La photosynthèse : qu’est-ce que c’est, où a-t-elle lieu, comment fonctionne-t-elle et pourquoi ?
Introduction à la photosynthèse
Qu’est-ce que la photosynthèse ? Pour beaucoup d’entre nous, c’est quelque chose que nous avons appris ou dont nous avons entendu parler, mais dont les détails nous ont échappé au fil des années. Nous avons donc pensé qu’il pourrait vous être utile de passer en revue les points essentiels et la terminologie de ce processus extraordinaire.
Il faudra aborder quelques notions de biochimie, mais nous veillerons à ce que cela reste simple et accessible. Voici les thèmes :
- Qu’est-ce que la photosynthèse ?
- Comment fonctionne l’usine « Photosynthesis » ?
- Pourquoi la photosynthèse est-elle importante ?
À la fin de cet article, nous espérons que vous serez capable 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 ensuite ces sucres comme source d’énergie, nécessaire à de nombreux processus métaboliques, tels que la croissance de la tige, la formation des feuilles, la floraison et la fructification.
Fig. 2
Lieu de la photosynthèse – Où a-t-elle lieu ?
Pour les plantes vertes, la photosynthèse La photosynthèse se produit dans les parties « vertes » de la plante, à savoir les feuilles.
Veuillez consulter la figure 4.
- Les feuilles sont constituées de cellules végétales entourées d’une membrane externe.
- À l’intérieur des cellules foliaires se trouvent de petits organites en forme de haricot appelés chloroplastes.
- À l’intérieur du chloroplaste se trouvent des structures empilées ressemblant à des crêpes, appelées thylakoïdes.
- Les thylakoïdes possèdent une membrane externe ; c’est à l’intérieur de cette membrane que se déroule la première étape de la photosynthèse.
Fig. 3 (Albert Melu sur Unsplash)
Fig. 4 – Où se déroule la photosynthèse.
How does the Photosynthesis factory work?
Vous pouvez considérer la photosynthèse comme une petite usine qui produit du sucre. Une usine a besoin de ressources telles que l’énergie et les matières premières.
Dans notre usine de photosynthèse, une feuille utilise l’énergie de la lumière, de H2O (eau) et de C02 (dioxyde de carbone).
Et les produits obtenus sont le sucre et l’oxygène. Le sucre est réabsorbé par la plante à des fins métaboliques. L’oxygène est expulsé sous forme de déchet métabolique essentiel qui devient l’air que nous respirons.
Fig. 5 – La photosynthèse, c’est comme une usine
Fig. 6 – Entrées et sorties de la photosynthèse
Pourquoi la photosynthèse est-elle importante ?
L’histoire de deux usines de photosynthèse
En réalité, la photosynthèse se compose de deux processus : les réactions lumineuses et le cycle de Calvin.
Nous aborderons tout d’abord les réactions lumineuses qui se produisent dans la membrane thylakoïde. L’objectif de cette usine est de transformer l’énergie lumineuse en une forme plus exploitable.
Fig. 7 – Les deux « usines » de la photosynthèse.
Light Reactions Factory – MATIÈRES PREMIÈRES
Sur la figure 9, vous pouvez voir la lumière qui pénètre dans notre système. Vous pouvez également voir l’apport en eau dans le système. Et vous pouvez voir l’oxygène sortir du système.
Fig. 8 – Le thylakoïde
Fig. 9 – Données d’entrée pour les réactions lumineuses
Réactions lumineuses – Accumulation d’énergie
Sur la figure 11 (cercles rouges), l’énergie lumineuse est convertie en H+ et en e- au cours d’un processus appelé « transport d’électrons ». Il s’agit de l’énergie ou de l’électricité accumulée tout au long du processus de traitement.
La figure 11 (cercles bleus) montre également que les produits finaux de ce processus sont l’ATP et le NADPH. Il s’agit de réserves d’énergie temporaires (batteries) utilisées pour la deuxième étape de la photosynthèse. Ainsi, cette première partie de la photosynthèse vise à constituer des réserves d’énergie qui seront utilisées dans la deuxième usine.
Fig. 10 – Le thylakoïde
Fig. 11 – Réactions photochimiques – Accumulation d’énergie
La deuxième étape de la photosynthèse : le cycle de Calvin
C’est au cours de la deuxième étape que nous synthétisons le sucre: il s’agit du cycle de Calvin, qui tire son nom du célèbre biochimiste Melvin Calvin.
Sur la figure 13, vous pouvez voir que l’ATP et le NADPH issus de la réaction lumineuse servent de matière première au 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 3-phosphoglycérate de sucre (lettre G).
Veuillez noter 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 de photosynthèse: le cycle de Calvin. (5 septembre 2023). Sur Wikipédia. https://en.wikipedia.org/wiki/Calvin_cycle
Et la chlorophylle, alors ?
Il nous reste encore à parler de la chlorophylle, cette molécule essentielle chargée d’absorber l’énergie lumineuse.
La chlorophylle est une molécule pigmentaire, ainsi nommée car elle reflète une couleur qui donne aux feuilles leur teinte verte. Les autres couleurs sont absorbées, notamment 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 thylakoïde, vous remarquerez un module PSII et un module PSI. C’est là que réside la chlorophylle.
La PSII et la PSI contiennent deux types de chlorophylle, à savoir la chlorophylle a et la chlorophylle b. Ces deux types de chlorophylle absorbent la lumière bleue et la lumière rouge ; c’est pourquoi les lampes de culture sont généralement bleues et rouges.
Cependant, ce sont les lumières rouges auxquelles les plantes sont les plus sensibles. Le PSII absorbe le plus efficacement la lumière rouge à 680 nm, tandis que le PSI absorbe le plus efficacement la lumière rouge à 700 nm, que l’on peut qualifier de lumière rouge lointain. Cela concerne principalement la chlorophylle a.
Fig. 16 – La chlorophylle dans le PSII et le PSI
Qu’est-ce que l’énergie lumineuse ?
La lumière contient de l’énergie qui alimente toute l’activité photosynthétique. Lorsque vous réfléchissez à l’énergie lumineuse, vous pouvez l’envisager sous deux angles différents : la lumière en tant que particules et la lumière en tant qu’ondes. C’est ce qu’on appelle la double nature de la lumière.
Fig. 17 – Spectre obtenu à l’aide d’un spectromètre
La lumière en tant que particules
Lorsque vous considérez la lumière comme une particule, vous pouvez imaginer des gouttelettes de lumière tombant sur une feuille. Ces particules 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
Légères comme des vagues
Lorsque vous considérez la lumière comme des ondes, vous devez penser aux couleurs. Et nous parlons de couleur en termes de longueurs d’onde.
Les longueurs d’onde de fréquence plus élevée tendent vers le spectre bleu et possèdent davantage d’énergie, tandis que celles de fréquence plus faible tendent vers le rouge et possèdent moins d’énergie.
Fig. 21 – Couleur, longueur d’onde et énergie
À chaque photon correspond une longueur d’onde
Chaque photon de lumière est associé à une longueur d’onde. Vous aurez 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 absorbera les photons bleus, qui constituent une source d’énergie très élevée, afin de produire du NADPH et de l’ATP riches en énergie. La plupart des feuilles situées au-dessus de la canopée reçoivent une quantité suffisante de lumière bleue pour la photosynthèse.
Cependant, les feuilles situées sous le couvert forestier peuvent tout de même participer à la photosynthèse, car une partie de la lumière bleue et rouge parvient encore à les atteindre. En effet, 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, même à l’ombre.
Fig. 22 – Photons et longueurs d’onde
Utilisation d’un paramètre PAR spectral pour mesurer l’énergie lumineuse.
Vous pouvez utiliser un PAR-mètre spectral pour mesurer l’énergie lumineuse émise par les lampes de culture ou par le soleil.
Sur la figure 23, vous pouvez voir un diagramme spectral qui présente les longueurs d’onde des photons et leurs intensités.
On observe une abondance de photons bleus à haute énergie que le PSII peut utiliser ; cependant, la couleur bleue ne correspond pas à l’absorption optimale de la chlorophylle. La forme du spectre permet de déterminer qu’il s’agit d’une lampe de culture à LED ; s’il s’agit d’une lampe LED « dynamique », les couleurs doivent être ajustées.
Fig. 23 – Photons et longueurs d’onde
La photosynthèse Résumé
La photosynthèse est un processus par lequel les plantes produisent du sucre, un élément essentiel à de nombreuses fonctions métaboliques. Ce processus se déroule au plus profond de la cellule végétale, dans une structure appelée membrane thylakoïde. C’est comme une chaîne de production industrielle avec des intrants (lumière, eau, CO₂) et des extrants (oxygène et sucre).
La photosynthèse se déroule en deux étapes : la réaction lumineuse et le cycle de Calvin. La réaction lumineuse permet de capter l’énergie lumineuse et de la transformer en une forme plus facilement utilisable (ATP et NADPH).
Le cycle de Calvin utilise l’ATP et le NADPH pour synthétiser le sucre destiné à des processus métaboliques ultérieurs, tels que la croissance des plantes, la floraison et la fructification.
La photosynthèse est l’une des merveilles de la nature, et une bonne maîtrise de ses principes fondamentaux permet aux agriculteurs d’ajuster les paramètres en toute confiance et d’améliorer la productivité agricole.
Mais la photosynthèse ne représente que la moitié de l’histoire des lampes de culture. Dans le prochain article, nous vous montrerons comment les plantes utilisent la lumière pour pousser, fleurir et produire des fruits.
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Fig. 24 – Photosynthèse
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