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Fiche explicative de la leçon : Respiration chez les plantes Biologie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire le processus de la respiration chez une plante, et à discuter la relation entre la respiration et la photosynthèse.

Nous savons que les plantes sont capables de synthétiser leur propre nourriture. Grâce à la photosynthèse, en présence de lumière solaire, les plantes vertes transforment le dioxyde de carbone et l’eau en glucose et en oxygène. Les plantes utilisent le glucose pour obtenir l’énergie dont elles ont besoin pour survivre, mais comment cette énergie est-elle obtenue à partir des molécules de glucose?Chez les plantes, comme chez les animaux, la libération de l’énergie des macromolécules des aliments s’effectue par le processus de respiration.

Définition : Photosynthèse

La photosynthèse est le processus par lequel, en présence de lumière solaire, les plantes vertes convertissent le dioxyde de carbone et l’eau en sucres comme le glucose et en oxygène.

La respiration cellulaire est le processus par lequel les molécules contenant du carbone, par exemple le glucose, sont dégradées dans les cellules pour produire de l’énergie. Cette énergie est stockée sous forme d’énergie chimique, dans une molécule appelée l’ATP. Les composés qui sont dégradés sont appelés les substrats ou les réactifs, et les composés en résultant sont appelés les produits de la réaction.

Définition : Respiration cellulaire

La respiration cellulaire est un processus chez les êtres vivants dans lequel les molécules contenant du carbone, comme par exemple le glucose, sont dégradées pour produire de l’énergie sous forme d’ATP.

Certains organismes, comme les archées et les bactéries, vivent dans des environnements avec de faibles niveaux d’oxygène. Ces cellules respirent en dégradant des molécules en l’absence d’oxygène, un processus appelé respiration anaérobie. Cependant, chez la plupart des plantes et autres organismes supérieurs, cette dégradation de molécules est obtenue en présence d’oxygène, par une réaction d’oxydation complète. Cette forme de respiration est appelée respiration aérobie.

Définition : Respiration aérobie

La respiration aérobie est le processus par lequel de l’énergie est produite dans les cellules en présence d’oxygène.

Le substrat le plus courant pour la respiration cellulaire est le glucose, bien que dans certains cas des protéines ou des lipides puissent aussi être utilisés. Le glucose est un sucre simple, composé d’un cycle de six atomes de carbone. Dans la respiration aérobie, les liaisons chimiques entre les atomes de carbone sont rompues par réaction avec l’oxygène, ce qui libère de l’énergie ainsi que du dioxyde de carbone et de l’eau.

Terme clé : Glucose

Le glucose est un sucre simple (aussi dit ose ou monosaccharide), composé de six atomes de carbone, et est le substrat le plus courant pour la respiration cellulaire.

L’énergie libérée est stockée sous forme d’ATP ou d’adénosine triphosphate. Lorsque les cellules ont besoin d’énergie pour d’autres processus, les molécules d’ATP peuvent être dégradées pour libérer l’énergie stockée. Cependant, les molécules d’ATP diffèrent des autres molécules de stockage, telles que les glucides et les lipides, du fait qu’elles fonctionnent comme une source d’énergie rapide et facile pour les cellules du corps, dont la dégradation ne nécessite pas autant d’énergie que celle requise par ces macromolécules. L’ATP est donc parfois appelée la « monnaie énergétique » des êtres vivants.

Terme clé : ATP

L’ATP, ou adénosine triphosphate, est la molécule qui stocke l’énergie chimique chez les êtres vivants.

Exemple 1: Les produits de la respiration aérobie

Lequel des gaz suivants est produit par la respiration aérobie?

  1. monoxyde de carbone
  2. dioxyde de soufre
  3. oxygène
  4. hydrogène
  5. dioxyde de carbone

Réponse

Les êtres vivants obtiennent de l’énergie depuis leur nourriture grâce au processus de respiration. Chez les plantes et la plupart des organismes supérieurs, ce processus a lieu en présence d’oxygène et s’appelle respiration aérobie.

Les composés complexes dégradés lors de la respiration sont appelés les réactifs, tandis que les composés résultants sont appelés les produits. Dans la respiration cellulaire, le glucose est le réactif le plus courant. Le glucose est un sucre simple composé de six atomes de carbone.

Dans la respiration aérobie, le glucose réagit avec l’oxygène pour produire de l’énergie, du dioxyde de carbone et de l’eau.

Le gaz produit par respiration aérobie est donc le dioxyde de carbone.

Les cellules contiennent des organites qui remplissent des fonctions spécifiques. Dans les cellules végétales, la photosynthèse a lieu dans des organites appelés chloroplastes, qui se trouvent dans les parties vertes des plantes. Les chloroplastes contiennent un pigment appelé chlorophylle, qui donne aux plantes leur couleur verte. La chlorophylle est l’un des pigments des cellules végétales qui leur permet d’absorber l’énergie de la lumière solaire, ce qui leur permet de transformer le dioxyde de carbone et l’eau en glucose et en oxygène.

Terme clé : Chloroplastes

Les chloroplastes sont les organites des cellules végétales contenant de la chlorophylle et dans lesquels la photosynthèse a lieu.

La respiration, en revanche, a lieu dans des organites appelés les mitochondries. Les mitochondries sont souvent appelées les « centrales énergétiques de la cellule », car elles dégradent le glucose en énergie qui peut être transportée par des molécules de transport d’énergie, comme l’ATP, et utilisée par les cellules selon leurs besoins.

Terme clé : Mitochondries

Les mitochondries sont les organites des cellules où la respiration a lieu et où l’énergie est libérée.

Ces deux organites clés peuvent être vu sur la figure 1, qui est un schéma simplifié d’une cellule végétale.

Figure 1 : Schéma montrant le chloroplaste et les mitochondries dans une cellule végétale.

Chez les plantes, la photosynthèse et la respiration vont de pair. Les produits de chacune de ces réactions sont les réactifs de l’autre. Pour bien comprendre cela, étudions les équations des deux processus.

Équation : Photosynthèse

Dioxydedecarbone+eauglucose+oxygèneénergielumineuse

Équation : Respiration

Glucose+oxygènedioxydedecarbone+eau+énergie(ATP)

Vous pouvez remarquer que ces deux réactions sont presque l’exact opposé l’une de l’autre. Les produits de la photosynthèse sont les réactifs de la respiration, et vice versa.

Lors de la respiration, le glucose généré par la photosynthèse est dégradé par réaction avec l’oxygène, un autre produit de la photosynthèse. C’est ainsi que l’énergie, sous forme d’ATP, est obtenue depuis l’alimentation synthétisée par photosynthèse. De l’autre côté, le dioxyde de carbone et l’eau provenant de la respiration sont utilisés comme réactifs pour la photosynthèse. Ceci est représenté en figure 2.

Figure 2 : Schéma de la relation entre la photosynthèse et la respiration cellulaire chez les plantes.

Exemple 2: Obtenir du glucose pour la respiration cellulaire

Les plantes ont besoin de glucose pour effectuer la respiration. Par quelle méthode obtiennent-elles la majorité de ce glucose?

  1. Le glucose est produit pendant la transpiration.
  2. Le glucose est transporté activement du sol vers les racines.
  3. Le glucose est produit lors de la photosynthèse.
  4. Le glucose diffuse dans la feuille par les stomates ouverts.

Réponse

Les plantes vertes synthétisent leur propre nourriture en présence de la lumière solaire par un processus appelé photosynthèse. Dans les plantes, la photosynthèse et la respiration vont de pair. Les produits d’une réaction sont les réactifs de l’autre. On peut comprendre cela en examinant les équations de chacune de ces réactions.

Photosynthèse:Dioxydedecarbone+eauglucose+oxygèneénergielumineuse

Respiration:Glucose+oxygènedioxydedecarbone+eau+énergie(ATP)

Comme nous pouvons le voir, le glucose et l’oxygène qui sont formés à la suite de la photosynthèse sont utilisés comme réactifs pour la respiration, pour être dégradés en dioxyde de carbone, en eau et en énergie.

Les plantes obtiennent donc la majorité de leur glucose par photosynthèse.

Maintenant, examinons le concept de respiration chez les plantes et voyons comment ce processus diffère de la respiration chez les animaux.

En général, la question de savoir si les plantes respirent n’a pas vraiment de réponse simple. Les plantes ont besoin d’oxygène pour la respiration aérobie, comme nous l’avons vu, pour transformer le glucose en énergie. Du dioxyde de carbone est libéré au cours de ce processus. Cependant, contrairement aux animaux, les plantes n’ont pas de systèmes d’organes (ou appareils) spécialisés pour la respiration.

Comme nous l’avons vu, plusieurs molécules gazeuses sont impliquées dans la respiration et dans la photosynthèse. Les plantes peuvent obtenir les molécules gazeuses dont elles ont besoin dans l’atmosphère et libérer les produits de leurs réactions par échange gazeux.

Terme clé : Échange gazeux

L’échange gazeux est le processus par lequel les plantes obtiennent de l’atmosphère les molécules gazeuses dont elles ont besoin et libèrent les produits gazeux de leurs réactions.

Le taux d’échange gazeux des plantes est assez faible par rapport à celui des animaux, car les produits de la respiration sont généralement utilisés comme réactifs pour la photosynthèse. Cela signifie qu’ils n’ont pas besoin de diffuser dans l’atmosphère en grandes quantités. La plupart du temps, les plantes n’ont pas besoin d’absorber une grande quantité d’oxygène de l’atmosphère pour respirer, puisqu’il est déjà fourni par la photosynthèse.

Chaque partie de la plante répond à ses propres besoins d’échange gazeux, et il n’y a pas beaucoup de transfert de gaz entre les parties de la plante. Les racines, les tiges et les feuilles ont toutes des structures et des adaptations qui leur permettent d’obtenir depuis l’atmosphère les réactifs dont elles ont besoin et de libérer les produits de la respiration et de la photosynthèse.

Examinons chacune de ces structures pour comprendre comment elles aident les plantes à échanger des gaz avec l’atmosphère.

Les feuilles ont des ouvertures appelées stomates, qui sont de minuscules pores retrouvés à leur surface. Les stomates s’ouvrent et se ferment en fonction des besoins en échanges gazeux, comme le montre la figure 3. Ces ouvertures permettent également la diffusion de la vapeur d’eau des plantes vers l’atmosphère.

Définition : Stomates

Les stomates sont des pores sur l’épiderme des feuilles par lesquels les échanges gazeux avec l’atmosphère ont lieu.

Figure 3 : Illustration montrant les stomates à la surface d’une feuille, qui jouent un rôle dans les échanges gazeux et la transpiration.

La tige et les racines d’une plante jouent également un rôle important dans les échanges gazeux, ainsi que dans l’absorption et la diffusion de l’eau. Elles possèdent des pores à leur surface, appelés lenticelles, par lesquels de l’oxygène, du dioxyde de carbone et de l’eau peuvent être échangés avec l’atmosphère. Les racines possèdent également des structures spécialisées appelées poils racinaires, qui sont des cellules qui se prolongent dans les espaces vides du sol, comme vous pouvez le voir sur la figure 4 ci-dessous.

Définition : Lenticelles

Les lenticelles sont des ouvertures à la surface des tiges et des racines, par lesquelles un échange gazeux a lieu avec l’atmosphère.

Définition : Poils racinaires

Les poils racinaires sont de fines cellules en forme de poils qui se prolongent dans le sol et maximisent la surface des racines pour l’absorption de l’eau.

Figure 4 : Schéma montrant les poils de la racine d’une plante et comment ils se prolongent dans les espaces d’air du sol.

Les poils racinaires, comme ceux en figure 4, ont une grande surface afin de maximiser l’efficacité de l’absorption d’eau depuis le sol, qui peut contenir de l’oxygène dissous et des nutriments.

Exemple 3: Obtenir de l’oxygène pour la respiration cellulaire

Les plantes ont besoin d’oxygène pour effectuer la respiration aérobie. Laquelle des propositions suivantes n’est pas une méthode par laquelle les plantes obtiennent cet oxygène?

  1. L’oxygène produit par la plante lors de la photosynthèse est utilisé pour la respiration.
  2. L’oxygène est dissous dans l’eau et pénètre dans les racines de la plante.
  3. L’oxygène diffuse dans la feuille à travers les stomates.
  4. L’oxygène est inspiré par la plante grâce aux voies respiratoires ouvertes au niveau de la feuille.

Réponse

La respiration aérobie est le processus par lequel le glucose est dégradé en présence d’oxygène pour produire de l’énergie. Les plantes obtiennent l’oxygène nécessaire à ce processus par diverses méthodes.

Les plantes synthétisent leur propre nourriture par photosynthèse. La photosynthèse implique la conversion du dioxyde de carbone et de l’eau en glucose et en oxygène. Les processus de photosynthèse et respiration vont de pair, et les produits de chacune de ces réactions sont les réactifs de l’autre. Le glucose et l’oxygène produits lors de la photosynthèse sont utilisés dans la respiration aérobie pour produire de l’énergie.

Chaque partie de la plante répond à ses propres besoins respiratoires. Les racines, les tiges et les feuilles d’une plante respirent toutes et possèdent des structures spécialisées à cette fin. Les feuilles ont de minuscules pores appelés stomates à leurs surfaces, qui s’ouvrent et se ferment en fonction des besoins de la plante en échanges gazeux avec l’atmosphère. Si une plante a besoin d’oxygène de l’atmosphère, celui-ci peut diffuser dans la feuille par ces pores.

Les racines ont des structures spéciales appelées poils racinaires, qui se prolongent dans les espaces vides du sol. Ces poils racinaires peuvent absorber l’eau du sol, qui peut contenir de l’oxygène dissous et des nutriments, dans la plante.

Parmi les propositions mentionnées, la seule méthode d’obtention d’oxygène impossible pour les plantes est de passer par les voies respiratoires de la feuille. Comme nous l’avons appris, les feuilles n’ont pas de voies respiratoires ouvertes;elles ont de minuscules pores appelés stomates, qui s’ouvrent et se ferment en fonction des besoins en échanges gazeux.

Il est intéressant de noter que chez les plantes, toutes les cellules vivantes ont une surface en contact avec l’air ambiant. Cela signifie que les gaz peuvent facilement diffuser dans l’atmosphère depuis les surfaces de la plante, sans qu’il soit nécessaire de mettre en place un système d’organes. Même sur des arbres à tiges et racines épaisses et ligneuses, les cellules vivantes sont disposées en couches minces, juste sous la surface de l’écorce. Cette disposition permet la présence d’espaces vides, de sorte que toutes les cellules vivantes sont exposées à l’air. Les cellules trouvées plus profondément dans les tiges de ces plantes sont des cellules mortes, qui fournissent un support mécanique et, par conséquent, n’ont pas besoin de respirer.

Il est important de rappeler que si les plantes ne réalisent la photosynthèse que le jour, lorsque la lumière du soleil est disponible, la respiration cellulaire a lieu en permanence, jour et nuit. L’échange gazeux avec l’atmosphère est donc plus élevé la nuit lorsque la plante respire mais la photosynthèse n’a pas lieu (en raison de l’absence de lumière solaire). L’oxygène, au lieu d’être fourni par la photosynthèse, est prélevé dans l’atmosphère pendant la nuit. De même, le dioxyde de carbone produit par la respiration la nuit est libéré dans l’atmosphère, au lieu d’être utilisé comme réactif pour la photosynthèse.

Regardons maintenant une expérience simple qui peut être menée pour comprendre la respiration cellulaire.

La figure 5 montre une petite plante en pot et un flacon ouvert rempli d’eau de chaux, placés sous cloche. Cette configuration est recouverte d’un tissu épais de couleur foncée, puis laissée reposer pendant 24 heures.

Figure 5 : Schéma d’une expérience permettant de démontrer la respiration chez les plantes. Une plante et un flacon d’eau de chaux sont placés sous cloche, et l’ensemble est recouvert d’un tissu noir et épais pendant 24 heures.

« Eau de chaux » est le nom communément donné à la solution d’un composé appelé l’hydroxyde de calcium. En présence de dioxyde de carbone, l’hydroxyde de calcium est transformé en carbonate de calcium, un composé blanc qui précipite hors de la solution. Cela donne à l’eau de chaux un aspect trouble.

Lorsque le tissu est retiré, l’eau de chaux dans le flacon passe d’un liquide limpide à une suspension trouble. Appliquons nos connaissances de la respiration chez les plantes pour comprendre cette observation.

Les plantes, comme nous l’avons appris, respirent constamment, dégradant le glucose et l’oxygène en dioxyde de carbone et en eau. Le dioxyde de carbone libéré par la respiration est normalement utilisé comme réactif lors de la photosynthèse. Cependant, puisque la photosynthèse ne peut pas avoir lieudans l’obscurité, le dioxyde de carbone est plutôt libéré dans l’atmosphère à travers les pores des feuilles, des tiges et des racines. Dans le cadre expérimental illustré ci-dessus, le dioxyde de carbone réagit avec l’eau de chaux, ou hydroxyde de calcium, et le transforme en carbonate de calcium. L’équation de cette réaction est donnée ci-dessous.

Équation : Eau de chaux et dioxyde de carbone

Hydroxydedecalcium+dioxydedecarbonecarbonatedecalcium+eau

Cette installation expérimentale peut aussi être utilisée pour démontrer la relation entre photosynthèse et respiration.

En utilisant un nouveau flacon d’eau de chaux, au lieu de recouvrir la cloche d’un tissu sombre, l’installation est exposée à une source de lumière, comme le montre la figure 6.

Figure 6 : Schéma du montage expérimental permettant de démontrer la la relation entre respiration et photosynthèse chez les plantes.

Après avoir été laissé tranquille pendant 24 heures, le flacon d’eau de chaux ne devient pas trouble, contrairement à ce qui s’est passé lors de l’expérience précédente. En effet, la plante, qui respire constamment, effectue également la photosynthèse lorsqu’elle est en présence d’énergie lumineuse. Le dioxyde de carbone libéré par la respiration est donc utilisé comme substrat pour la photosynthèse, au lieu d’être libéré dans l’atmosphère. Par conséquent, l’eau de chaux, ou hydroxyde de calcium, n’est pas convertie en carbonate de calcium.

Passons maintenant en revue les points essentiels de ce que nous avons appris sur la respiration des plantes.

Points clés

  • Les plantes obtiennent de l’énergie par la respiration cellulaire, qui dégrade le glucose en dioxyde de carbone et en eau pour libérer de l’énergie.
  • La photosynthèse et la respiration vont de pair, car les produits d’une réaction sont les réactifs de l’autre.
  • La respiration a lieu jour et nuit, tandis que la photosynthèse ne peut avoir lieu que le jour, en présence de la lumière solaire.
  • La respiration cellulaire aérobie a lieu dans les mitochondries.
  • L’énergie produite par la respiration cellulaire est stockée dans les molécules d’ATP, qui peuvent être dégradées et utilisées en cas de besoin par la cellule.
  • Les plantes ont des stomates, des lenticelles et des poils racinaires qui permettent des échanges gazeux avec l’atmosphère.

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