Introduction

Pourquoi les végétaux sont-ils verts ? Ben… à cause de la chlorophylle tout le monde le sait, comme dans les chewing-gums ! Pourquoi certains végétaux sont plutôt de couleur rouge alors ? Et pourquoi les feuilles sont rouges en automne ? Cette fiche d’activité répondra à toutes ces questions. Elle vous fera découvrir l’origine de la couleur des feuilles, c’est-à-dire le monde des pigments végétaux, et vous apprendra à extraire facilement certains de ces pigments.

Le Projet

Introduction

Les végétaux sont des organismes vivants autotrophes (à l’inverse des hétérotrophes, comme nous !) c’est-à-dire que, pour pouvoir vivre, ils synthétisent des substances nutritives (organiques) nécessaires à leur construction (leur croissance,…) à partir d’éléments minéraux de leur environnement. Tandis que les organismes hétérotrophes (comme les animaux et les champignons), eux, ne peuvent élaborer de substances organiques. Ils doivent donc se nourrir de matière organique provenant d’autres plantes ou animaux.

Pour vivre, les végétaux ont besoin de trois éléments de l’environnement : de l’eau, du dioxyde de carbone et de la lumière. Les végétaux utilisent la lumière comme source d’énergie. Ce phénomène s’appelle la photosynthèse. Les produits de la photosynthèse sont des glucides (C6H1206) qui permettent à la plante de croître. Les glucides sont formés à partir de dioxyde de carbone (CO2) et d’eau (H20) en présence de chlorophylle grâce à l’énergie lumineuse. L’équation de la photosynthèse est : 6CO2 + 6H20 + lumière → C6H1206 + 6O2

La photosynthèse se déroule dans des structures, appelées chloroplastes, situées dans les organes chlorophylliens du végétal (c’est-à-dire les feuilles ou les tiges). C’est dans ces chloroplastes que se situent les pigments que nous allons découvrir maintenant.

Matériel et méthode

L’objectif de l’activité est de mettre en évidence les différents pigments présents dans une feuille par la technique de la chromatographie sur couche mince et de les identifier.

La chromatographie est une technique de séparation des différents constituants d’un mélange basée sur les différences d’aptitude de ses constituants à se fixer sur une surface. La chromatographie sur couche mince est la technique chromatographique la plus simple à réaliser. Le mélange est élué le long d’une bande de papier chromatographique (papier filtre ou papier buvard blanc). Les corps qui sont le moins absorbés se déplacent plus loin que les autres et, comme les différents constituants sont colorés, on obtiendra sur le papier des taches de couleur distinctes. Chaque tache de couleur correspond à un pigment particulier.

La chromatographie sur couche mince vise donc à mettre en évidence la diversité des pigments végétaux. Pour ce faire, après un écrasement d’un morceau de feuille sur un papier chromatographique, les pigments seront séparés par chromatographie.

Matériel pour une expérience (+- 1h30 d’activité pour enfants de 9 à 12 ans)

 1 feuille d’un végétal (feuille verte : bette, persil, pélargonium, épinard,… ; feuille rouge : chou rouge, prunus,…)
 1 scalpel
 1 bandelette de papier chromatographique (2 cm de large sur 20 cm de long)
 1 tube gradué servant de cuve chromatographique
 quelques millilitres d’éluant organique composé de : 85 % d’éther de pétrole, 10 % d’acétone et 5 % de toluène
 1 cure-dent
 1 morceau de parafilm
 1 crayon gris et 1 règle

Mode opératoire

À l’aide d’un crayon gris, tracer trois lignes horizontales sur la bandelette de papier chromatographique : la première à 1,5 cm du bas, la deuxième à 2 cm du bas et la troisième à 15 cm du bas.

Découper un morceau de 2 cm sur 5 mm dans la feuille verte ou rouge à l’aide du scalpel.

Sur la bandelette de papier chromatographique, poser le morceau de feuille entre les deux lignes proches, et écraser-le à l’aide du scalpel de façon à laisser une tache uniforme très colorée.

Verser dans la cuve chromatographique quelques millilitres de l’éluant (environ 1 cm).

Déposer la bandelette de papier chromatographique verticalement dans la cuve en veillant à ce que la tache verte ne touche pas l’éluant. Faire tenir la bandelette à l’aide d’un cure-dent qui transperce le haut de celle-ci et qui repose sur les parois de la cuve.

Boucher hermétiquement l’enceinte à l’aide du morceau de parafilm afin de saturer l’atmosphère en éluant.

Laisser migrer l’éluant durant 20 à 30 minutes sans déplacer la cuve chromatographique.

Arrêter la chromatographie lorsque le front de migration de l’éluant atteint le trait supérieur.

Observer la séparation des différents pigments (Figure 1) et les identifier selon la couleur. Attention : il faut immédiatement entourer les taches colorées et noter ses résultats car les taches disparaissent rapidement.

Figure 1 : Schéma du protocole de chromatographie sur couche mince pour la séparation des pigments végétaux.

Résultats

Nous observons sur la bandelette de papier chromatographique des taches colorées dispersées spatialement correspondant aux différents pigments présents dans la feuille :
 les taches de couleur jaune orangé correspondent aux carotènes
 les taches de couleur jaune correspondent aux xanthophylles
 les taches de couleur verte correspondent aux chlorophylles (a et b)

Discussion

L’éluant est monté le long de la bandelette de papier chromatographique par capillarité. Après avoir rencontré la tache initiale de l’échantillon végétal, il va poursuivre sa progression verticale en emportant avec lui les différents constituants de l’échantillon.

Les taches correspondant aux différents pigments végétaux se situent à des hauteurs différentes sur la bandelette de papier chromatographique. La séparation spatiale des pigments est due à leur différence de solubilité dans l’éluant organique. Les pigments les plus solubles se déplacent plus rapidement que les espèces qui le sont moins. Ils vont donc par conséquent migrer plus loin sur la bandelette de papier chromatographique. Mais, la position des taches à un endroit particulier de la bandelette dépend aussi de l’affinité du constituant pour la phase fixe, c’est-à-dire le papier chromatographique.

Les trois types de pigments visibles sur la bandelette de papier chromatographique sont les carotènes, les xanthophylles et les chlorophylles.

Les carotènes sont les pigments les plus solubles des trois et qui ont le moins d’affinité pour le papier chromatographique. Les taches de carotènes sont donc retrouvées le plus loin dans le front de migration (tache orange sur le chromatogramme de la Figure 1). Viennent ensuite les xanthophylles, un peu moins solubles, qui ont migré moins loin que les carotènes (tache jaune sur le chromatogramme de la Figure 1). Carotènes et xanthophylles font partie de la famille des caroténoïdes.

Les caroténoïdes sont des pigments rouges, oranges ou jaunes (car ces molécules absorbent le bleu et le vert). Elles sont présentes dans tous les chloroplastes. Il existe donc deux groupes de caroténoïdes :
  les carotènes : le β-carotène des plantes est la principale source de vitamine A indispensable aux hommes et aux animaux. Il est présent dans les feuilles et les fruits.
  les xanthophylles : pigment jaune, présent dans certaines fleurs de couleur jaune, orange ou rouge.

Dans les feuilles vertes, les caroténoïdes sont généralement masquées par les chlorophylles plus abondantes. Mais, elles sont bien présentes, comme on vient de le voir par chromatographie ! Toutefois, les caroténoïdes deviennent visibles en automne quand les chlorophylles se dégradent.

La fonction principale des caroténoïdes est celle d’anti-oxydant, protégeant la chlorophylle des dégâts dus à l’oxydation par la lumière.

Les chlorophylles sont les pigments les moins solubles dans l’éluant. Leur grande taille contribue à augmenter leur affinité avec le papier chromatographique. Par conséquent, elles migrent moins loin (taches vertes sur le chromatogramme de la Figure 1). Elles sont synthétisées en continu du printemps à l’été chez les espèces végétales à feuilles caduques. Les chlorophylles sont présentes dans les feuilles et joue un rôle clé dans la photosynthèse. Elles sont responsables de la capture de l’énergie lumineuse utilisée dans la photosynthèse. Les chlorophylles sont des pigments verts (car ces molécules absorbent le rouge et le bleu). Il existe plusieurs types de chlorophylles :
 la chlorophylle a (tache vert foncé sur le chromatogramme de la Figure 1) : pigment essentiel à la photosynthèse. Cette chlorophylle est présente chez les plantes, les algues et les cyanobactéries (procaryotes).
 la chlorophylle b (tache vert clair sur le chromatogramme de la Figure 1) : pigment accessoire c’est-à-dire qu’il n’intervient pas directement dans la transformation de l’énergie lumineuse. Son rôle est d’élargir la gamme de lumière utilisable en photosynthèse. La chlorophylle b est un peu moins soluble que la chlorophylle a et, par conséquent, migre moins loin. Cette chlorophylle est présente chez les plantes et les algues vertes.
 la chlorophylle c : pigment accessoire présent chez certaines algues.

Conclusion

Cette expérience nous a permis de découvrir l’origine de la couleur des plantes. Elle nous a permis de comprendre qu’il existe différents pigments dans une feuille. Nous les avons différenciés en fonction de leur taille, de leur solubilité dans un solvant organique (l’éluant) et de leur affinité pour une phase fixe.

De plus, lors de la séparation des pigments d’une feuille verte, nous avons remarqué que certains pigments ne contribuent pas à la couleur verte du végétal. Ces pigments, les carotènes et les xanthophylles, malgré leur présence, sont cachés par les chlorophylles et n’apparaîtront qu’au moment où celles-ci se dégradent à l’automne. La feuille se colorera alors de rouge, d’orange et de jaune.

Enfin, d’autres pigments ne sont synthétisés qu’à un certain moment de la vie des plantes (caroténoïdes et flavonoïdes responsable de la couleur des fleurs ou des fruits).

Ouvertures

Pour des enfants plus âgés (> 12 ans), nous pourrions compléter les explications en abordant ou en précisant les notions suivantes :
 lumière et spectre électromagnétique
 polarité d’une molécule (principe d’absorption)
 solubilité et précipitation

Des enfants plus âgés seraient également capables de suivre un protocole plus détaillé et plus complexe (notamment pour la préparation d’un filtrat végétal).

Pour des enfants plus jeunes (< 9 ans), il peut être intéressant d’aborder l’origine des couleurs en utilisant non pas un échantillon végétal, mais en décomposant les couleurs de feutres ou de M&M’s (très bon résultats !) par la même technique chromatographique.

Références bibliographiques

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