La photosynthèse
La photosynthèse est le processus par lequel les plantes transforment l'énergie solaire en énergie stockable pour une utilisation ultérieure. Les plantes réalisent ce processus dans des centres de réaction photosynthétique. Ces minuscules unités, situées dans les feuilles, convertissent l'énergie lumineuse en énergie chimique, la forme utilisée par tous les organismes vivants.
La photosynthèse schématisée dans son processus :
La photosynthèse se déroule en deux phases : phase claire et phase sombre. Durant la phase nocturne, la photosynthèse cède la place au seul processus de respiration, alors que, durant la phase diurne, les deux processus se déroulent simultanément. Le CO2 et l'eau se combinent pour former des glucides (sucres) et dégagent de l'oxygène.
Généralités
La photosynthèse est le processus par lequel les plantes vertes et certains autres organismes utilisent la lumière du soleil pour synthétiser des nutriments à partir de dioxyde de carbone et d'eau. La photosynthèse chez les plantes implique généralement la chlorophylle, un pigment vert. Elle produit de l'oxygène comme sous-produit.
La photosynthèse des végétaux transforme les photons de la lumière, le dioxyde de carbone (CO2) et l'eau en glucose. Le processus se déroule dans les plantes, les algues et certaines bactéries lorsqu'elles sont exposées au soleil.
La photosynthèse est une synthèse bioénergétique de l'énergie photonique de la lumière en une énergie chimique exploitable par un organisme photosynthétique. Le processus transforme des l'eau et le dioxyde de carbone en sucre grâce aux chloroplastes.
Pendant le processus diurne (lumineux), il y a dégagement d'oxygène (O2). Cette biosynthèse alimente la croissance de végétaux, en utilisant principalement l'enzyme Rubisco.
La chlorophylle des plantes vertes, siège de la photosynthèse, absorbe le CO2 et génère de l'oxygène O2 comme sous-produit. Elle procède à la biosynthèse des molécules de glucide en utilisant la lumière. Exploitée par les végétaux, elle transforme la lumière du soleil, l'eau et le dioxyde de carbone en oxygène et en énergie sous forme de sucre (glucose).
La photosynthèse absorbe le dioxyde de carbone (CO2) produit par les organismes photosynthétiques et réintroduit de l'oxygène (O2) dans l'atmosphère. Cette synthèse se déroule en deux phases : une phase claire (lumineuse) avec la photophosphorylation, et une phase sombre (réaction sombre) avec les réactions du cycle de Calvin-Benson.
Photosynthèse chez la bourrache :
Schéma du cycle de la photosynthèse chez la bourrache Borago officinalis. Ce processus est essentiel à presque toute vie et constitue la principale source d'oxygène dans l'atmosphère. La photosynthèse est tout autour de nous. Cela se passe sous nos pieds, au-dessus de nos têtes et dans les zones ensoleillées des milieux aquatiques.
La photosynthèse est le processus biochimique le plus important de la planète. En effet, elle récupère le dioxyde de carbone expulsé par tous les organismes respiratoires et le réintroduit dans l'atmosphère sous forme d'oxygène. L'énergie chimique issue du processus photosynthétique est mise en réserve dans des composés de type glucose.
La photosynthèse est influencée par plusieurs facteurs environnementaux : la température (toutes les réactions biochimiques), la lumière (énergie), le CO2 (carbone) et l'eau H2O (stress hydrique). L'équation-bilan découle de ces facteurs.
Équation-bilan
L'équation-bilan de la photosynthèse est : 6 CO2 + 12 H2O + lumière → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O.
La formule simplifiée de la photosynthèse sans indication de l'origine aqueuse du dioxygène est : 6 CO2 + 6 H2O + lumière → C6H12O6 + 6 O2.
Le taux de photosynthèse dépend de l'intensité lumineuse, de la concentration de dioxyde de carbone, de l'approvisionnement en eau, de la température et de la disponibilité des minéraux.
Dans les feuilles
Chez les végétaux, la photosynthèse a principalement lieu dans les feuilles. Ainsi, elle convertit l'énergie lumineuse en énergie chimique stable et assimilable par les plantes et d'autres organismes photosynthétiques.
Donc, le processus a lieu dans les chloroplastes des feuilles. Les cellules de chlorophylle transforment la matière inorganique, les photons, en matière organique, les sucres (ou glucides).
Chaque feuille, photosynthétique, des végétaux spermatophytes est l'organe du lieu de déroulement de la photosynthèse.
Cette fonction intervient chez les végétaux, les coraux, les cyanobactéries, certaines bactéries et quelques autres organismes.
La photosynthèse est une biosynthèse qui transforme l'énergie lumineuse de la lumière en composés organiques de nature glucidique. Ensuite, ces glucides fournissent l'énergie à l'organisme. Il peut y avoir intervention d'organismes photosymbiotiques.
Anatomie d'une feuille et photosynthèse :
La feuille, élément photosynthétique de la photosynthèse, vue en détails anatomiques.
Lors de la photosynthèse par une feuille, la lumière, sous forme de photons, est captée par un pigment coloré associé à un donneur d'un électron minéral ou organique. Cela permet l'utilisation de matière minérale pour la synthèse (fabrication) de composés organiques.
Cette étape exploitant un pigment photosynthétique est appelée la "phase de photophosphorylation de la photosynthèse" des feuilles. Les cytochromes jouent un rôle de transporteur d'électrons.
La photosynthèse a lieu dans les feuilles des plantes, et (très) rarement dans les tiges ou autre partie aérienne. Les parties d'une feuille typique incluent les épidermes supérieurs et inférieurs, le mésophylle, le faisceau vasculaire (veines), et les stomates.
Si les cellules de l'épiderme supérieur et inférieur ne sont pas des chloroplastes, la photosynthèse ne débute pas. De fait, ils servent principalement comme protection pour le reste de la feuille. Les stomates sont des trous existant dans l'épiderme inférieur et permettent les échanges d'air (CO2 et O2).
Les faisceaux vasculaires (ou veines) dans une feuille font partie du système de transport de la plante, de l'eau en mouvement et des nutriments autour de la plante, au besoin. Les cellules du mésophylle ont des chloroplastes.
Tous les animaux dépendent de la photosynthèse. Toute l'énergie du soleil que les plantes absorbent et emmagasinent en synthétisant le sucre (glucides) est transférée dans le corps lors de l'ingestion des plantes, énergie devenant disponible pour les processus corporels.
Processus
La vie sur notre planète est essentiellement maintenue grâce à la photosynthèse réalisée dans le milieu aquatique par des algues, des cyanobactéries, des bactéries photosynthétiques, des bactéries pourpres (sulfureuses) et des bactéries vertes sulfureuses, et des plantes de l'environnement terrestre.
Elles ont la capacité de synthétiser de la matière organique (essentielle à la constitution des êtres vivants) à base de lumière et de matière inorganique.
Chaque année au niveau planétaire, les organismes photosynthétiques fixent environ 100 000 millions de tonnes de carbone sous forme de matière organique.
Une autre définition simplifiée de la photosynthèse consiste à réunir des conditions nécessaires pour réaliser une conversion de l'énergie lumineuse provenant du soleil en énergie chimique. Cette biosynthèse photonique d'un glucide se fait à partir de dioxyde de carbone CO2 au moyen de l'énergie lumineuse.
Schéma détaillé de la photosynthèse des feuilles :
Schéma détaillé du processus de photosynthèse avec des feuilles.
Encore autrement exprimée en SVT, la photosynthèse résulte d'une activité chimique (une synthèse) des végétaux chlorophylliens qui fabriquent des substances organiques fondamentales biochimiques à partir d'eau et des sels minéraux grâce à l'aptitude des chloroplastes à capter une fraction de l'énergie solaire.
Mécanisme d'absorption
Chez les plantes vertes et les cyanobactéries, l'absorption de l'énergie lumineuse est effectuée par des chlorophylles et des bactéries (bactériochlorophylles). La lumière de différentes gammes de longueurs d'onde est absorbée par ces colorants. L'écart conduit à cette couleur verte caractéristique.
Lors de la photosynthèse, l'évolution de l'absorption des chlorophylles a, b et du β-carotène est indiquée par corrélation du taux de photosynthèse de l'activité photosynthétique via le du spectre d'absorption. L'énergie de la lumière est capturée par les colorants dans les organismes phototrophes.
La gamme spectrale optimale pour le processus est déterminée expérimentalement par le test d'Engelmann sur des bactéries. Les colorants absorbant la lumière sont également appelés chromophores. Ces complexes avec des protéines environnantes conduisent à la formation de pigments.
Ce n'est pas la totalité de la lumière du Soleil qui illumine la surface de la Terre. Même la lumière solaire (énergie magnétique) est réfléchie et étalée, mais cette luminosité est suffisante pour la survie de toutes les plantes du monde en exploitant le processus de la photosynthèse. Lorsque cette énergie arrive à une plante verte à feuilles, toutes sortes de réactions peuvent avoir lieu pour stocker de l'énergie sous la forme de molécules de sucre.
Même lorsque la lumière parvient à une plante, la plante ne peut pas utiliser l'intégralité de cette énergie lumineuse. Elle n'utilise que certaines couleurs pour activer la photosynthèse. Les plantes absorbent la plupart des longueurs d'onde rouges et bleues.
Quand vous voyez une couleur, il s'agit d'une couleur que l'objet (ou tout biote) n'absorbe pas. Dans le cas des plantes vertes, elles n'absorbent pas la lumière dont les longueurs d'onde correspondent à la couleur verte.
Le mécanisme de la photosynthèse est très complexe. Cependant, les processus photosynthétiques ont une importance particulière dans l'enceinte fermée d'un aquarium. En effet, sous l'influence énergétique de la lumière, les chloroplastes (parties de la cellule végétale contenant de la chlorophylle) des cellules végétales combinent le gaz carbonique (CO2) à l'eau douce pour donner des sucres en C6H12O6. Ceux-ci sont transformés en amidon C6H12O5, pour un décimètre carré de surface de feuille, il y a, en moyenne, formation de 0,2 g d'amidon par jour. L'ensemble de l'opération est accompagné d'un fort dégagement d'oxygène. En fait, la photosynthèse aquatique consiste essentiellement en une photolyse de la molécule d'eau.
La plupart des plantes, la plupart des algues et des cyanobactéries effectuent le processus de la photosynthèse, et sont appelées photoautotrophes, des autotrophes photosynthétiques. Elle maintient les niveaux d'oxygène dans l'atmosphère et des éléments essentiels de l'énergie nécessaire à la vie sur Terre, sauf pour les chimiotrophes, qui gagnent l'énergie par oxydation des réactions chimiques.
Bien que la photosynthèse soit réalisée différemment selon les espèces, le processus commence toujours lorsque l'énergie de la lumière est absorbée par des protéines appelées "centres réactionnels", les centres réactionnels de la photosynthèse, qui contiennent des pigments verts de chlorophylle.
Dans ces réactions dépendant de la lumière, de l'énergie est utilisée pour enlever des électrons à partir des substances appropriées telles que l'eau. On obtient ainsi de l'oxygène gazeux et des ions hydrogène, qui sont transférés à un composé appelé nicotinamide adénine dinucléotide phosphate NADP, en la réduisant en NADPH.
L'énergie lumineuse est transmise à l'énergie chimique dans la génération de l'adénosine triphosphate ATP, l'équivalent de la "monnaie énergétique" des cellules.
Chez les plantes, les algues et les cyanobactéries, des sucres sont produits par une séquence de réactions de lumière indépendantes appelées le cycle de Calvin (réaction du cycle de Calvin), mais certaines bactéries utilisent des mécanismes différents, tels que le cycle de Krebs inverse.
Dans le cycle de Calvin, du dioxyde de carbone de l'atmosphère est incorporé dans des composés carbonés organiques déjà existants, tels que (avec carboxylase et oxygénase) la ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygénase RuBP.
L'utilisation de l'ATP et du NADPH produit par les réactions dépend de la lumière, les composés obtenus sont ensuite réduits en triose de phosphate.
Parmi les six molécules de triose phosphate produites, certaines sont éliminées pour former d'autres hydrates de carbone et cinq sont des "recyclés" à nouveau dans le cycle pour régénérer l'accepteur de dioxyde de carbone d'origine, le RuBP.
Types de photosynthèses
On distingue diverses photosynthèses, et les 4 principaux types sont : oxygénique, anoxygénique, artificielle, bionique (vs. naturelle) :
- photosynthèse oxygénique : chez les végétaux et les cyanobactéries où du dioxygène issu de la photolyse de l'eau est dégagé. Elle a trois sous-types : photosynthèse en C3 (la plus courante, 85 % des plantes), photosynthèse en C4 et photosynthèse CAM (métabolisme acide crassulacéen, plantes grasses -Cactées, xérophytes, euphorbes-).
- photosynthèse anoxygénique : chez les bactéries phototrophes autres que les cyanobactéries, synonyme d'assimilation chlorophyllienne.
- photosynthèse artificielle : qui entame une voie de laboratoire, au travers d'une membrane mécanique, pour la production de biocarburant.
- photosynthèse bionique : qui utilise des bactéries modifiées, est une photosynthèse artificielle.
Photosynthèses naturelle, artificielle et bionique :
3 formes de photosynthèses : naturelle, artificielle et bionique.
La photosynthèse naturelle (avec une vraie feuille) utilise la lumière et quelques enzymes pour convertir en oxygène et en sucre ce que les feuilles des plantes ont absorbé (eau et dioxyde de carbone) pendant la journée.
La photosynthèse artificielle utilise des feuilles synthétiques qui ont un semi-conducteur pour générer des électrons sous forme de lumière et un catalyseur pour voler des protons à l'eau. Ceux-ci sont combinés pour produire de l'hydrogène.
La photosynthèse bionique utilise des feuilles bioniques en combinant la technologie de récolte de lumière avec des microbes (bactéries modifiées). Dans cette conception, l'hydrogène d'une feuille artificielle est transmis à des microbes, qui produisent ensuite des produits chimiques utiles (plastiques, biocarburants...).
Plantes aquatiques
La photosynthèse des plantes aquatiques ne diffère pas des autres végétaux photosynthétiques, mais l'eau se transforme en filtre pour le spectre lumineux arrivant sur les feuilles submergées.
En aquarium, l'éclairage doit tenir compte de la profondeur dans la couche d'eau de l'organisme photosynthétique : le rouge est arrêté par l'eau dès les 5 à 10 premiers cm d'une eau douce ou salée, et c'est le bleu qui pénètre le plus profondément, partie du spectre favorisant les algues vertes.
Photosynthèse de plantes aquatiques :
Schéma de la photosynthèse des plantes aquatiques avec des feuilles immergées sous l'eau.
Le processus de la photosynthèse des plantes aquatiques se déroule ainsi :
- le dioxyde de carbone fournit le carbone pour construire les glucides
- l'eau est facilement absorbée par les plantes aquatiques
- des pigments tels que la chlorophylle piègent l'énergie solaire et l'utilisent pour "alimenter" la photosynthèse
- l'oxygène est libéré sous forme de déchet
- le glucose produit à partir de la photosynthèse est stocké et utilisé comme source de nourriture
La photosynthèse induite chez les plantes d'aquarium n'atteint son maximum qu'après environ 6 heures d'exposition continue et pour favoriser la croissance des plantes immergées, une durée d'environ 12 heures d'éclairage est une moyenne naturelle, surtout pour des plantes provenant des zones tropicale et subtropicale.
Influences des facteurs externes
Par vérification expérimentale, les chercheurs ont conclu que la température, la concentration de certains gaz dans l'air (tels que le dioxyde de carbone et l'oxygène), l'intensité de la lumière et la pénurie d'eau (stress hydrique) sont les facteurs impliqués augmentant ou diminuant la performance de la photosynthèse d'un légume.
Les facteurs environnementaux qui influencent le mécanisme et le processus de la photosynthèse sont :
- température : chaque espèce est adaptée pour vivre dans une gamme de températures. Au sein de celui-ci, l'efficacité du processus oscille de telle sorte qu'elle augmente avec la température, en conséquence d'une augmentation de la mobilité des molécules, dans la phase sombre, jusqu'à atteindre une température dans laquelle intervient une dénaturation enzymatique, et avec elle la diminution de la performance photosynthétique.
- concentration en dioxyde de carbone : si l'intensité lumineuse est élevée et constante, les performances photosynthétiques augmentent en relation directe avec la concentration en dioxyde de carbone dans l'air, jusqu'à atteindre une certaine valeur à partir de laquelle le rendement se stabilise.
- concentration en oxygène : plus la concentration en oxygène dans l'air est élevée, plus la performance photosynthétique est faible, en raison des processus de photorespiration.
- intensité lumineuse : chaque espèce est adaptée pour développer sa vie dans une plage d'intensité lumineuse, il y aura donc des espèces de pénombre et des espèces photophiles. Dans chaque intervalle, à une intensité lumineuse plus élevée, un rendement plus élevé, jusqu'à dépasser certaines limites, dans lequel a lieu la photo-oxydation irréversible des pigments photosynthétiques. À intensité lumineuse égale, les plantes C4 (adaptées aux climats secs et chauds) présentent un rendement supérieur à celui des plantes C3 et n'atteignent jamais la saturation en lumière.
- temps d'illumination : certaines espèces développent une plus grande production photosynthétique plus le nombre d'heures de lumière est grand, alors qu'il y en a aussi qui doivent alterner des heures d'illumination avec des heures d'obscurité.
- manque d'eau : en l'absence d'eau dans les champs et de vapeur d'eau dans l'air, la performance photosynthétique diminue. Cela est dû au fait que la plante réagit à un stress hydrique, en raison de la rareté de l'eau, en fermant les stomates pour éviter le dessèchement, empêchant ainsi la pénétration du dioxyde de carbone. De plus, l'augmentation de la concentration en oxygène interne déclenche la photorespiration. Ce phénomène explique qu'en l'absence d'eau, les plantes C4 sont plus efficaces que les plantes C3.
- couleur de la lumière : la chlorophylle α et la chlorophylle β absorbent l'énergie de la lumière dans les régions bleues et rouges du spectre, les caroténoïdes et les xanthophylles en bleu, les phycocyanines en orange et les phycoérythrines en vert. Ces pigments transmettent de l'énergie aux molécules cibles. La lumière monochromatique la moins utile chez les organismes ne contenant ni phycoérythrines ni phycocyanines est la lumière.
Chez les Cyanophycées, si ces pigments ont été mentionnés précédemment, la lumière rouge stimule la synthèse de la phycocyanine, tandis que le vert favorise la synthèse de la phycoérythrine. Dans le cas où la longueur d'onde dépasse 680 nm, le photosystème II n'agit pas avec la réduction conséquente de la performance photosynthétique, car seule la phase lumineuse cyclique existe.
Enfin, il faut savoir que les plantes aquatiques d'eau douce sont façonnées par le paysage environnant : leur emplacement détermine leur faculté photosynthétique.
Histoire et évolution
Historiquement, les premiers organismes photosynthétiques ont probablement évolué au début de l'histoire de l'évolution de la vie et très probablement utilisés des agents réducteurs tels que l'hydrogène ou le sulfure d'hydrogène comme source d'électrons, plutôt que l'eau.
Les cyanobactéries sont apparues plus tard, et l'excès d'oxygène qu'elles produisent a contribué à la catastrophe de l'oxygène, qui a rendu l'évolution de la vie complexe possible.
Voir plus en détails l'évolution historique des feuilles avec la photosynthèse, notamment avec la théorie du télome, des microphylles qui ont évolué en mégaphylles.
Aujourd'hui, le taux moyen de capture d'énergie par photosynthèse est globalement environ 130 térawatts, c'est-à-dire environ six fois plus que l'actuelle consommation d'énergie de la civilisation humaine.
Les organismes photosynthétiques convertissent également autour de 100 à 115 000 millions de tonnes métriques (= 100–115 pétagrammes) de carbone dans la biomasse par an.
En rapport avec "photosynthèse"
centres réactionnels de la photosynthèse
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