Chaleur chez l'arum, exercice 1

Énoncé

Le sujet

L'inflorescence d'arum présente une particularité remarquable. Lorsque les fleurs mâles produisent du pollen, une brutale élévation de température se produit dans l'inflorescence, provoquant l'émission de substances volatiles qui attirent les insectes pollinisateurs.
Identifiez et décrivez le mécanisme expliquant la brutale production de chaleur chez l'arum. Vous organiserez votre réponse selon la démarche de votre choix à condition qu'elle intègre des données des documents et les connaissances utiles.

Document 1. Température mesurée au niveau de l'inflorescence d'arum lors du brutal épisode de production de chaleur.

*Le spadice correspond à l'inflorescence.
D'après Seymour et Ito, 2010.

Document 2. Mesure de la température et de la production de CO₂ dans l'inflorescence au cours de la journée.

Chaleur chez l'arum, exercice 1 - illustration 2

D'après Lance, Signol et Chauveau, 1976.

Document 3. Mesures de la quantité de dioxygène consommé et de la quantité de réserves d'amidon dans l'inflorescence à différents stades.

Stades de l'inflorescence :

1 : plusieurs jours avant la production de chaleur ;

2 : juste avant la production de chaleur ;

3 : au moment de la production de chaleur ;

4 : après la production de chaleur.
D'après Lance, Signol et Chauveau, 1976, modifié.

Document 4. Mesure de la quantité de l'organite photographié ci-dessous dans le spadice.

D'après Banque d'images SVT Dijon.

	Plusieurs jours avant la production de chaleur	Juste avant la production de chaleur	Au moment de la production de chaleur	Après la production de chaleur
Abondance relative de l'organite photographié ci-dessus	+	++++	++++	+

La bonne méthode

Lire et exploiter des grandeurs chiffrées

De nombreux documents proposent des grandeurs chiffrées, qui doivent être utilisées pour appuyer votre raisonnement. Mais il est généralement impossible de citer toutes les valeurs fournies. Il faut choisir judicieusement les valeurs les plus significatives, en relation avec les éléments à démontrer. Il faut souvent penser à comparer une valeur donnée à une valeur résultant d'un témoin, pour mettre en évidence le phénomène étudié. Chaque valeur doit être clairement nommée et accompagnée de son unité. La lecture de certaines valeurs sur les échelles des graphiques est parfois délicate. Cela ne doit pas vous déstabiliser : utilisez l'échelle fournie pour proposer une valeur approchée.

Lire des graphiques avec des barres d'erreur

Certains graphiques présentent une estimation de la grandeur étudiée accompagnée de barres d'erreur qui indiquent l'incertitude de l'estimation. La valeur de la grandeur mesurée se situe dans l'intervalle indiqué par les barres d'erreur. Il est alors important de préciser l'estimation de la grandeur et l'intervalle correspondant aux barres d'erreur (exemple : température T = 35 °C $\pm$ 1 °C signifie que T est compris entre 34 et 36 °C). Attention, lors de la comparaison de deux grandeurs : elles ne sont significativement différentes que si les deux intervalles correspondants ne se recoupent pas. Si les deux intervalles se chevauchent, alors les deux grandeurs ne sont pas significativement différentes.

Rédiger une analyse de courbes

De nombreux documents sont des graphiques présentant une ou plusieurs courbes. Pour bien analyser une courbe, il faut d'abord se repérer dans le graphique en identifiant la grandeur présente sur l'axe des abscisses et celle présente sur l'axe des ordonnées, ainsi que les unités employées. Le titre du graphique et les légendes associées apportent également des informations importantes. Après avoir identifié le(s) phénomène(s) mis en évidence par le graphique, il s'agit de rédiger l'analyse de la courbe afin que celle-ci soit au service à votre raisonnement. Il est souvent inutile de rédiger une analyse complète, car il faut faire la différence entre les variations significatives à exploiter et celles moins pertinentes. La rédaction de l'analyse d'une courbe est parfois difficile. Évitez impérativement les expressions « La courbe monte », « La courbe descend », mais décrivez l'évolution de la grandeur étudiée (sur l'axe des ordonnées) en fonction de la grandeur de l'axe des abscisses, en caractérisant les points remarquables de la courbe (maximums, minimums, etc.). Pour cela, utilisez les verbes appropriés : augmenter, diminuer, stagner, rester constante, doubler, diminuer de moitié, etc. La description de cette évolution doit s'accompagner de valeurs judicieusement choisies des grandeurs étudiées, sans omettre les unités.

Ce qu'il ne faut pas faire

Réciter le cours sur la respiration au lieu d'exploiter les documents.

Corrigé

Le corrigé

Les fleurs, organes de la reproduction sexuée chez les Angiospermes, présentent une grande diversité. Chez les arums, les fleurs mâles sont caractérisées par une brusque élévation de la température, entraînant l'émission de molécules volatiles attirant les insectes pollinisateurs. Quel est le mécanisme expliquant la brutale production de chaleur dans l'inflorescence de l'arum ? Pour répondre à cette problématique, nous analyserons, au cours des différents stades de l'évolution de l'inflorescence, l'évolution de la température, de la production de CO₂, de la consommation d'O₂, des réserves d'amidon et de la quantité en un organite intracellulaire présent dans l'inflorescence que nous identifierons.
Le document 1 montre qu'un pied d'arum présente une spathe entourant le spadice, qui constitue l'inflorescence mâle. Lors d'un brusque épisode de production de chaleur, la température des tissus de la spathe est environ 20 °C, alors que la température du spadice est plus forte, environ 35 °C dans sa partie supérieure, et jusqu'à 40 °C dans sa partie inférieure. Le document 2 confirme cette élévation de la température dans le spadice et met en évidence sa rapidité : à 3 heures, la température est 15 °C, puis elle double pour atteindre sa valeur maximale de 30 °C dès 6 heures. La température se maintient à cette valeur maximale jusqu'à 15 heures, puis elle diminue et rejoint sa valeur initiale de 15 °C à 18 heures. La mise en relation des documents 1 et 2 montre une élévation rapide et importante (en 3 heures et de 15 °C) de la température du spadice. La température reste élevée pendant une douzaine d'heures avant de chuter.
Le document 2 montre que la production de CO₂ dans l'inflorescence augmente à partir de 3 heures et atteint sa valeur maximale à 12 heures (1,2 mmol/s) avant de revenir vers 18 heures à sa valeur initiale (0,2 mmol/s). La comparaison des courbes de température et de production de CO₂ montre que ces deux paramètres évoluent de manière parallèle : la température et la production de CO₂ sont étroitement corrélées dans le temps.
L'étude du document 3 montre qu'avant la production de chaleur, la quantité d'amidon augmente dans l'inflorescence (passant de 100 mg/g au stade 1 de l'inflorescence à 200 mg/g au stade 2), alors que la consommation d'O₂ reste faible. Au moment de la production de chaleur, la quantité d'amidon présent dans l'inflorescence diminue de 200 mg/g à 120 mg/g, tandis que la consommation d'O₂ augmente fortement pour atteindre 40 000 ml/h/g, puis redevient très faible après la production de chaleur. Ainsi, la production de chaleur dans l'inflorescence de l'arum est associée à une forte production de CO₂, une consommation accrue d'O₂ et une diminution des réserves en amidon. Or, l'amidon (polymère de glucose) constitue la forme de réserve du glucose chez les végétaux. De plus, les cellules végétales sont capables de réaliser la respiration, qui consiste en l'oxydation du glucose en présence d'O₂, associée à une production de CO₂. Nous pouvons donc en déduire que les cellules constituant l'inflorescence de l'arum réalisent une respiration accrue, à l'origine de la brusque production de chaleur observée.
Enfin, le document 4 présente, lors de l'évolution de l'inflorescence, la variation dans le spadice de la quantité d'un organite photographié. Cet organite possède une membrane interne développée, munie de crêtes caractéristiques d'une mitochondrie. Les mitochondries sont rares dans le spadice plusieurs jours avant et après la production de chaleur, mais elles sont abondantes juste avant et pendant. Or, les mitochondries sont les organites spécialisés dans la respiration cellulaire. La forte quantité de mitochondries présentes juste avant et pendant la production de chaleur confirme que cette production de chaleur est réalisée par une respiration intense dans les nombreuses mitochondries du spadice. On peut supposer que l'énergie produite lors de la respiration dans le spadice de l'arum est de l'énergie thermique, à l'origine de l'augmentation de la température.
Ainsi, nous avons établi que la forte production de chaleur dans l'inflorescence de l'arum est due à une forte activité respiratoire dans les mitochondries des cellules de l'inflorescence. Cette respiration accrue consomme du glucose issu de l'hydrolyse de l'amidon, de l'O₂, et produit du CO₂ et une forte énergie thermique. Il faudrait maintenant préciser l'étude des mécanismes moléculaires ayant lieu dans la mitochondrie qui sont responsables de cette forte production de chaleur.