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photosynthèse

Feuilles de l'arbre Ginkgo biloba
Feuilles de l'arbre Ginkgo biloba

Chez les végétaux et certaines bactéries, en présence de lumière, réaction biochimique qui, à partir de molécules minérales simples (CO2, H2O …), produit des molécules organiques glucidiques de relativement faible masse molaire. (Certaines de ces molécules sont polymérisées en glucides de masse molaire élevée [amidon], d'autres se transforment en lipides, d'autres enfin s'unissent à des molécules azotées. Le phénomène est caractérisé par une absorption de dioxyde de carbone et par un dégagement d'oxygène.) [Synonyme : assimilation chlorophyllienne.]

1. Introduction

La photosynthèse s'effectue au niveau des organes verts des plantes, et tout particulièrement des feuilles, dont le tissu végétal est formé de cellules riches en chlorophylle (les chloroplastes). Elle produit en volume autant d'oxygène qu'elle absorbe de dioxyde de carbone, et enrichit l'atmosphère en oxygène. C'est sans doute dans la photosynthèse des temps précambriens qu'il faut voir la source de l'oxygène de l'atmosphère terrestre.

La lumière est un facteur décisif. L'intensité lumineuse optimale est différente d'une espèce végétale à une autre. Les diverses radiations qui composent la lumière blanche ont une action spécifique ; les radiations rouges (600 nm) et indigo (400-450 nm), absorbées par la chlorophylle, sont les plus efficaces ; les vertes ne sont d'aucun effet.

2. Phases de la photosynthèse

La photosynthèse comporte une phase lumineuse, au cours de laquelle l'énergie solaire est captée par la chlorophylle, suivie d'une phase sombre (ou obscure), beaucoup plus longue, où cette énergie est utilisée pour réaliser les synthèses chimiques.

2.1. La phase lumineuse

Pendant la phase lumineuse, la chlorophylle, après absorption d'un photon, dispose d'une énergie de 41 kcal par mole, dont une partie se convertit en chaleur ou en fluorescence. L'utilisation de marqueurs isotopiques (18O) a montré que l'oxygène libéré au cours de la photosynthèse provient de l'eau décomposée et non du gaz carbonique absorbé.

Il existe plusieurs types de chlorophylle. Seule la chlorophylle a transforme directement l'énergie lumineuse en énergie chimique ; la chlorophylle b et les pigments caroténoïdes associés fixent l'énergie portée par d'autres longueurs d'onde et la cèdent à la chlorophylle a.

2.2. La phase obscure

Pendant la phase obscure se produisent les synthèses. Une quinzaine de secondes après l'absorption du CO2 apparaissent les premiers sucres : trioses, pentoses, hexoses, heptoses. À partir de certains hexoses se constituent le saccharose et l'amidon. Outre des glucides, la photosynthèse peut également élaborer des lipides et des protéines par liaison avec une molécule azotée.

Ce cycle existe chez les algues, les plantes des régions tempérées et tous les arbres ; ces végétaux sont dits « plantes en C3 », les corps intermédiaires les plus importants du cycle biochimique ayant une molécule possédant trois atomes de carbone (C3).

3. Adaptations particulières

3.1. Plantes en C4

Chez les graminées tropicales (maïs, mil, sorgho, canne à sucre, plusieurs amarantacées et atriplex), on a découvert en 1966 un autre mécanisme, dit « photosynthèse en C4 », qui permet à ces plantes d'assimiler la totalité du CO2 de l'atmosphère interne du végétal et ainsi d'avoir un rendement photosynthétique très supérieur à celui des plantes en C3. Ce mécanisme fonctionne d'autant mieux que la lumière est plus vive et la température plus voisine de 40-50 °C.

La synthèse des glucides se faisant autour des vaisseaux conducteurs, la migration des produits synthétisés est également plus rapide ; la photorespiration y est très faible. Alors que les végétaux en C3 ont besoin de 150 à 250 g d'eau pour assimiler 1 g de carbone, les végétaux en C4 peuvent se contenter de 50 à 100 g.

3.2. CAM (Crassulacean Acid Metabolism)

Certaines plantes, généralement des plantes grasses et quelques fougères, fixent le CO2 pendant la nuit pour former de l'acide malique ; cet acide est décomposé pendant le jour et libère du CO2 qui, comme précédemment, est introduit dans le cycle des synthèses (cycle de Calvin) en utilisant l'énergie fixée par les chloroplastes à la lumière. Ces végétaux peuvent ainsi supporter la vie dans les milieux arides-chauds : leurs stomates se ferment le jour pour limiter la transpiration et s'ouvrent la nuit pour laisser pénétrer le CO2, les synthèses se faisant le jour suivant.

4. Importance de la photosynthèse

De la lumière reçue par une feuille, 20 % sont réfléchis, 10 % transmis et 70 % effectivement absorbés, sur lesquels 20 % sont dissipés en chaleur, 48 % perdus en fluorescence. Il reste environ 2 % servant à la photosynthèse.

Grâce à la photosynthèse, les végétaux jouent un rôle irremplaçable à la surface de la Terre ; en effet, les plantes vertes sont, avec quelques groupes de bactéries, les seuls êtres vivants capables d'élaborer des substances organiques à partir d'éléments minéraux. On estime que chaque année 20 milliards de tonnes de carbone sont fixés par les végétaux terrestres à partir du gaz carbonique de l'atmosphère et 15 milliards par les algues.

Les végétaux verts sont les producteurs primaires indispensables, premier maillon de la chaîne trophique (→ chaîne alimentaire) ; les végétaux non chlorophylliens et les animaux herbivores et carnivores (y compris l'homme) sont entièrement dépendants de la photosynthèse.

→ nutrition.