Etude de la surface d’échange foliaire

LIAISON AVEC LE PROGRAMME
Niveau concerné TS
Partie du programme : 1A5 Organisation et mode de vie , vie fixée chez les plantes
PLACE DANS LA PROGRESSION
A traiter en début de partie
PROBLEME A RESOUDRE
En quoi les feuilles sont-elles des organes spécialisés dans les échanges entre atmosphère et plante ?
NOTIONS, COMPETENCES
Notions Les caractéristiques de la plante sont en rapport avec la vie fixée à l’interface sol/air dans un milieu variable au cours du temps. Elle développe des surfaces d’échanges de grande dimension avec l’atmosphère (échanges de gaz, capture de la lumière) et avec le sol (échange d’eau et d’ions).
Compétences Réaliser  :

-Réaliser des calculs
- Suivre un protocole
- Réaliser un geste technique
- Réaliser une observation au microscope optique
- Traiter une image avec un logiciel de traitement (Mesurim)

Raisonner  :
- Mettre en relation
ACTIVITE
Durée : 1h + 2h Coût : Sécurité :
  • Matériel et ressources :

PARTIE 1 :Plante avec feuille, balance de précision, règle, logiciel Mesurim, scanner, ordinateur

PARTIE 2 : Feuilles vertes (Pélargonium par exemple)/ moelle de sureau/lame de rasoir/ verres de montre, pince fine, lames (x2) et lamelles (x2), microscope optique

  • Déroulement de l’activité :

La photosynthèse. Rappels de l’équation. En déduire la nécessité d’échanges gazeux : CO2 et 02 au niveau de la feuille et d’eau et sels minéraux au niveau de la racine, en présence de lumière.

Constat  : Les plantes sont des organismes fixés qui vivent à l’interface entre deux milieux : le sol et l’air. Ceci les contraint donc à développer des structures facilitant les échanges nécessaires à la photosynthèse. Les feuilles sont des organes spécialisés pour les échanges entre atmosphère et plante.

En quoi les feuilles sont-elles des organes spécialisés dans les échanges entre atmosphère et plante ?

PARTIE 1 : Les caractéristiques d’une bonne surface d’échange

Le transport de molécules à travers une surface d’échange qui sépare deux milieux est régi par la loi de Fick :


La loi de Fick : F= -D A dc/de

Le flux F du constituant (nombre de moles traversant par diffusion un m² par seconde) d’un milieu 1 à un milieu 2 est proportionnel au gradient de concentration de ce constituant (dc), à l’épaisseur de la surface d’échange (e) et à l’aire de cette surface (A). D est le coefficient de diffusion de (diffusivité).

Consignes  :
-  Après avoir cueilli toutes les feuilles d’une plante estimer leur surface d’échange totale
Remarque : il est possible de disposer les feuilles sur un scanner et de traiter l’image obtenue avec Mesurim afin de déterminer la surface d’échange foliaire totale
-  En les tassant estimez leur volume global et faire le rapport S/V.
-  Peser les feuilles à l’aide d’une balance de précision et estimer le rapport surface/masse
-  En déduire si ces rapports sont favorables aux échanges gazeux au niveau de la feuille

Conclusion  : Avantage des feuilles plates comme surface d’échange

J’ai réussi si : Compétences visées Auto-évaluation Evaluation professeur
J’ai effectué une estimation (ordre de grandeur) des surfaces d’échanges d’une plante par rapport à sa masse et/ ou son volume Réaliser  :
- suivre un protocole
- Réaliser des calcul
- traiter une image avec Mesurim
J’ai expliqué en quoi les feuilles constituent une bonne surface d’échange pour la plante Raisonner  :
- mettre en relation

Réponse  : Rapport surface/ volume élevé ( de même pour le rapport surface/masse). Or, le flux de molécules à travers de la surface d’échange feuille dépend de la loi de Fick : plus l’épaisseur de la surface d’échange est faible, plus le flux est important, de plus , plus l’aire de la surface d’échange est grande plus le flux est important. Ainsi, la feuille constitue une très bonne surface d’échange ( de gaz, de lumière). La forme plate des feuilles est favorable à la capture de lumière.
Application  : forme des feuilles et disposition (phyllotaxie)

PARTIE 2 : Les mécanismes de maximisation de la surface d’échange

Consigne  : Réalisez une coupe transversale de feuille de Pélargonium ainsi qu’une préparation microscopique d’épiderme inférieur et observez-les au microscope optique afin de déterminer en quoi l’organisation d’une feuille permet de maximiser la surface d’échange.

Production attendue  : Photographie de l’observation au microscope optique légendée accompagnée de quelques phrases expliquant comment l’organisation d’une feuille permet de maximiser la surface d’échange.

Matériel à disposition J’ai réussi si Compétences visées Auto-évaluation Évaluation professeur
fiche protocole (document 1) - j’ai réalisé une préparation microscopique

  • de coupe transversale de feuille de Pélargonium
  • d’épiderme inférieur de feuille de Pélargonium
Réaliser  :
- Suivre un protocole
- Réaliser un geste technique
- réaliser une observation au microscope optique
- Traiter une image avec un logiciel de traitement
document 2 -j’ai légendé l’image obtenue de l’observation faite au microscope de la coupe transversale Raisonner  :
- Mettre en relation
-j’ai déterminé la densité des stomates dans 1 mm²

Document 1 : Fiche protocole

Matériel  :
Feuilles vertes (Pélargonium par exemple)/ moelle de sureau/lame de rasoir/ verres de montre, pince fine, lames (x2) et lamelles (x2), microscope optique
Protocole expérimental
1. Prendre des feuilles et les insérer dans de la moelle de sureau.
2. Avec une lame de rasoir, réaliser de fines coupes transversales et les laisser tomber dans un verre de montre.
3. Prélever les plus fines et les plus nettes(elles doivent avoir un aspect presque transparent) et les disposer dans de l’eau entre lame et lamelle.
4. Observer au microscope optique au grossissement adéquat afin de visualiser l’ensemble de l’épaisseur de la feuille
5. Réaliser une capture (image) à l’aide de la caméra vidéo et transférer sur l’ ordinateur
6. Copier- coller sur traitement de texte, titrer et légender à l’aide du document 2
7. Sur les mêmes feuilles, prélever un lambeau d’épiderme inférieur. Pour cela, déchirer grossièrement une partie de la feuille et repérer, sur le bord de la déchirure une zone ou l’épiderme dépasse légèrement (il apparaît presque transparent). À l’aide de la pince fine, tirer sur ce lambeau et détacher un fragment plus gros
8. Découper un carré de 5 x 5 mm et le disposer à plat dans de l’eau entre lame et lamelle
9. Observer au microscope optique et réaliser un comptage afin de déterminer la densité de stomates au millimètre carré.

Document 2 : L’organisation d’une feuille

La feuille est constituée d’un épiderme supérieur et inférieur (recouverts d’une cuticule imperméable ) qui entourent le parenchyme chlorophyllien où s’effectue la photosynthèse. Dans ce dernier on distingue les cellules de parenchyme palissadique disposées en couches serrées sous l’épiderme supérieur et les cellules du parenchyme lacuneux sous-jacentes et séparées par de grosses lacunes qui communiquent avec l’atmosphère grâce aux stomates. Les stomates sont situés sur l’épiderme inférieur, ils sont constitués de deux cellules : les cellules de garde qui modulent l’ouverture de l’orifice appelé ostiole.

Production attendue :

On observe dans la coupe transversale d’une feuille la présence de nombreuses lacunes ainsi que de nombreux stomates sur l’épiderme inférieur( jusqu’à plusieurs centaines au mm²) .Lacunes et stomates permettent de maximiser la surface d’échange.

Transition : densité inégale de stomate entre épiderme supérieur et inférieur -> protection ?

EVALUATIONS POSSIBLES

Évaluation formative ou sommative sur les compétences ci-dessous ( à maitriser pour les ECE)
- Réaliser un geste technique
- Mettre en œuvre un protocole
- Réaliser une observation au microscope optique en respectant consignes et conventions

H. Brisson - lycée Gérard de Nerval (Luzarches)

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