La photosynthèse

Le mot photosynthèse vient des mots grecs φώς, φώτώς (phōs, phōtōs), lumière et σύνθεσις (sunthesis), composition ou réunion. Il s’agit du processus biologique qui permet à la plupart des plantes, terrestres ou aquatiques, et à certaines bactéries de produire leur matière organique (comme par exemple des sucres) à partir de l’énergie de la lumière.

Dans cet article, puisque nous sommes sur un site traitant du bonsaï, nous allons bien évidemment nous contenter d’étudier ce mécanisme au sein des plantes terrestres.

Lieu où se produit la photosynthèse

La photosynthèse a lieu dans les feuilles et parfois (mais plus rarement) dans les tiges, par lesquelles les plantes captent la lumière du soleil et du gaz carbonique de l’air (CO_2, dioxyde de carbone) pendant qu’elles absorbent de l’eau et des nutriments par leurs racines. Les feuilles grâce à leur relative grande surface utilisent l’énergie lumineuse pour transformer l’eau et le dioxyde de carbone en sucre tout en rejetant de l’oxygène dans l’air.

Equation-bilan simplifiée : 6 H_2O + 6 CO_2 + lumière —> C_6H_{12}O_6 + 6 O_2

Autrement dit : eau + gaz carbonique + lumière —> glucose + oxygène

Dans les organites cellulaires des feuilles et tiges non aoûtées qu’on appelle des chloroplastes, se trouvent les pigments qui participent à la photosynthèse. On y trouve les chlorophylles (du grec χλώρος , khlōros, vert et φύλλομ, phullon, feuille) a et b de couleur verte , les xanthophylles (du grec ξαμθώς, xanthos, jaune et φύλλομ, phullon, feuille) de couleur jaune orangé et les carotènes de couleur orange à rouge orangé. Les pigments chlorophylliens sont prédominants dans l’activité photosynthétique et sont actifs lorsque les températures extérieures leur sont favorables. Pour les caducs, lorsque la plante entre en repos hivernal, elle doit mobiliser dans ses réserves car la photosynthèse chlorophyllienne n’est plus rentable avec le manque d’énergie solaire. La plante va donc alors dégrader sa chlorophylle pour récupérer un maximum d’énergie et laisse la place aux autres pigments, comme les xanthophylles et les carotènes, donnant à la feuille ses belles couleurs d’automne. Ces pigments-ci ont besoin de moins d’énergie et de ressource pour produire par photosynthèse les dernières réserves avant le dépérissement et la chute des feuilles. Plus la température et la luminosité chutent en automne, plus la chlorophylle est dégradée rapidement et laisse le champ aux autres pigments. Lorsque les températures et la luminosité deviennent insuffisants pour ces derniers, la plante les dégrade aussi pour récupérer les dernières ressources contenues dans les feuilles avant de se séparer de ces dernières. La plante entre alors en repos végétatif hivernal.

Chez les conifères qui conservent leur aiguilles ou écailles plusieurs années, la photosynthèse se poursuit en hiver, mais à une intensité bien moindre qu’en été. Par ailleurs, l’efficacité photosynthétique étant décroissante avec l’âge, ce sont les aiguilles les plus jeunes qui produisent le plus d’énergie (figure d’après l’article de G. Aussenac) :

Relation entre l'âge des aiguilles et la performance de la photosynthèse

Longueurs d’ondes associées

La lumière visible est composée de toutes les longueurs d’ondes comprises entre 380 et 780 nanomètres (1 nm = 10^{- 9} m, soit un millionième de mètre). À moins de 380 nm, nous trouvons les ultraviolets et au-delà de 780 nm, nous trouvons les infrarouges.
Les pigments qui participent à la photosynthèse ont chacun un spectre d’absorption lumineuse bien précis.

Voici le spectre d’absorption de la chlorophylle a :

Celui de la chlorophylle b :

Comme nous le voyons, ces deux pigments absorbent essentiellement la lumière bleue et la lumière rouge. C’est pour cela qu’ils apparaissent verts, puisque la couleur verte est très peu absorbée par eux.

Voici le spectre des xanthophylles :

Et celui des carotènes :

Ils absorbent essentiellement dans le bleu et un peu dans le vert, c’est pour cela qu’ils apparaissent jaunes ou rouges.

Ainsi, pour favoriser la photosynthèse sans le soleil, nous sommes obligés de choisir une lumière artificielle spécialement étudiée pour cela, on appelle généralement cela une lampe horticole. Une lumière artificielle quelconque n’aura pas le spectre nécessaire pour enclencher la photosynthèse. (Voir l’article sur l’éclairage artificiel)

La décomposition en deux cycles

En réalité, la photosynthèse a lieu en deux temps :

Dans un premier temps, en présence de chlorophylle, la lumière décompose l’eau en éléments primaires, libérant l’oxygène, l’hydrogène et de l’énergie chimique sous forme d’un coenzyme appelé triphosphate d’adénosine (ATP), un élément clé de tous les êtres vivants capable de déclencher des réactions chimiques sans y participer vraiment, une sorte de « monnaie » énergétique utilisée par les êtres vivants.

Dans un deuxième temps, des enzymes agissent sur l’hydrogène pour lui permettre de se combiner avec le gaz carbonique grâce à l’énergie fournie par l’ATP afin de produire un hydrate de carbone qui devient un sucre.

La première de ces phases, appelée habituellement « la phase claire » puisqu’elle n’a lieu qu’en présence de lumière, est la phase de captation de l’énergie. On l’appelle la phase photochimique.

La deuxième phase, appelée abusivement « la phase sombre » bien qu’elle ait lieu aussi bien de nuit que de jour, est la phase de synthèse carbonée. On l’appelle la phase de fixation du carbone ou cycle de Calvin.

En réalité, l’équation 6 CO_2 + 12 H_2 O + lumière -----> C_6 H_{12} O_6 + 6 H_2 O + 6 O_2 se décompose en deux équations :

- En phase photochimique, l’équation est :

12 H_2 O + lumière -----> énergie chimique (24 atomes d’hydrogène) + 6 O_2

- En phase de fixation du carbone, l’équation est :

énergie chimique (24 atomes d’hydrogène) + 6 CO_2 -----> C_6 H_{12} O_6 + 6 H_2 O

Les produits de la photosynthèse et leur destination

À partir du glucose produit à l’intérieur des feuilles par photosynthèse, tous les composés nécessaires à la plante sont fabriqués :
- cellulose que l’on retrouve dans les parois qui forment la structure de la plante.
- amidon, qui fait partie des réserves
- fructose, sucre qui fait partie des réserves
- acides aminés et bases azotées qui servent à la croissance et au développement de la plante.
- etc …

Ainsi, la photosynthèse permet à la sève brute ou sève montante, composée d’eau et de minéraux en suspension dans l’eau, de s’enrichir de matières organiques fabriquées par la plante. Cela devient la sève élaborée ou sève descendante qui circule dans la plante par les vaisseaux du liber (Voir fonctionnement de l’arbre).

Différents types de photosynthèse

On distingue différents types de photosynthèse selon ce qui se passe durant la phase de fixation du carbone.

• Photosynthèse en C3 :

Cette photosynthèse concerne 98% des espèces végétales terrestres, notamment tous les arbres des forêts tempérées mais pas seulement. C’est le type de photosynthèse « de base ».
Le premier produit qui suit la synthèse carbonée est une molécule comportant 3 atomes de carbone : l’acide phosphoglycérique.

• Photosynthèse en C4 :

Cette photosynthèse concerne quelques graminées des régions tropicales et arides, notamment le maïs, le sorgho, la canne à sucre, etc...
Dans ce mécanisme, le gaz carbonique est très rapidement fixé dans une molécule comportant 4 atomes de carbone : l’acide oxaloacétique. Ce type de photosynthèse est très rentable car peu de gaz carbonique suffit à l’enclencher et à une vitesse nettement supérieure à celle de la photosynthèse en C3. Il est à noter que les deux cycles de la photosynthèse se déroulent dans deux endroits différents de la cellule.

• Métabolisme en CAM :

Il concerne des plantes des milieux arides comme la plupart des cactus mais aussi d’autres plantes succulentes comme le crassula ou le portulacaria. CAM signifie d’ailleurs Crassulacean Acid Metabolism, Métabolisme acide crassulacéen.
Le problème, c’est la perte d’eau. Ainsi, l’évolution a favorisé une adaptation particulière qui limite la déshydratation : à l’inverse des autres plantes, les plantes de type CAM ouvrent leurs stomates la nuit (quand il fait frais et humide) et les ferment le jour (quand il fait chaud et sec). Donc elles ne perdent pas d’eau mais se retrouvent avec un problème d’approvisionnement en dioxyde de carbone le jour pour assurer la photosynthèse.

Résolution du problème : C’est la nuit quand les stomates sont ouverts que le gaz carbonique est absorbé et il est alors stocké dans la vacuole sous forme d’acide malique. Il ne peut pas être transformé en sucre la nuit à cause du manque de lumière. Le jour, lorsque les réactions photochimiques fournissent l’ATP et d’autres coenzymes, l’acide malique formé la nuit précédente libère le dioxyde de carbone emmagasiné et celui-ci est alors assimilé en sucre.

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En conclusion

Comment ne pas être impressionné devant une telle merveille de la Nature ? Par cet article, nous n’avons fait qu’effleurer ce phénomène complexe, fruit de milliards d’années d’évolution !

En effet, les premières plantes à photosynthèse datent de 2 milliards d’années et les chloroplastes présents dans les cellules végétales ont pour ancêtre les cyanobactéries qui pratiquaient déjà la photosynthèse bien avant. La photosynthèse est l’un des phénomènes naturels les plus importants pour notre vie car sans elle, pas d’oxygène ! C’est pour cela que l’on dit que les forêts et le phytoplancton marin sont les poumons de la Terre.

En regardant son arbre miniature, le bonsaïka a-t-il conscience d’avoir devant lui un échantillon de ce que la Nature fait de plus beau et de plus complexe ?

Tous les schémas, dessins et photos sont de Mahatma, sauf le schéma du chloroplaste qui est de Thumberg.

Liens

Sujet sur le forum.

Liens externes :

La photosynthèse sur Wikipédia

Cours de François Moreau et Roger Prat de l’université de Jussieu

Cours de Anne-Marie Barnier du collège universitaire de Saint-Boniface