoncé parmi les suivants explique le mieux la différence entre les deux?

  1. Les micronutriments sont rarement présents dans le sol et sont plus difficiles à obtenir pour les plantes que les macronutriments.
  2. La plante a besoin de macronutriments en grande quantité, tandis que les micronutriments ne sont nécessaires qu’en très petites quantités.
  3. Les macronutriments sont de grandes molécules par rapport aux micronutriments, qui sont des molécules beaucoup plus petites.
  4. Les macronutriments mettent plus de temps à se décomposer dans une plante que les micronutriments.

Réponse

Tous les organismes vivants ont besoin de nutriments pour rester en vie, fonctionner et être en bonne santé. Un nutriment est une substance dont un organisme a besoin pour survivre, se développer et se reproduire. Les humains obtiennent des nutriments à partir de la nourriture qu’ils consomment et digèrent, mais les plantes doivent absorber la majorité de leurs nutriments dans le sol.

Les deux grandes classes de nutriments dont les plantes ont besoin peuvent être divisées en macronutriments et en micronutriments. Les macronutriments comprennent des éléments tels que le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, le potassium, le phosphore et le magnésium. Ce sont les nutriments dont la plante a besoin en quantités relativement importantes. Par exemple, toutes les molécules biologiques majeures sont principalement composées de carbone, d’hydrogène et d’oxygène dans des rapports différents, donc une plante devra absorber une quantité considérable de ces éléments. Les micronutriments comprennent des éléments comme le fer, le zinc et le chlore. Les micronutriments sont principalement utilisés comme cofacteurs dans les réactions à contrôle enzymatique. Ils ne sont pas nécessaires en si grandes quantités, et les plantes n’ont généralement besoin d’absorber que de petites quantités de ces nutriments dans le sol.

Par conséquent, la différence entre les macronutriments et les micronutriments est que les plantes ont besoin de macronutriments en grandes quantités, alors que les micronutriments ne sont nécessaires qu’en très petites quantités.

Certains de ces nutriments sont présents sous forme d’ions dans le sol. Les ions sont des atomes ou groupes d’atomes chargés électriquement, qui forment une molécule chargée. Des ions chargés positivement, tels que K+, Ca2+ et Mg2+ sont appelés cations. Les ions négatifs, tels que SO42, NO3, Cl et HPO42 sont appelés anions.

Terme clé : Ions

Les ions sont des atomes ou groupes d’atomes chargés électriquement, qui forment une molécule chargée. Les ions qui ont une charge positive sont appelés cations et ceux qui ont une charge négative sont appelés anions.

Si la concentration d’ions dans le sol environnant est supérieure à la concentration d’ions dans les racines de la plante, les ions entreront dans les racines par un processus appelé diffusion. La diffusion est le mouvement de particules d’une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration. C’est un processus passif, ce qui signifie qu’il ne nécessite pas d’énergie. La figure 1 montre comment les ions se déplacent par diffusion du sol vers les poils absorbants (racinaires).

Figure 1 : Schéma montrant le mouvement des ions calcium du sol au poil absorbant (racinaire). Ces ions se déplacent par diffusion selon un gradient de forte concentration d’ions à une concentration faible.

Définition : Diffusion

La diffusion est le mouvement de molécules d’une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration.

Exemple 2: Rappeler comment les ions entrent dans les racines des plantes quand les concentrations sont élevées dans le sol

S’il y a une forte concentration d’ions potassium dans le sol, ceux-ci se déplacent vers une zone de faible concentration dans les racines. Quel terme est donné à ce processus?

  1. la diffusion
  2. la synthèse
  3. l’osmose
  4. la digestion
  5. le transport actif

Réponse

Tout comme les humains, les plantes ont besoin d’obtenir une certaine quantité de nutriments différents pour rester en vie et en bonne santé. Le potassium est un nutriment essentiel pour les plantes, car il joue un rôle important dans les processus biologiques tels que la synthèse des protéines et la photosynthèse.

Lorsque des particules ou des molécules sont présentes en grandes concentrations dans une zone particulière, elles ont tendance à « se répandre » et à se déplacer dans des zones où la concentration de ces particules ou molécules est plus faible. Cette tendance est illustrée par le schéma ci-dessous.

Au bout d’un moment, la concentration des molécules sera équilibrée de part et d’autre, comme indiqué sur le schéma suivant.

Ce processus est connu sous le nom de diffusion. La diffusion est un processus passif, ce qui signifie qu’il n’exige pas d’énergie;c’est le mouvement de particules d’une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration. Dans la question, on nous dit que le potassium se trouve en forte concentration dans le sol. Ainsi, il se déplacera par diffusion dans les racines où il se trouve en concentration plus faible.

Par conséquent, la réponse correcte est A:diffusion.

La paroi des poils absorbants (racinaires) est relativement mince pour permettre le mouvement des ions et de l’eau. Cependant, certains ions ne peuvent pas pénétrer jusqu’au cytoplasme cellulaire et la vacuole. Sous la paroi cellulaire se trouve une membrane cellulaire. La membrane cellulaire est semi-perméable, ce qui signifie qu’elle permet à certains ions de traverser mais qu’elle empêche d’autres de le faire.

Terme clé : Semi-perméable

Une structure est semi-perméable si elle laisse passer certaines molécules ou substances, mais pas d’autres.

Les membranes des poils absorbants (racinaires) ont également une perméabilité sélective. Alors que les membranes semi-perméables ont tendance à laisser passer ou pas les substances en fonction de la taille ou de la charge de la molécule, une membrane à perméabilité sélective peut sélectionner les substances à laisser entrer dans la cellule en fonction des besoins actuels de la cellule.

Terme clé : Perméabilité sélective

Une membrane a une perméabilité sélective si elle peut réguler les substances qui la traversent.

Si la concentration d’un certain ion est plus élevée à l’intérieur de la cellule que dans le sol environnant, il ne pourra pas diffuser dans le poil absorbant (racinaire). Cependant, si la plante a besoin de quantités plus importantes de cet ion, il peut être déplacé dans la cellule par transport actif.

Définition : Transport actif

Le transport actif est un processus qui nécessite de l’énergie, par lequel des particules traversent une membrane plasmique d’une zone de faible concentration à une zone de forte concentration.

Le transport actif, comme son nom l’indique, est un processus actif, ce qui signifie qu’il nécessite de l’énergie. En revanche, la diffusion est un processus passif, car il ne nécessite pas d’énergie pour se produire. L’énergie pour le transport actif est fournie sous la forme d’ATP, une molécule porteuse d’énergie qui se trouve dans toutes les cellules vivantes.

Analysons quelques données expérimentales qui permettent de démontrer le transport actif de minéraux.

Le genre Nitella est composé de plusieurs espèces d’algues vertes vivant dans l’eau. Les algues ont également besoin de minéraux essentiels, qui sont divisés en deux groupes principaux:les macronutriments et les micronutriments. Sur la figure 2, nous pouvons voir que les concentrations de chlore, de potassium, de magnésium, de calcium et de sodium sont plus élevées dans les cellules de Nitella, par rapport à l’eau environnante.

Figure 2 : Graphique comparant la concentration de différents ions dans l’eau qui entoure les cellules de l’algue Nitella. Toutes les concentrations sont plus faibles dans l’eau que dans les cellules de l’algue.

Cependant, nous savons que ces ions sont essentiels à la santé et à la fonction de l’algue. Le potassium, le magnésium et le calcium sont tous des macronutriments, ils doivent donc être absorbés par l’algue en quantités relativement importantes. Comme ils sont en faibles concentrations dans l’eau environnante, il n’est pas possible pour les ions de diffuser dans les cellules d’algues - rappelez-vous, la diffusion est le mouvement de substances d’une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration. À la place, ces ions doivent être transportés activement dans les cellules pour maintenir le bon fonctionnement des algues. La figure 3 fournit un schéma simple décrivant le fonctionnement du processus.

Figure 3 : Schéma simplifié montrant comment les ions peuvent être transportés activement dans l’algue Nitella. Les points jaunes représentent les ions chlorure absorbés par les cellules grâce à l’ATP.

Nous pouvons également voir que les ions sont absorbés sélectivement. Cela signifie que la plante absorbe certains ions plus que d’autres, en fonction de ses besoins nutritionnels. Sur le graphique de la figure 2, par exemple, les algues Nitella absorbent une quantité plus élevée d’ions chlorure que d’ions sodium.

Exemple 3: Comprendre le déplacement des ions selon leurs gradients de concentration

Le graphique montre une comparaison entre les cellules de l’algue Nitella et l’eau environnante. Par quel processus Nitella pourrait-elle obtenir plus de calcium (Ca2+) de l’eau environnante?

  1. la diffusion
  2. la synthèse
  3. l’osmose
  4. la digestion
  5. le transport actif

Réponse

Les plantes et les algues doivent obtenir un grand nombre de nutriments nécessaires en les absorbant dans leur environnement. Les plantes terrestres absorbent les nutriments dans le sol par leurs racines, tandis que les algues vivant dans les milieux aquatiques absorbent les nutriments dans l’eau environnante.

Les éléments et minéraux peuvent être absorbés par les plantes et les algues de deux manières différentes. La diffusion est le mouvement de substances selon leur gradient de concentration, d’une zone où elles sont en concentration relativement élevée à une zone où elles sont en concentration faible. La diffusion est un processus passif, ce qui signifie qu’il n’a pas besoin d’énergie pour se produire. La diffusion des molécules d’eau à travers une membrane semi-perméable est appelée osmose. En revanche, le transport actif est le mouvement des substances contre leur gradient de concentration. Cela signifie que les substances passeront d’une zone de faible concentration à une zone de forte concentration. Le transport actif, comme son nom l’indique, est un processus « actif » et nécessite un apport d’énergie.

Sur le graphique, nous pouvons voir que les ions calcium sont en concentration beaucoup plus élevée dans les cellules de l’algue Nitella que dans l’eau environnante. Cependant, les algues peuvent avoir besoin de plus d’ions calcium pour mener à bien les processus vitaux. Pour obtenir plus d’ions calcium, la plante doit les déplacer contre leur gradient de concentration. Comme nous venons de le voir, le moyen d’y arriver est d’utiliser le transport actif.

Par conséquent, le processus que Nitella pourrait utiliser pour obtenir plus de calcium (Ca2+) dans l’eau environnante est l’option E, le transport actif.

Résumons les points clés de cette fiche explicative.

Points clés

  • Tous les êtres vivants, y compris les plantes, ont besoin de nutriments pour être en bonne santé, fonctionner et vivre.
  • Les plantes qui n’obtiennent pas suffisamment de nutriments peuvent subir un retard de croissance et une décoloration des feuilles, se flétrir et potentiellement mourir.
  • Les macronutriments sont des nutriments essentiels dont les plantes ont besoin en quantités relativement importantes, tandis que les micronutriments sont ceux qui ne sont nécessaires qu’en petites quantités.
  • Les plantes et les algues peuvent absorber les nutriments dans leur environnement par diffusion ou transport actif.

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