2. Connaissances acquises :

Comme l'Homme, l’arbre a besoin de respirer et de manger pour vivre. Sa "respiration" est particulière. Durant la nuit, il respire comme nous : il absorbe de l'oxygène et rejette du gaz carbonique. Pendant la journée, en revanche (lors de la photosynthèse), sa respiration est l’inverse de la nôtre: l’arbre absorbe du gaz carbonique et rejette de l’oxygène. Globalement, un arbre produit beaucoup plus d'oxygène qu'il n'en consomme.
Le gaz carbonique, mêlé à l’eau qui est récupérée par les racines est ensuite transformé en nutriments pour l’arbre. C’est la photosynthèse. Cette transformation chimique est réalisée grâce à l’énergie du soleil et à la chlorophylle, un pigment vert contenu dans les feuilles.
La chlorophylle a donc une importance primordiale pour les arbres. C’est elle qui donne la couleur verte des feuilles au printemps.

3. Expériences :

Nous avons décidé d’observer ces pigments sur des feuilles de différentes couleurs.
Nous tentons tout d'abord d’extraire ces pigments par chromatographie.

1 ère expérience :

Matériel :

- 3 éprouvettes jaugées
- un flacon de solvant (85% d’Ether, 10% d’Acétone et 5% de Toluène)
- 3 baguettes de verre
- 3 feuilles d’arbres de couleurs différentes : verte, rouge, jaune
- du papier à chromatographie type Wattman percé
- 3 bouchons pour éprouvette avec crochet de suspension
- 3 caches éprouvette opaques

1 - Sur une bande de papier à chromatographie (papier Wattman ), nous avons écrasé à une distance d’environ 1 cm du bas, une feuille verte à l’aide d’une baguette de verre, pour faire apparaitre une tâche d’environ 1 cm de diamètre. Nous faisons la même manipulation avec une feuille jaune puis avec une feuille rouge.

2 - Nous suspendons successivement chaque papier à chromatographie à l’aide d’un crochet fixé sur un bouchon, dans trois éprouvettes fermées contenant chacune 5 ml de solvant.

3 - Nous recouvrons chaque éprouvette avec un cache afin de laisser migrer les tâches dans l’obscurité.

4 - Après 30 minutes d’attente, nous pouvons observer les résultats…

2 ème expérience :

Matériel :

Identique à celui de la première expérience.

Durée :

30 minutes ( temps d'attente )

Observations :

          -chromatographie feuille verte : bien visible
          -chromatographie feuille rouge : trés peu visible
          -chromatographie feuille jaune : trés peu visible

3 ème expérience :

2ème sorte de chromatographie

Objectif :


Séparer les différents pigments d’une solution de chlorophylle brute, de xanthophylle brute et de carotène brut.

1 - Sur une bande de papier à chromatographie (papier Wattman n°1 ou 2), nous déposons à une distance d’environ 1 cm du bas une dizaine de gouttes de chlorophylle brute obtenue après broyage d’une feuille verte et filtrat dans l’alcool.

2 - Nous répétons la même expérience après broyage d’une feuille jaune et broyage d’une feuille rouge.

3 - Nous avons sécher chaque tâche entre deux dépôts avec un sèche-cheveux.

4 - Nous suspendons successivement chaque papier à chromatographie à l’aide d’un crochet fixé sur un bouchon, dans trois éprouvettes fermées contenant chacune 5 ml de solvant.

5 - Nous recouverons chaque éprouvette avec un cache afin de laisser migrer les tâches dans l’obscurité. Le solvant monte dans la feuille par capillarité en entraînant les pigments de manière différentielle selon leur affinité avec le solvant. On peut distinguer ainsi deux catégories principales de pigments : les chlorophylles (vertes) et les caroténoïdes (jaunes).

6 - Après 30 minutes d’attente, nous pouvons observer les résultats…

Observations :

          - chromatographie feuille verte : bien visible
          - chromatographie feuille rouge : bien visible
          - chromatographie feuille jaune : peu visible

Voici un montage vidéo expliquant les diverses expériences auquelles nous avons procédé :

4. Interprétation :

Sur la bande de papier Wattman correspondant aux feuilles vertes, obtenue après la troisième expérience, nous observons  4 pigments dont la chlorophylle A et B, la xanthophylle et le carotène.

En automne, nous observons que les feuillages des arbres changent de ton. Nous avons émis l’hypothèse qu’il y a moins de chlorophylle dans les feuilles … on voit alors apparaître les deux autres pigments habituellement cachés par le vert : le rouge et le jaune.

Concernant la bande de papier Wattman correspondant aux feuilles rouges, nous observons que la chlorophylle a disparu mais qu’il reste du carotène et de la xanthophylle.

Nous  en concluons que la chlorophylle, lorsqu'elle disparaît, entraîne une différenciation de couleur.

En ce qui concerne la chromatographie des feuilles jaunes, nous remarquons la présence de la xanthophylle alors que le carotène et la chlorophylle n’apparaissent plus.

Nous pensons donc que c’est la perte de ces deux pigments qui a entrainé un changement de couleur de la feuille.

Par conséquent, nous avons  émis l'hypothèse que le responsable de la destruction de ces pigments était  l'arbre.

5. Conclusion :

Nous savons que dans la feuille, les pigments sont responsables de la photosynthèse car ils captent les rayons lumineux.

Le vert des feuilles provient de la chlorophylle. Celle-ci capte l'énergie de la lumière et la transforme en énergie chimique. C'est en partie grâce à cette chlorophylle que la plante se développe (grandit, fleurit...) et emmagasine des réserves. Il lui faut de la chaleur et beaucoup de lumière pour être efficace, c'est donc en été que la chlorophylle est la plus active, donc la plus visible. En conséquence les feuilles nous apparaissent vertes en été.

En effet, le raccourcissement des jours associé à une baisse des températures et la lumière devenant de moins en moins présente, le mécanisme de la photosynthèse devient de moins en moins efficace, entraînant la disparition de la chlorophylle. Suite à cette disparition, l'arbre ne considère plus la feuille comme indispensable. Alors un bouchon liégeux se crée à la base du pétiole, donc la sève circule moins bien. Cela entraîne une accumulation de sucre, c'est alors qu'a lieu la réaction sucre-protéines. Le résultat de cette réaction provoque une augmentation du pourcentage de carotène : les feuilles apparaissent alors rouges ( à savoir que plus le pH du sol est acide, plus les feuilles seront rouges ).

Quant à la xanthophylle, à l’origine de la couleur jaune, bien que présente dans la feuille en même temps que la chlorophylle et que le carotène , n'est elle pas dominante en été ce qui la rend invisible. La xanthophylle étant un pigment plus stable, elle n'est pas détruite avec l'arrivée de l'automne, on assiste alors au jaunissement des feuilles.  
Lors de ce cycle, la feuille prend successivement des teintes vertes, rouges, jaunes et devient enfin marron (on dit alors que la feuille est "morte" ).
Notons également que le passage du vert au jaune-rouge annonce la chute proche des feuilles et le repos hivernal de la plante.

Nous en concluons donc, que c’est l'arbre, qui par soucis d'économie d'énergie, est responsable de la destruction des pigments et du changement de couleur des feuilles.

6. Suite à nos recherches :

Nous savons que le manque de lumière n’est pas l’unique cause du processus de changement de couleur des feuilles. En effet, lorsque les températures se mettent à diminuer à l’approche de l’hiver, les canaux qui apportent la sève se ferment et une couche de séparation apparaît à la base de la feuille : le pétiole. Il empêche la nourriture d'accéder à la feuille.

Privée à la fois de lumière et de nourriture, la feuille n’arrive plus à fabriquer de chlorophylle. Une fois ses réserves épuisées, elle meurt… et tombe de l’arbre !

Nous avons également appris que la chute des feuilles en automne n’était pas une grande perte pour les arbres :  d’une part parce que leur métabolisme était très ralenti par arrêt de la photosynthèse et d’autre part, parce que leurs constituants sont recyclés et réutilisés par l’arbre.

7. Spectres d'absorption des différents pigments d'une feuille :

Définition spectre d’absorption :

Une solution contenant des substances colorées, éclairée par une lumière blanche, présente un spectre de bandes d’absorption. La couleur du corps est due aux radiations non-absorbées.
 

Voici le spectre d’absorption de la chlorophylle a et celui de la chlorophylle b ( avec en haut le spectre témoin en dessous le spectre et enfin la courbe ), c'est-à-dire des spectres de la lumière blanche qui ont traversé des molécules de chlorophylle.

Observations :

On voit des bandes noires correspondant à des radiations absentes dans le rouge et dans le bleu-violet parce qu’elles ont été absorbé par la chlorophylle.

Comparaison des deux courbes résultant des spectres d’absorption des chlorophylles a et b.

Voici le spectre d’absorption du carotène :

Observation :

On observe que le carotène absorbe essentiellement entre 400 et 500 nanomètres.

Pigments chlorophylliens et photosynthèse :

Une extraction de la solution alcoolique des pigments chlorophylliens a permis, en utilisant un spectroscope, de visualiser le spectre d'absorption des pigments "bruts" (B) que l'on peut comparer au spectre de la lumière blanche (A).

Observation :

On observe que les pigments « bruts » absorbent essentiellement entre 500 et 650 nanomètres.

La superposition presque exacte du spectre d'absorption des pigments "bruts" et du spectre de l'activité photosynthétique montre bien que les pigments jouent un rôle essentiel dans la photosynthèse : ils permettent au végétal chlorophyllien de "piéger" l'énergie lumineuse.

Structures des molécules :

Les chlorophylles sont associées à des protéines et forment des complexes protéines - pigments.
Structure d’une molécule de carotène et d’une molécule de xanthophylle :

Petit plus du TPE :

Pourquoi certains arbres perdent-ils leurs feuilles en hiver et d'autres non ?

Comme les feuilles contiennent beaucoup d’eau, les arbres font tomber ces dernières pour éviter de geler et ainsi se protéger du froid. Les réserves accumulées grâce à la photosynthèse durant l’été, permettent à l’arbre de survivre tout l’hiver.

Lorsque les températures se mettent à diminuer à l’approche de l’hiver, les canaux qui apportent la sève, se ferment et une couche de séparation apparait à la base de la feuille : le pétiole.

Les feuilles n’étant plus alimentées en sève; la chlorophylle ne peut plus jouer son rôle et se dégrade, pour laisser place au carotène qui colore les feuilles en rouge, puis à la xanthophylle qui colore les feuilles en jaune. Enfin la feuille devient marron, on dit qu’elle est "morte", ce qui signifie le repos hivernal de l’arbre.

De la même façon, si l’arbre détecte des températures trop élevées en été, il va utiliser le même procédé (faire tomber ses feuilles) pour limiter au maximum l’évaporation et ainsi survivre.

Cependant, il y a des exceptions…Les arbres à feuilles persistantes se défendent différemment face aux températures hivernales :

-          Le chêne conserve ses feuilles mortes durant tout l’automne. Les nouvelles feuilles apparaissent en avril et par conséquent les feuilles mortes tombent.

-          Le pin, le sapin, le houx et le lierre sont dotés d’aiguilles ou de feuilles recouvertes d’une couche de cire afin de les protéger du gel et pour leur permettre de produire de l’énergie tout au long de l’année.

Remerciements :

Nous voudrions remercier nos deux professeurs titulaires :

- M. Cloup ( notre professeur de Physiques/Chimie et notre professeur principal )
- M. Duroux ( professeur des Sciences de l’Ingénieur )

ainsi que :

- Mme Lorenzon ( notre professeur de Sciences et Vie de la Terre ) 

sans oublier:

- toutes les personnes du laboratoire de Sciences et Vie de la Terre du lycée Sud-Médoc, qui nous ont aidé et conseillé pour l’élaboration de nos TPE.
- toutes les personnes qui on permis ce résultat par leurs aides, leurs avis et leurs soutiens.

Sources :

Bibliographie :

- Livre de Terminale S, option SVT, édition Nathan 2003 (pour le protocole des expériences de chromatographie)
- Livre de Physiques/Chimie Seconde, édition Belin 2004 (pour les spectres d’absorption)
- Livre de Physiques/Chimie Seconde, édition Nathan 2000 (pour les spectres d’absorptions)

Sitographie :

http://www.inra.fr/la_science_et_vous/apprendre_experimenter/questions_d_actu/2007/chute_des_feuilles

http://www.photos-neuch.net/Textes/feuilles.pdf

http://www.erabliere-lac-beauport.qc.ca/colors/falcolr.htm

http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Photosynthese/exp233.html

http://www.mddep.gouv.qc.ca/jeunesse/chronique/2003/0309-automne.htm