La photosynthèse est le processus par lequel les plantes vertes et certains autres organismes utilisent la lumière du soleil pour synthétiser des aliments (molécules organiques telles que le glucose) à partir de dioxyde de carbone et d'eau, qui sont des molécules inorganiques. La photosynthèse chez les plantes implique généralement le pigment vert chlorophylle et génère de l'oxygène comme sous-produit.
Réaction de la photosynthèse
Il s'agit d'une réaction d'oxydoréduction déclenchée par la lumière.
Le glucose formé lors de la photosynthèse fournit de l'énergie à la plante, ainsi que des molécules de carbone, essentielles pour fabriquer un large éventail de biomolécules.
La photosynthèse se déroule en deux phases principales : la réaction dépendante de la lumière et la réaction indépendante de la lumière. Des étapes supplémentaires interviennent, tu les découvriras plus bas !
La réaction indépendante de la lumière est parfois appelée « réaction obscure » ou « cycle de Calvin ».
Photosynthèse : explication
La photosynthèse a lieu sur la feuille. Les feuilles possèdent plusieurs propriétés structurelles qui leur permettent de réaliser efficacement la photosynthèse :
Une structure large et plate, créant une grande surface qui absorbe une grande quantité de lumière solaire.
Une organisation en couches fines avec un chevauchement minimal entre les feuilles. Cela minimise le risque qu'une feuille fasse de l'ombre à une autre, et leur finesse permet de limiter la diffusion des gaz.
La cuticule et l'épiderme sont transparents, permettant à la lumière du soleil de pénétrer jusqu'aux cellules du mésophylle situées en dessous. Le mésophylle est le nom donné à la structure interne de la feuille.
Comme cela est illustré par la Figure 1, les feuilles présentent également de multiples adaptations évolutives de leurs cellules qui permettent à la photosynthèse de se produire :
Des cellules internes allongées. Cela permet de loger davantage de chloroplastes à l'intérieur de celles-ci. Les chloroplastes sont chargés de capter l'énergie lumineuse du soleil.
Des stomates multiples qui permettent l'échange gazeux, il y a donc un court chemin de diffusion entre les cellules du mésophylle et les stomates. Les stomates s'ouvrent et se ferment également en réponse aux changements d'intensité lumineuse afin de limiter la perte d'eau par transpiration.
Des réseaux de xylème et de phloème qui, respectivement, apportent l'eau aux cellules des feuilles et transportent les produits de la photosynthèse - notamment le glucose.
De multiples espaces d'air dans le mésophylle inférieur. Ils permettent une diffusion plus efficace du dioxyde de carbone et de l'oxygène.
La photosynthèse se produit dans les chloroplastes de la plante. Les chloroplastes contiennent de la chlorophylle, un pigment vert qui peut < capter > la lumière du soleil. La chlorophylle se trouve dans la membrane des disques thylakoïdes, qui sont de petits compartiments à l'intérieur de la structure du chloroplaste. La réaction dépendante de la lumière a lieu le long de cette membrane thylakoïde. La réaction indépendante de la lumière a lieu dans le stroma, un liquide à l'intérieur du chloroplaste qui entoure les piles de disques thylakoïdes (collectivement appelés "grana").
La Figure 2 ci-dessous présente la structure générale d'un chloroplaste :
Fig. 2 - Schéma d'un chloroplaste.
Légende : 1 = Membrane externe
2 = Espace intermembranaire
3 = Membrane interne
4 = Stroma
5 = Lumen du thylakoïde
6 = Membrane du thylakoïde
7 = Granum (empilement de thylakoïdes)
8 = Thylakoïde
9 = Amidon
10 = Ribosome
11 = ADN chloroplastique
12 = Plastoglobule (goutelette lipidique)
Équation de la photosynthèse
Chez les plantes, la photosynthèse se déroule comme suit :
Dioxyde de carbone + Eau + Énergie solaire → Glucose + Oxygène
L'équation-bilan de la photosynthèse est :
Bien que les plantes soient les seuls organismes vivants pouvant réaliser la photosynthèse directement, les coraux s'en approchent. En effet, ces derniers s'allient avec des algues dans une relation de symbiose, leur permettant de réaliser la photosynthèse de manière indirecte.
Bilan de la photosynthèse
La photosynthèse comporte cinq étapes.
Étape 1 : Absorption de la lumière
La première étape consiste en l'absorption de la lumière par la chlorophylle fixée au photosystème II dans les thylakoïdes des chloroplastes. La chlorophylle est ionisée lorsque les électrons quittent la molécule de chlorophylle du photosystème II et sont transportés par une chaîne de transfert d'électrons le long de la membrane thylakoïde.
Les photosystèmes I et II sont les noms donnés à certaines enzymes qui servent à catalyser les réactions impliquées dans la photosynthèse.
Étape 2 : Réaction légère : Oxydation
En utilisant l'énergie lumineuse absorbée par la chlorophylle, la réaction dépendante de la lumière se produit. Celle-ci se produit dans deux photosystèmes, qui sont situés le long de la membrane thylakoïde. L'eau se divise en oxygène, en ions H+ et en électrons. Les électrons sont ensuite transportés par la plastocyanine (protéine contenant du cuivre qui assure le transfert des électrons) du photosystème II au photosystème I pour la partie suivante de la réaction lumineuse.
L'équation de cette réaction est :
Dans cette réaction, l'eau a été divisée en atomes d'oxygène et d'hydrogène (protons) et en électrons provenant des atomes d'hydrogène.
Étape 3 : Réaction légère : Réduction
Les électrons produits lors de la dernière étape passent par le photosystème I et sont utilisés pour fabriquer du NADPH (NADP réduit). Le NADPH est une molécule essentielle pour la réaction indépendante de la lumière.
L'équation de cette réaction est :
Étape 4 : Réaction dépendante de la lumière : Génération d'ATP
Au cours de l'étape finale de la réaction dépendante de la lumière, l'ATP est généré dans la membrane thylakoïde des chloroplastes. L'ATP, également connu sous le nom d'adénosine 5-triphosphate, est souvent considéré comme la monnaie énergétique de la cellule. Comme le NADPH, il est essentiel pour la réaction indépendante de la lumière.
L'équation de cette réaction est :
L'ADP est l'adénosine di-phophate (contient deux atomes de phosphore), tandis que l'ATP possède trois atomes de phosphore après l'ajout de phosphore inorganique (Pi).
Étape 5 : Réaction sombre : Fixation du carbone
Cela se produit dans le stroma du chloroplaste. Grâce à une série de réactions, l'ATP et le NADPH sont utilisés pour transformer le dioxyde de carbone en glucose. Vous pouvez trouver l'explication de ces réactions dans l'article sur les réactions indépendantes de la lumière.
L'équation générale est la suivante :
Quels sont les produits de la photosynthèse ?
Les produits des réactions de la photosynthèse, qui dépendent de la lumière, sont l'ATP, le NADPH et les ions H+.
Les produits des réactions indépendantes de la lumière sont le glycéraldéhyde 3-phosphate (qui est utilisé pour fabriquer du glucose) et les ions H+.
Les produits globaux de la photosynthèse sont le glucose et l'oxygène.
Qu'est-ce qu'un facteur limitant ?
Un facteur limitant est un paramètre susceptible d'inhiber ou de ralentir la vitesse d'un processus. Dans le cas de la photosynthèse, un facteur limitant serait la présence insuffisante d'un élément nécessaire à la réaction dépendante ou indépendante de la lumière comme le dioxyde de carbone et l'énergie lumineuse, ou cela peut également être la température si elle n'est pas favorable au métabolisme de la photosynthèse. Lorsque ces trois facteurs atteignent des niveaux optimaux, le taux de photosynthèse augmente régulièrement jusqu'à atteindre un plateau (un état de peu ou pas de changement). Le plateau se produit parce que l'un de ces trois facteurs devient limitant, ce qui fait que le taux de photosynthèse cesse d'augmenter ou diminue même.
La loi des facteurs limitants a été proposée en 1905. Formulée par Frederick Blackman, elle stipule que « la vitesse d'un processus physiologique sera limitée par le facteur le plus rare ». Tout changement dans le niveau d'un facteur limitant affecte la vitesse de la réaction.
Quels sont les facteurs limitants de la photosynthèse ?
Le taux de photosynthèse est affecté par un certain nombre de facteurs, notamment :
La lumière
Plus l'intensité de la lumière augmente, plus la vitesse de réaction de photosynthèse dépendante de la lumière augmente. Par conséquent, l'augmentation de l'intensité de la lumière accroît le taux global de la photosynthèse. Car en effet, davantage de photons (l'élément de base de la lumière) atteignent alors la feuille, ce qui permet d'oxyder l'eau plus rapidement. Par conséquent, la production d'ATP et de NADPH augmente et davantage de cycles de la réaction indépendante de la lumière se produiront ainsi.
Cependant, à partir d'un certain point, le taux de photosynthèse reste constant même si l'intensité lumineuse augmente, car il n'y a pas assez d'énergie thermique, d'enzymes ou de dioxyde de carbone disponible pour augmenter davantage le taux de photosynthèse.
La concentration de dioxyde de carbone
L'augmentation de la concentration de dioxyde de carbone tend à augmenter le taux de photosynthèse jusqu'à un certain point (de façon similaire aux effets de l'intensité lumineuse). Si davantage de molécules de dioxyde de carbone sont disponibles, les cycles de la réaction indépendante de la lumière se produisent alors à un rythme plus élevé. Cela signifie que davantage de molécules de glucose sont produites, entraînant une utilisation accrue de NADPH et d'ATP ainsi qu'une production supérieure de ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP), et tout cela contribue à augmenter le taux global de photosynthèse.
Le ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP) est un métabolite produit durant la photosynthèse. Il est principalement impliqué dans la fixation du CO2 provenant de l'atmosphère.
Cependant, à un certain niveau, le taux de photosynthèse sera limité par d'autres facteurs. Il se peut que l'énergie lumineuse ne soit pas suffisante pour produire suffisamment de NADPH et d'ATP qui sont essentiels pour alimenter davantage de cycles de la réaction indépendante de la lumière. Par conséquent, le taux de photosynthèse n'augmentera pas même si la concentration de dioxyde de carbone augmente.
Il se peut également que l'énergie thermique disponible ne soit pas suffisante pour catalyser à un taux plus élevé les réactions contrôlées par les enzymes dans la réaction indépendante de la lumière, de sorte que le taux de photosynthèse ne pourra pas augmenter avec la concentration de dioxyde de carbone.
La température
Comme les enzymes contrôlent la photosynthèse, la température est un facteur limitant important pour le taux de photosynthèse. Le taux de photosynthèse augmente avec la température. Cependant, contrairement à la concentration de dioxyde de carbone et à l'intensité lumineuse, le taux de photosynthèse atteint un point optimal avant de diminuer radicalement. Si la température augmente au-delà du point optimal de fonctionnement des enzymes, ces dernières commencent à se dénaturer. La forme du site actif de l'enzyme (où se fixe le substrat) est modifiée, et le substrat (substance sur laquelle l'enzyme agit) ne s'ajuste plus. Cela explique la forte diminution du taux de photosynthèse à des températures plus élevées.
L'eau n'est pas un facteur limitant pour la photosynthèse. L'ensemble du processus de photosynthèse nécessite très peu d'eau. Toutefois, même si l'eau venait à manquer au point de limiter la photosynthèse, les stomates de la plante commenceraient à se fermer et à absorber le dioxyde de carbone à un rythme plus lent. Par conséquent, d'autres processus cesseraient avant que l'eau ne puisse avoir un effet limitant.
La photosynthèse artificielle
La photosynthèse artificielle est un processus qui reproduit les principes de base de la photosynthèse naturelle. Le système de photosynthèse artificielle comprend un réacteur à lit d'enzymes (également appelé « réacteur enzymatique ») pour fixer le CO2 présent dans l'air (ou toute autre source nécessitant l'élimination du CO2, comme des centrales à charbon, par exemple). Les composants clés d'un système global de photosynthèse artificielle sont :
- la production d'électricité via des panneaux photovoltaïques ;
- l'agriculture sèche : les glucides (aliments), les carburants liquides, les matières premières chimiques et les polymères (pour la fabrication de fibres textiles par exemple), peuvent être produits avec des besoins en eau proches ou absolument minimes ;
La photosynthèse artificielle peut réduire de près de milliers de fois la consommation d'eau de l'agriculture conventionnelle !
- la production d'hydrogène : la dissociation électrochimique de l'eau en H2 et O2.
Même si la technologie de la photosynthèse artificielle n'en est qu'à ses débuts et ne peut pas encore être utilisée à grande échelle, il est fortement probable qu'à l'avenir, elle sera capable de réduire la demande mondiale en eau, et de soutenir les systèmes d'énergie propre en produisant directement de l'électricité et de l'hydrogène à partir de l'énergie solaire.
La photosynthèse - Points clés
- La photosynthèse est le processus par lequel le dioxyde de carbone et l'eau sont transformés en glucose et en oxygène grâce à l'énergie lumineuse du soleil. La photosynthèse se déroule en deux réactions : la réaction dépendante de la lumière et la réaction indépendante de la lumière. La réaction indépendante de la lumière est souvent appelée réaction de l'obscurité ou cycle de Calvin.
- La photosynthèse est une réaction d'oxydoréduction, ce qui signifie que des électrons sont échangés pendant la réaction.
- La photosynthèse a lieu dans les chloroplastes d'une plante. Les chloroplastes contiennent de petites structures appelées disques thylakoïdes, qui sont empilées à l'intérieur des chloroplastes. La membrane de ces disques est l'endroit où se produit la réaction dépendante de la lumière. Ces disques sont suspendus dans un fluide, appelé stroma. La réaction d'obscurité a lieu dans le stroma.
- La réaction lumineuse fonctionne principalement pour produire de l'ATP et du NADPH, qui fonctionnent tous deux comme des molécules d'énergie et des porteurs d'électrons. Ces derniers sont ensuite utilisés pour alimenter la réaction indépendante de la lumière, qui convertit le dioxyde de carbone en glucose. Trois facteurs limitatifs ont un impact sur le taux de la photosynthèse. Il s'agit de l'intensité lumineuse, de la concentration en dioxyde de carbone et de la température.
- La photosynthèse artificielle reproduit les principes de base de la photosynthèse naturelle et promet d'augmenter la durabilité environnementale de nombreux processus industriels.
References
- Fig. 1 - Schéma de l'anatomie d'une feuille. Wikimedia Commons. Auteur : M0tty from original work by Zephyris. Licence : https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/
- Fig. 2 - Schéma d'un chloroplaste. Wikimedia Commons. Auteur : SuperManu from original work by Pampatte. Licence : https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/
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Questions fréquemment posées en Photosynthèse
Comment se déroule la photosynthèse ?
La photosynthèse se déroule en 5 étapes : 1) Absorption de la lumière ; 2) Oxydation ; 3) Réduction ; 4) Génération d'ATP ; 5) Fixation du carbone.
Quel est le rôle de la photosynthèse ?
La photosynthèse sert à convertir des molécules inorganiques (à savoir le dioxyde de carbone et l'eau) en molécules organiques (glucose) et en oxygène.
Quels sont les trois éléments indispensables à la photosynthèse ?
La lumière, l'eau et le dioxide de carbone.
Où se déroule la photosynthèse ?
La photosynthèse se déroule dans les chloroplastes de la plante.
Pourquoi les plantes font de la photosynthèse ?
La photosynthèse permet aux plantes de produire de la matière organique à partir de l'énergie solaire.
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