Video Transcript
Dans cette vidéo, nous allons faire la distinction entre les macronutriments et les micronutriments nécessaires aux plantes. Nous découvrirons les mécanismes par lesquels les plantes absorbent ces nutriments essentiels pour survivre et nous mettrons en pratique nos connaissances et notre interprétation des graphiques avec quelques exemples de questions.
Tous les êtres vivants ont besoin d’une façon ou d’une autre de nutriments pour survivre. Les nutriments sont essentiels pour un grand nombre de fonctions du vivant, par exemple pour libérer de l’énergie ou pour fournir les éléments nécessaires à la synthèse de molécules pour la croissance et la réparation des tissus. Et certains nutriments sont même impliqués dans le contrôle de certains processus biologiques, dont ils assurent le bon fonctionnement.
Les plantes comme celle-ci auront besoin d’une partie de leur nutrition sous forme de minéraux. Les minéraux sont des nutriments inorganiques qui ne peuvent pas être synthétisés par l’organisme, ils doivent donc être ingérés ou absorbés. Les animaux, comme les êtres humains, peuvent ingérer leurs minéraux puis les absorber à travers la paroi du système digestif. Cependant, les plantes n’ont pas de système digestif, donc les minéraux doivent être absorbés par absorption. Les minéraux se trouvent souvent dans le sol, et les plantes peuvent absorber ces nutriments du sol grâce à leurs systèmes racinaires hautement spécialisés.
Les molécules dans les cellules de tous les êtres vivants sur Terre sont majoritairement composées de trois éléments clés: le carbone, l’hydrogène et l’oxygène. D’ailleurs, les glucides, principalement utilisés pour libérer de l’énergie, sont appelés carbohydrates en anglais: «carbo-» vient de carbone, «hydro» d’hydrogène et le «-ate» en fin de mot signifie oxygène. Les lipides, qui peuvent également être utilisés comme source d’énergie, sont également constitués principalement de carbone, d’hydrogène et d’oxygène. Et les protéines, qui peuvent être utilisées pour produire de la matière, parmi leurs nombreuses autres fonctions, contiennent également une grande proportion de carbone, d’hydrogène et d’oxygène.
Mais de nombreux autres éléments et minéraux sont essentiels pour un organisme sain, et ceux-ci peuvent différer d’une espèce à l’autre. Chez les plantes, les nutriments essentiels nécessaires sont divisés en deux groupes principaux: les macronutriments et les micronutriments. Les macronutriments sont ceux qui sont nécessaires en quantités relativement importantes. Le préfixe «macro-» signifie grand. Par exemple, l’azote est un composant clé des acides aminés. L’azote peut être absorbé du sol au niveau des racines de la plante, où il peut être utilisé pour produire les acides aminés qui formeront les protéines de la plante. Les protéines sont l’une des quatre macromolécules biologiques principales des êtres vivants. La plante a donc besoin d’importantes quantités d’azote.
Si le sol manque d’azote, la plante ne pourra pas en absorber autant que nécessaire. Les feuilles commenceront alors à jaunir et la plante pourrait en mourir. Comme nous l’avons mentionné précédemment, le carbone, l’hydrogène et l’oxygène sont tous des composants essentiels de presque tous les composés organiques des plantes. Par conséquent, un manque de ces éléments se traduira par une très mauvaise croissance car aucun glucide, aucun lipide ni même aucune protéine ne pourra être synthétisé. Cela provoquera le flétrissement d’une plante et sa mort éventuelle.
Le carbone à lui seul représente environ 45 pour cent de la masse sèche d’une plante classique. Le magnésium est un composant clé de la chlorophylle, qui est le principal pigment présent dans les chloroplastes de la plupart des plantes vertes, absorbant la lumière du soleil pour fournir l’énergie lumineuse nécessaire à la photosynthèse. Comme la photosynthèse est la manière dont une plante fabrique sa nourriture, le magnésium doit être absorbé du sol en grande quantité. Sans magnésium, la chlorophylle ne serait pas synthétisée. Les feuilles jauniraient et la photosynthèse n’aurait pas lieu.
Chez les plantes à fleurs, un manque de disponibilité des nutriments peut également empêcher la poussée des fleurs. D’autres nutriments dont les plantes ont besoin en grande quantité sont le phosphore, le potassium, le calcium et le soufre. Les micronutriments sont des éléments nécessaires en quantités beaucoup plus faibles, ne dépassant pas quelques milligrammes par litre, ils peuvent donc aussi être appelés oligo-éléments. Le préfixe «micro-», qui vous rappelle peut-être le mot microscope ou microscopique, signifie petit.
La plupart des micronutriments servent de cofacteurs dans des réactions enzymatiques. Un cofacteur est un composant non protéique d’une enzyme qui l’aide à catalyser une réaction. Comme vous pouvez le voir, lorsque le cofacteur se lie à l’enzyme, il permet aux substrats de se lier plus facilement. Par exemple, le fer est un cofacteur des protéines impliquées dans des processus métaboliques importants tels que la respiration cellulaire et la photosynthèse. Les autres micronutriments dont les plantes ont besoin sont généralement le manganèse, le zinc, le bore, le chlore, le cuivre et le molybdène.
Certains des nutriments dont les plantes ont besoin sont sous forme d’ions. Les ions sont des atomes ou groupes d’atomes chargés électriquement. Les ions chargés positivement, comme le potassium, le calcium et le magnésium sont appelés des cations. Les ions chargés négativement comme le sulfate, le nitrate et le chlorure sont appelés anions. Pour vous rappeler de la différence entre cations et anions, vous pouvez par exemple vous dire que «cat» veut dire chat, et les chats font plutôt sourire, donc les cations sont des ions positifs. Mais les oignons peuvent nous faire pleurer, donc les anions sont chargés négativement. Si vous n’êtes pas fan de chats, vous devrez peut-être une autre technique pour vous rappeler de cette distinction.
Voyons comment ces cations et ces anions peuvent être absorbés par les racines de la plante. Ce schéma montre une vue agrandie d’un poil racinaire, parfois aussi appelé poil absorbant. Ces cellules spécialisées représentent une grande partie des racines des plantes. La zone entourant la cellule représente le sol et ces points roses représentent les cations de calcium dans le sol. Dans le cas de ces ions calcium, vous pouvez voir que leur concentration est plus élevée dans le sol environnant que dans le poil racinaire. Dans ce cas-ci, ces ions vont entrer dans le poil racinaire via un processus appelé diffusion. La diffusion est le mouvement des particules d’une zone de forte concentration vers une zone de plus faible concentration.
Regardez ce schéma à gauche et réfléchissez à dans quel sens les particules vont se déplacer. Si elles se déplacent par diffusion, elles se déplaceront de gauche à droite, car le côté gauche a une concentration de particules plus élevée que le côté droit. Ceci continuera jusqu’à ce que chaque côté ait une concentration approximativement égale de cet ion en particulier. La diffusion est un processus passif car elle ne nécessite pas d’apport énergétique de l’organisme lui-même. Lorsque les particules se déplacent par diffusion, le sens est parfois décrit comme descendant ou suivant leur gradient de concentration, d’une zone de forte concentration à une zone de faible concentration. Pour vous en rappelez, dites-vous que quand vous descendez une colline à vélo, vous n’avez pas besoin d’apporter de l’énergie. C’est un processus passif, et vous descendez la colline comme des particules qui diffusent descendent vers le bas de leur gradient de concentration.
La paroi cellulaire des poils racinaires a tendance à être relativement fine pour permettre le passage de substances comme l’eau et les ions. Elle est dite perméable, car elle laisse passer de nombreuses substances. Sous la paroi cellulaire se trouve la membrane plasmique. Elle est dite semi-perméable car elle laisse passer certains ions mais en empêche d’autres de passer, par exemple s’ils sont trop gros ou chargés. Mais nous savons que les ions sont chargés. Alors, comment passent-ils à travers la membrane plasmique? La membrane plasmique des poils racinaires présente une perméabilité sélective. Cela signifie qu’elle peut sélectionner certaines substances et les autoriser à passer dans la cellule en fonction des besoins de la cellule à ce moment-là. Et des canaux intégrés à la membrane plasmique permettent à ces substances de la traverser.
Parfois, la concentration d’ions dans le poil racinaire est plus élevée que celle dans le sol, par exemple, ces ions potassium. Ces ions ont encore besoin de pénétrer dans le poil racinaire, ils passeront donc d’une zone de faible concentration à une zone de forte concentration, ce qui signifie qu’ils iront en sens ascendant ou contre leur gradient de concentration. Si nous revenons à notre analogie avec le vélo, que faudrait-il selon vous si nous montions une côte? Une montée en vélo, tout comme le déplacement de substances contre ou vers le haut de leur gradient de concentration, d’une concentration faible à une concentration élevée, est un processus actif. Il faut donc un apport d’énergie de la part de l’organisme. Si vous n’apportez pas d’énergie, le vélo va naturellement redescendre la pente.
Comme ces ions potassium ne peuvent pas diffuser dans la cellule, ils entreront dans la cellule contre leur gradient de concentration par un processus appelé transport actif. Ce processus décrit le mouvement des particules à travers une membrane plasmique d’une zone de faible concentration à une zone de forte concentration, en utilisant un apport énergétique. Cette énergie est fournie sous la forme d’une molécule appelée ATP, qui est la molécule porteuse d’énergie présente chez tous les êtres vivants.
Essayons d’interpréter certaines données expérimentales sur un graphique représentant le transport actif de minéraux dans un type particulier d’organisme photosynthétique. Le genre Nitella est composé de plusieurs espèces d'algues vertes qui poussent dans l'eau, dont un individu est représenté sur ce dessin à droite. Dans le graphique de gauche, nous pouvons voir la concentration en ions chlorure, potassium, magnésium, calcium et sodium, à la fois dans les cellules de Nitella et dans l'eau environnante. Pour chaque ion, nous pouvons voir que la concentration dans l’eau environnante est comparativement beaucoup plus faible que dans les cellules de Nitella.
Cependant, nous savons que tous ces ions sont essentiels au maintien d’un organisme sain et fonctionnel. En fait, le potassium, le magnésium et le calcium sont tous des macronutriments. Donc, ceux-ci devraient être absorbés par les algues en quantités relativement importantes. Si nous examinons de plus près l'une des cellules de l'algue Nitella, nous pouvons voir que les ions magnésium, par exemple, qui n'ont pas été dessinés à l'échelle, sont en concentration plus faible dans l'eau environnante que dans la cellule de Nitella. Par conséquent, il n’est pas possible que ces ions diffusent dans la racine.
Donc, selon vous, que devra-t-il se passer pour permettre à ces nutriments d'être absorbés? Mettez la vidéo sur pause et voyez si vous pouvez trouver la réponse avec ce que nous avons appris jusqu’à présent. Si vous avez dit transport actif, bien joué! Et si vous avez dit qu’il faudrait de l’énergie sous forme d’ATP pour le faire, encore mieux. Ces ions seront activement transportés en utilisant un apport d’énergie fourni par l’ATP dans les cellules des algues pour maintenir leur bon fonctionnement.
En regardant de nouveau le graphique, nous pouvons voir que ces ions sont également absorbés sélectivement. Rappelez-vous que cela signifie que la plante absorbe plus certains ions que d’autres en fonction de ses besoins nutritionnels. Par exemple, l'algue Nitella absorbe un volume plus élevé d'ions chlorure que d'ions sodium. Et le gradient de concentration entre l’eau environnante et les cellules de Nitella est beaucoup plus abrupt pour les ions chlorure que pour les ions sodium, ce qui signifie généralement qu'il faudra dépenser plus d'énergie pour transporter ces ions chlorure dans la cellule que pour le sodium.
Voyons ce que nous avons retenu de l’absorption des minéraux chez les plantes avec quelques questions d’entraînement.
S’il y a une forte concentration d’ions potassium dans le sol, ils se déplacent vers une zone de faible concentration dans les racines. Quel nom est donné à ce processus? (A) Diffusion, (B) synthèse, (C) osmose, (D) digestion, ou (E) transport actif.
Tout comme les êtres 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 se trouvent en grandes concentrations dans une zone particulière, elles ont tendance à se disperser en migrant vers des zones où la concentration de ces particules ou molécules est plus faible. Si ce processus a lieu à la surface d’une membrane, telle que celle de la racine, les ions potassium traversent cette membrane de la zone de forte concentration à celle de faible concentration jusqu’à ce que la concentration de part et d’autre de la membrane s’égalise. Ce processus est connu sous le nom de diffusion.
La diffusion est un processus dit passif car elle ne nécessite pas d’énergie pour déplacer les particules d’une zone de forte concentration à une zone de faible concentration. Dans la question, on nous dit que le potassium est en forte concentration dans le sol et qu’il se déplace vers une zone de concentration plus faible dans les racines. Nous savons donc que les ions potassium vont entrer dans les racines, où ils sont moins concentrés, par diffusion.
Essayons ensemble une autre question pour appliquer nos connaissances et nos compétences en interprétation des graphiques.
Ce graphique est une comparaison entre les cellules de l'algue Nitella et l'eau environnante. Par quel processus Nitella pourrait-elle obtenir plus de calcium, Ca2+, depuis l'eau environnante?
Les plantes et les algues, comme les espèces appartenant au genre Nitella illustrées ici, doivent tirer une grande partie de leurs nutriments de leur environnement. Les algues comme Nitella vivent dans des environnements aquatiques, elles absorbent donc les nutriments de l'eau environnante. Les ions minéraux comme le calcium peuvent être absorbés par les cellules des algues de deux manières principales. La diffusion est le mouvement de particules d’une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration, dont le sens est parfois décrit comme descendant ou suivant leur gradient de concentration. Par exemple, si les ions calcium étaient en concentration plus élevée dans l'eau environnante, donc hors des cellules de Nitella, ils entreraient passivement dans les cellules de Nitella par diffusion, sans utiliser d'apport énergétique.
Le transport actif, lui, est le mouvement des particules en sens ascendant ou contre leur gradient de concentration, d’une zone de faible concentration vers une zone de forte concentration. Le transport actif, comme son nom l’indique, est un processus actif, il nécessite donc un apport d’énergie. Si la concentration d’ions est plus élevée à l’intérieur des cellules de Nitella que dans l'eau environnante, ces ions devront entrer dans la cellule par transport actif en utilisant un apport d'énergie de la part de l'organisme.
Si nous revenons à notre graphique, nous pouvons voir que la concentration d’ions calcium est plus élevée dans les cellules de Nitella que dans l'eau environnante. Cependant, les algues peuvent avoir besoin d’encore plus d’ions calcium pour mener à bien leurs processus vitaux. Pour obtenir plus d’ions calcium, la plante aura besoin de les déplacer contre leur gradient de concentration, d’une zone de faible concentration à l’extérieur de la cellule dans l’eau environnante à une zone de concentration comparativement plus élevée à l’intérieur des cellules. Comme nous venons de le voir, elles utilisent le transport actif pour y parvenir. Nous avons donc déduit que la méthode que les cellules de Nitella peuvent utiliser pour absorber plus de calcium de l'eau environnante est le transport actif.
Résumons maintenant ce que nous avons appris sur l’absorption des minéraux en passant en revue les points clés de cette vidéo. Nous avons appris que tous les êtres vivants ont besoin d’une certaine forme de nutrition, dont des ions minéraux, pour fonctionner efficacement. Et lorsque les plantes n’obtiennent pas les nutriments essentiels dont elles ont besoin, elles peuvent se décolorer, se flétrir et même mourir. Les macronutriments sont les nutriments dont les plantes ont besoin en quantités relativement importantes, tandis que les micronutriments ne sont nécessaires qu’en petites quantités. Enfin, nous avons appris qu’il existe deux processus principaux par lesquels les plantes et les algues absorbent leurs nutriments: passivement, par diffusion; et activement, par transport actif.
