Le mécanisme de la production de chaleur chez l'arum (sujet national, juin 2015, partie 2, ex. 2)

Énoncé

Énergie et cellule vivante
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.
Synthèse
À partir des informations extraites des documents et de vos connaissances, identifier et décrire le mécanisme expliquant la brutale production de chaleur chez l'arum.
Document 1
Température mesurée au niveau de l'inflorescence d'arum lors du brutal épisode de production de chaleur
Température mesurée au niveau de l'inflorescence d'arum lors du brutal épisode de production de chaleur
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
Mesure de la température et de la production de CO2 dans l'inflorescence au cours de la journée
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
Mesures de la quantité de dioxygène consommé et de la quantité de réserves d'amidon dans l'inflorescence à différents stades
D'après Lance, Signol et Chauveau, 1976, modifié.
Document 4
Mesure de la quantité de l'organite photographié ci-dessous dans le spadice
Mesure de la quantité de l'organite photographié ci-dessous dans le spadice
Banque d'image 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
+
++++
++++
+

Comprendre la question
Cet exercice porte sur l'origine de la brutale et forte production de chaleur dans l'inflorescence d'une plante, l'arum. Il s'agit de mener une démarche cohérente à partir de l'exploitation des documents mis en relation avec les connaissances pour caractériser la production de chaleur, puis de mettre en évidence le mécanisme responsable de cette élévation de température. La réponse doit contenir une introduction qui expose la problématique, une argumentation structurée et une conclusion répondant à la problématique. Aucun schéma n'est exigé par l'énoncé.
Procéder par étapes
Identifiez le type de réponse attendu.
Extrayez des documents les informations en rapport avec le problème scientifique.
Construisez 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 : Quel est le mécanisme expliquant la brutale production de chaleur de l'arum ?
Mise en évidence de la brutale production de chaleur de l'arum
Document 1. Dans l'inflorescence de l'arum, appelée spadice : forte élévation de la température.

Mécanisme expliquant la brutale production de chaleur de l'arum
Document 2. Correspondance entre l'élévation de la température du spadice et la forte production de CO2.
Document 3. Avant la production de chaleur : accumulation d'amidon et faible consommation d'O2.
Pendant la production de chaleur : diminution des réserves d'amidon et augmentation de la consommation d'O2.
Document 4. Avant et pendant la production de chaleur : présence de mitochondries en grande quantité dans le spadice.
Bilan. La forte production de chaleur liée à une respiration intense, localisée au niveau des mitochondries.
L'amidon est un polymère du glucose. L'hydrolyse de l'amidon libère du glucose.
La respiration cellulaire est l'oxydation du glucose en présence d'O2. Elle produit de l'énergie et libère du CO2.
La mitochondrie est l'organite intracellulaire où a lieu la respiration.
Conclusion

Corrigé

Synthèse
On observe une brusque élévation de la température des fleurs mâles des arums, qui entraîne 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, au cours des différents stades de l'évolution de l'inflorescence, nous analyserons et nous mettrons en relation l'évolution de la température, de la production de CO2, de la consommation d'O2, des réserves d'amidon et de la quantité d'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. Sur l'échantillon proposé, on observe que la température des tissus de la spathe est d'environ 20°C alors que le spadice présente une température plus forte, de l'ordre de 35°C dans sa partie supérieure, et qui atteint 40°C dans sa partie inférieure. Le document 2 confirme cette élévation de la température dans le spadice et montre qu'elle est rapide dans le temps : à 3 h, la température est à 15 °C, puis elle augmente pour atteindre sa valeur maximale de 30°C à 6 h. La température se maintient à cette valeur maximale jusqu'à 15 h, puis elle diminue et rejoint sa valeur initiale de 15°C à 18 h. La mise en relation des documents 1 et 2 démontre donc l'existence d'une élévation brusque de la température du spadice de 15°C en trois heures. 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 h et atteint sa valeur maximale à 12 h avant de revenir à sa valeur initiale vers 18 h. La comparaison de l'évolution de la température et de l'évolution de la production de CO2 dans l'inflorescence montre que ces deux paramètres évoluent de manière parallèle : l'évolution de la température et l'évolution de la production de CO2 sont étroitement corrélées.
L'étude du document 3 montre que, avant la production de chaleur, la quantité d'amidon augmente dans l'inflorescence alors que la consommation d'O2 reste faible. Au moment de la production de chaleur, la quantité d'amidon présent dans l'inflorescence diminue alors que la consommation d'O2 augmente fortement, puis redevient 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, nous savons que l'amidon est un polymère de glucose et constitue la forme de réserve du glucose dans les végétaux. En outre, nous savons que les cellules sont capables d'effectuer la respiration, qui consiste en l'oxydation du glucose en présence d'O2. La respiration s'accompagne d'une production de CO2. Nous pouvons donc en déduire que les cellules constituant l'inflorescence de l'arum effectuent une respiration accrue, à l'origine de la brusque production de chaleur observée.
Enfin, le document 4 présente à différents moments de l'évolution de l'inflorescence la variation dans le spadice de la quantité d'un organite présenté en photographie. L'organite photographié présente une membrane interne développée dessinant des crêtes à l'intérieur de l'organite : ces crêtes membranaires sont caractéristiques d'une mitochondrie. Les mitochondries sont peu présentes dans le spadice plusieurs jours avant et après la production de chaleur, mais elles sont très abondantes juste avant et pendant la production de chaleur. Or, nous savons que les mitochondries sont le lieu de la respiration cellulaire. La forte quantité de mitochondries présentes juste avant et pendant la production de chaleur confirme donc que cette production accrue de température est effectuée lors d'une forte respiration grâce aux nombreuses mitochondries. En outre, nous savons que la respiration produit une quantité importante d'énergie sous forme d'ATP (adénosine triphosphate). On peut supposer que l'énergie produite lors de la respiration dans le spadice de l'arum est transformée en énergie thermique, à l'origine de l'augmentation de la température du spadice.
Ainsi, nous avons établi que la forte production de chaleur dans l'inflorescence de l'arum est due à une forte activité respiratoire qui a lieu dans les mitochondries des cellules de l'inflorescence. Cette respiration accrue consomme du glucose issu de l'hydrolyse de l'amidon et de l'O2, et elle produit du CO2 et une forte énergie thermique. Pour compléter l'étude, il faudrait établir avec précision les mécanismes moléculaires présents au sein de la mitochondrie, qui permettent de produire une forte quantité de chaleur lors de cette respiration.