La photosynthèse : Quoi, où, comment et pourquoi ?
Introduction
Qu’est-ce que la photosynthèse ? Pour beaucoup, c’est quelque chose que nous avons appris ou dont nous avons entendu parler, mais les détails nous ont échappé au fil des ans. Nous avons donc pensé qu’il serait utile de passer en revue les points saillants et la terminologie de ce processus étonnant.
Un peu de biochimie est inévitable, mais nous resterons simples et gérables. Voici les thèmes abordés :
- Qu’est-ce que la photosynthèse ?
- Où se produit la photosynthèse ?
- Comment fonctionne la photosynthèse ?
- Pourquoi la photosynthèse est-elle importante ?
À la fin de cet article, nous espérons que vous serez en mesure de résumer la photosynthèse comme un pro.
Fig. 1
Qu’est-ce que la photosynthèse ?
Comme vous le savez peut-être, la photosynthèse est un processus par lequel les plantes utilisent l’énergie de la lumière pour produire des « sucres ».
La plante utilise finalement ces sucres comme énergie, nécessaire à de nombreux objectifs métaboliques, tels que la croissance des tiges, la production de feuilles, la floraison et la fructification.
Fig 2
Où se déroule la photosynthèse ?
Pour les plantes vertes, la photosynthèse se produit dans les parties « vertes » de la plante, à savoir les feuilles.
Veuillez jeter un coup d’œil à la figure 4.
- Les feuilles sont constituées de cellules végétales entourées d’une enveloppe extérieure.
- À l’intérieur de la cellule de la feuille se trouvent des objets plus petits ressemblant à des haricots, appelés chloroplastes.
- À l’intérieur du chloroplaste se trouvent des objets empilés ressemblant à des crêpes, appelés thylakoïdes.
- Les thylakoïdes ont une membrane externe – c’est à l’intérieur de cette membrane que se produit la première partie de la photosynthèse.
Fig 3 (Albert Melu sur Unsplash)
Fig 4 – Lieu de la photosynthèse.
Comment fonctionne la photosynthèse ?
On peut considérer la photosynthèse comme une petite usine qui fabrique du sucre. Une usine a besoin d’intrants tels que l’énergie et les matériaux.
Dans notre usine de photosynthèse, une feuille utilise l’énergie de la lumière, de H2O (eau) et de C02 (dioxyde de carbone).
Les sorties sont le sucre et l’oxygène. Le sucre retourne dans la plante à des fins métaboliques. L’oxygène est expulsé comme un déchet vital qui devient l’air que nous respirons.
Fig 5 – La photosynthèse est comme une usine
Fig 6 – Entrées et sorties de la photosynthèse
L’histoire de deux usines
En fait, la photosynthèse se compose de deux usines : les réactions lumineuses et le cycle de Calvin.
Nous aborderons d’abord les réactions à la lumière dans la membrane thylakoïde. L’objectif de cette usine est d’exploiter l’énergie lumineuse sous une forme plus utilisable.
Fig 7 – Les deux usines de la photosynthèse.
Light Reactions Factory – INPUTS
Dans la figure 9, vous pouvez voir la lumière qui entre dans notre système. Vous pouvez également voir l’eau introduite dans le système. Et vous pouvez voir l’oxygène sortir du système.
Fig 8 – Le thylakoïde
Fig 9 – Entrées des réactions lumineuses
Réactions lumineuses – Accumuler de l’énergie
Dans la figure 11 (cercles rouges), l’énergie de la lumière est convertie en H+ et e- dans un processus appelé transport d’électrons. Il s’agit des énergies ou de l’électricité accumulées tout au long de la transformation.
La figure 11 (cercles bleus) montre également que les résultats du processus sont l’ATP et le NADPH. Ce sont des réserves temporaires d’énergie (batteries) utilisées pour la deuxième étape de la photosynthèse. Cette première partie de la photosynthèse vise donc à constituer des réserves d’énergie qui seront utilisées dans la deuxième usine.
Fig 10 – Le thylakoïde
Fig 11 – Réactions à la lumière – Accumulation d’énergie
La deuxième usine de photosynthèse – Le cycle de Calvin
La deuxième usine ou étape est celle où nous synthétisons le sucre. Il s’agit du cycle de Calvin, nommé d’après le célèbre biochimiste Melvin Calvin.
Dans la figure 13, vous pouvez voir l’ATP et le NADPH issus du processus de réaction à la lumière utilisés comme intrants dans le cycle de Calvin (lettres E et D).
Notez également que le dioxyde de carbone est également utilisé dans le cycle de Calvin (lettre F). Le produit final est le sucre 3 phosphoglycérate (lettre G).
Notez que le cycle de Calvin se déroule immédiatement à l’extérieur du thylakoïde , dans les espaces du stroma du chloroplaste.
Fig 12 – Melvin Calvin
Fig 13 – L’histoire de deux usines – le cycle de Calvin. (2023, 5 septembre). Dans Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Calvin_cycle
Qu’en est-il de la chlorophylle ?
Il nous reste à parler de la chlorophylle, la molécule essentielle responsable de l’absorption de l’énergie lumineuse.
La chlorophylle est une molécule pigmentaire, ainsi appelée parce qu’elle reflète une couleur, ce qui donne aux feuilles un aspect vert. Les autres couleurs sont absorbées, en particulier dans les zones bleues et rouges.
Fig 14 – Molécule de chlorophylle
Fig 15 – Lampes de culture
Si nous revenons à la chaîne de production de la réaction lumineuse dans la membrane du thylakoïde, vous remarquerez un module PSII et un module PSI. C’est là que réside la chlorophylle.
PSII et PSI contiennent deux types de chlorophylle, à savoir a et b. Les deux types de chlorophylle absorbent la lumière bleue et rouge, et c’est pourquoi les lampes de culture sont généralement bleues et rouges.
Cependant, les plantes sont plus sensibles à la lumière rouge. Le PSII est le plus efficace pour absorber la lumière rouge à 680 nm, et le PSI est le plus efficace pour absorber la lumière rouge à 700 nm, que l’on peut qualifier de lumière rouge lointaine. Il s’agit principalement de la chlorphylle-a.
Fig 16 – Chlorophylle dans PSII et PSI
Qu’est-ce que l’énergie lumineuse ?
La lumière contient l’énergie qui alimente toute l’activité photosynthétique. L’énergie lumineuse peut être considérée sous deux angles : la lumière sous forme de particules et la lumière sous forme d’ondes – c’est la double nature de la lumière.
Fig 17 – Spectre du spectromètre
La lumière en tant que particules
Lorsque l’on considère la lumière comme une particule, on peut imaginer des gouttes de lumière tombant sur une feuille. Ces gouttelettes sont appelées photons.
Fig 20 – La lumière sous forme de particules
Si vous augmentez la luminosité ou l’intensité de la lumière, le nombre de photons augmente et l’énergie augmente.
Fig 18 – Luminosité ou intensité
La lumière sous forme d’ondes
Lorsque vous pensez à la lumière en tant qu’onde, vous devriez penser aux couleurs. Et nous parlons de la couleur en termes de longueurs d’onde.
Les longueurs d’onde à haute fréquence tendent vers le spectre bleu et ont plus d’énergie, tandis que les longueurs d’onde à basse fréquence tendent vers le rouge et ont moins d’énergie.
Fig 21 – Couleur, longueur d’onde et énergie
Un photon a une longueur d’onde associée
Chaque photon de lumière est associé à une longueur d’onde. Il y a donc des photons bleus, des photons rouges, des photons verts, des photons jaunes, etc. Les photons bleus auront plus d’énergie que les photons rouges.
Le PSII absorbe les photons bleus comme source d’énergie très élevée pour produire du NADPH et de l’ATP chargés d’énergie. La plupart des feuilles situées au-dessus de la canopée reçoivent des quantités suffisantes de lumière bleue pour la photosynthèse.
Cependant, les feuilles situées sous la canopée peuvent encore participer à la photosynthèse, car une partie de la lumière bleue et rouge pénètre encore dans les feuilles. En fait, la gamme de couleurs de la chlorophylle-a est plus large que celle de la chlorophylle-b, afin de permettre une absorption maximale de la lumière dans l’ombre.
Fig 22 – Photons et longueurs d’onde
Utilisation d’un PAR-mètre spectral pour mesurer l’énergie lumineuse.
Vous pouvez utiliser un PARmètre spectral pour voir l’énergie lumineuse provenant des lampes de culture ou du soleil.
La figure 23 présente un diagramme spectral qui montre les longueurs d’onde des photons et leurs intensités.
Nous observons une abondance de photons bleus à haute énergie que le PSII peut utiliser – cependant, la couleur bleue n’est pas alignée avec l’absorption optimale de la chlorophylle. La forme du spectre indique qu’il s’agit d’une lampe de culture à LED. S’il s’agit d’une lampe à LED « dynamique », les couleurs doivent être ajustées.
Fig 23 – Photons et longueurs d’onde
Résumé
La photosynthèse est un processus que les plantes utilisent pour fabriquer du sucre, un élément vital utilisé pour de nombreuses fonctions métaboliques. Ce processus est enfoui dans la cellule de la plante, dans un endroit appelé membrane thylakoïde. C’est comme une chaîne de production industrielle avec des entrées (lumière, eau, CO2) et des sorties (oxygène et sucre).
La photosynthèse se déroule en deux étapes : la réaction à la lumière et le cycle de Calvin. L’étape de la réaction à la lumière exploite l’énergie de la lumière et la transforme en une forme plus utilisable(ATP et NADPH).
Le cycle de Calvin utilise l’ATP et le NADPH pour synthétiser le sucre nécessaire aux processus métaboliques ultérieurs tels que la croissance, la floraison et la fructification des plantes.
La photosynthèse est l’une des merveilles de la nature, et une bonne connaissance des principes de base permet aux agriculteurs d’ajuster les paramètres et d’améliorer la productivité de leur exploitation.
Mais la photosynthèse n’est que la moitié de l’histoire de la lampe de culture. Dans le prochain article, nous montrerons comment les plantes utilisent la lumière pour croître, fleurir et fructifier.
Fig 24 – Photosynthèse
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