La limace « solaire » (sujet national, juin 2013, partie 2, ex. 2)

Énoncé

La limace « solaire »
Elysia chlorotica est un mollusque vivant le long de la côte atlantique nord-américaine. Dénué de coquille, son corps arbore une couleur verte identique à celle des algues parmi lesquelles il se camoufle.
À partir de l'exploitation des documents et de la mise en relation avec les connaissances, expliquer le fait que cet animal ne prenne qu'un seul repas en quelques mois.
Document 1
Électronographie d'une portion de cellule intestinale d'Elysia chlorotica
Sujet national, juin 2013, partie 2, exercice 2 spécialité - illustration 1
Source : d'après « Mollusk/algal symbiosis », Zoology, 2001.
Document 2
Les échanges de dioxygène d'Elysia adulte en fonction de l'intensité lumineuse
Les chercheurs ont quantifié les échanges de dioxygène des individus adultes (âge : 6 à 7 mois) avec leur environnement, en fonction de l'intensité lumineuse à laquelle ont été soumis les animaux. Le tableau indique les résultats obtenus :
« + » = dégagement de dioxygène
« − » = absorption de dioxygène
Intensité lumineuse (en % de l'intensité maximale)

100 %
50 %
25 %
10 %
0 %
Intensité des échanges d'O2 (en microlitres d'O2 par mg de chlorophylle et par heure)
+ 17
+ 12
+ 6
+ 0,5
− 7

Source : d'après acces.ens-lyon.fr/evolution.
Document 3
Le cycle de vie d'Elysia
À leur naissance, les jeunes limaces sont brunes. Puis elles consomment l'algue Vaucheria litorea, et leur corps change de couleur, virant progressivement au vert, couleur qu'elles garderont toute leur vie.
Parallèlement, un phénomène accompagne cette transformation : une fois ce repas terminé, elles peuvent rester plusieurs semaines, voire plusieurs mois, sans manger de nouveau.
Source : Rumpho Mary E. et al., The Journal of Experimental Biology, 2011, 214 : 303-311.
Document 4
Les échanges de dioxygène d'Elysia au cours de leur vie
Les chercheurs ont étudié les échanges d'O2 des mollusques durant leur vie. Il s'agit d'animaux élevés dans une eau de mer artificielle et soumis à un jeûne (pas d'apport de filaments d'algues) à partir d'une quinzaine de jours après leur premier repas. Ces échanges ont été mesurés en plein éclairement d'une part (bilan photosynthèse/ respiration) et à l'obscurité d'autre part (respiration seule). Le document présente les résultats obtenus.
Échange de dioxygène d'Elysia pendant 7 mois d'élevage
Sujet national, juin 2013, partie 2, exercice 2 spécialité - illustration 3
Source : d'après acces.ens-lyon.fr/evolution.
Comprendre la question
La question porte sur un mollusque de bord de mer, Elysia, qui a la capacité étonnante de se satisfaire d'un seul repas d'algues pendant plusieurs semaines, voire plusieurs mois. Le but de l'exercice est d'expliquer cette capacité en comprenant comment Elysia réussit à se fournir en matière organique et en énergie. Ce sujet ne nécessite que quelques connaissances sur la respiration et la photosynthèse. La principale difficulté réside dans la mise en relation des documents et la construction d'une démarche de résolution rigoureuse.
Procéder par étapes
1re étape : identifier le type de réponse attendue
La réponse attendue comprend une introduction, un développement structuré s'appuyant sur l'exploitation rigoureuse des documents associée à l'utilisation des connaissances et une conclusion. Aucun schéma n'est attendu.
2e étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique

3e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents et des connaissances
Le tableau suivant présente un exemple de démarche construite au brouillon.
Parties du problème
Éléments issus des documents
Éléments issus des connaissances
Introduction : Comment expliquer la capacité d'Elysia à ne prendre qu'un seul repas sur une longue période ?
Comment expliquer la couleur verte d'Elysia ?
Document 3. Cycle de vie d'Elysia : ingestion de l'algue verte Vaucheria. Document 1. Présence de chloroplastes et de mitochondries dans les cellules intestinales d'Elysia.

Quel est le métabolisme d'Elysia ?
Document 2. À la lumière, Elysia est capable de réaliser la photosynthèse. À l'obscurité, Elysia réalise la respiration cellulaire. Document 4. Du 2e au 5e mois, la photosynthèse d'Elysia est plus intense que sa respiration, permettant sa croissance. Du 5e au 7e mois, chez Elysia qui n'est plus en croissance, photosynthèse et respiration sont équilibrées.
La photosynthèse, à la lumière, dans les chloroplastes, produit du O2 et permet la synthèse de matières organiques comme le glucose. Dans les mitochondries, la respiration cellulaire utilise du glucose et du O2 et produit de l'énergie utilisable pour les activités cellulaires.
Conclusion

4e étape : rédiger la réponse sur la copie

Corrigé

Elysia chlorotica, un mollusque de bord de mer, possède à la naissance une couleur brune puis devient verte dans les premiers mois de sa vie. De plus, Elysia est capable de ne prendre qu'un seul repas, à base d'algues Vaucheria, en quelques mois. Comment expliquer la capacité d'Elysia à ne prendre qu'un seul repas sur une longue période ? Pour répondre à cette question, nous étudierons le cycle de vie d'Elysia et nous analyserons une électronographie d'une de ses cellules intestinales. Puis, l'étude des échanges de O2 d'Elysia avec son milieu nous permettra de caractériser le métabolisme de ce mollusque.
D'après le cycle de vie d'Elysia (document 3), les œufs incolores donnent naissance à de jeunes limaces brunes, qui se développent sur l'algue Vaucheria, qu'elles consomment. Après leur premier repas de cette algue, Elysia devient progressivement verte. Comment expliquer le changement de couleur de l'Elysia ?
L'électronographie d'une partie de cellule intestinale d'Elysia (document 1) montre la présence dans son cytoplasme de mitochondries et de chloroplastes. Or, les chloroplastes, organites riches en chlorophylle, présentent une couleur verte, qui explique la couleur d'Elysia. Si la présence de mitochondries est normale dans une cellule animale, en revanche la présence de chloroplastes, organites spécifiques des cellules végétales chlorophylliennes, est étonnante. On peut émettre l'hypothèse qu'à la suite de l'ingestion de l'algue verte Vaucheria par Elysia, les cellules intestinales d'Elysia aient pu capter les chloroplastes des cellules de Vaucheria, conférant ainsi une couleur verte à la jeune limace. La présence de chloroplastes chez Elysia expliquerait-elle sa capacité à ne consommer qu'un seul repas pendant plusieurs mois ?
L'étude des échanges d'O2 d'Elysia adulte en fonction de l'intensité lumineuse (document 2) montre qu'à la lumière Elysia libère de l'O2 dans le milieu, et ce d'autant plus que l'intensité lumineuse est forte. Par contre, à l'obscurité, Elysia consomme l'O2 du milieu. Or, on sait que la photosynthèse a lieu dans les chloroplastes en présence de lumière et qu'elle s'accompagne d'une production d'O2. On peut donc supposer qu'à la lumière Elysia verte réalise la photosynthèse au niveau des chloroplastes présents dans ses cellules intestinales. En absence de lumière, l'Elysia réalise la respiration au niveau des mitochondries de ses cellules.
L'étude des échanges d'O2 d'Elysia après son premier repas d'algues puis soumise à un jeûne permet de préciser le métabolisme d'Elysia (document 4). À l'obscurité, la consommation d'O2 d'Elysia traduit sa respiration cellulaire. À la lumière, les échanges d'O2 résultent à la fois de la respiration et de la photosynthèse d'Elysia. Du 2e au 5e mois, la production d'O2 par photosynthèse est supérieure à la consommation d'O2 par la respiration. En considérant que les échanges d'O2 reflètent l'intensité des différents métabolismes, on en déduit que la photosynthèse est plus intense que la respiration. Or, la photosynthèse permet la production de molécules organiques. Une partie de ces molécules organiques est donc utilisée par la jeune Elysia pour se fournir en énergie lors de la respiration et l'autre partie est utilisée pour sa croissance. Puis, aux 6e et 7e mois, l'intensité de la photosynthèse et celle de la respiration diminuent et le bilan respiration/photosynthèse s'équilibre. En effet, à cette date, l'Elysia adulte a fini sa croissance (document 3). Ainsi, aux 6e et 7e mois, la majeure partie de la matière organique produite lors de la photosynthèse est utilisée pour la respiration.
Ainsi, Elysia est capable de ne consommer qu'un seul repas d'algue Vaucheria sur plusieurs mois car elle capture les chloroplastes de l'algue dans ses cellules intestinales et acquiert la capacité à réaliser la photosynthèse à la lumière. Elysia produit alors sa propre matière organique, qu'elle utilise pour sa croissance et pour se fournir en énergie grâce la respiration. Cet exemple met en évidence le couplage énergétique à l'échelle d'un organisme entre photosynthèse et respiration. Cette symbiose très particulière entre les chloroplastes d'une algue et les cellules d'un mollusque constitue un exemple de diversification du vivant.