Sciences · Biologie
La photosynthèse
La photosynthèse est le processus par lequel les plantes, les algues et certaines bactéries utilisent l’énergie de la lumière pour transformer le dioxyde de carbone et l’eau en sucres, en rejetant de l’oxygène.
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La photosynthèse est la principale porte d’entrée de l’énergie dans le vivant. Presque toute la matière organique de la planète, et donc toute la nourriture des animaux, provient directement ou indirectement de ce processus. Elle a aussi produit l’oxygène de l'atmosphère et elle retire chaque année du CO2 de l’air, ce qui en fait un acteur central du cycle du carbone et du climat.
L’équation de la photosynthèse
Le bilan global s’écrit, pour la fabrication d’une molécule de glucose :
6 CO2 + 6 H2O + énergie lumineuse → C6H12O6 + 6 O2
Soit : six molécules de dioxyde de carbone et six molécules d’eau donnent, grâce à la lumière, une molécule de glucose et six molécules de dioxygène.
| Entrées | Sorties |
|---|---|
| Dioxyde de carbone (CO2), absorbé par les stomates des feuilles | Glucose (C6H12O6), stocké ou transformé (amidon, cellulose…) |
| Eau (H2O), puisée par les racines | Dioxygène (O2), rejeté dans l’air |
| Énergie lumineuse, captée par la chlorophylle |
Point important : l’oxygène rejeté provient de l'eau et non du CO2. Samuel Ruben et Martin Kamen l’ont démontré en 1941 à l’aide d’oxygène marqué.
Où a lieu la photosynthèse ?
Chez les plantes, elle se déroule dans les chloroplastes, organites présents surtout dans les cellules des feuilles (une cellule du parenchyme en contient plusieurs dizaines). Le chloroplaste contient :
- les thylakoïdes, sacs membranaires empilés où se trouve la chlorophylle ;
- le stroma, liquide qui les entoure.
La chlorophylle absorbe surtout la lumière bleue et la lumière rouge, et réfléchit le vert : c’est pourquoi les feuilles sont vertes. Les caroténoïdes, pigments jaunes et orangés, complètent l’absorption ; ils deviennent visibles à l’automne, quand la chlorophylle se dégrade.
Les deux phases de la photosynthèse
1. La phase photochimique (dans les thylakoïdes)
Elle a besoin de lumière. L’énergie lumineuse captée par la chlorophylle sert à :
- casser des molécules d’eau (photolyse), ce qui libère de l’oxygène, des protons et des électrons ;
- produire deux molécules riches en énergie : l'ATP et le NADPH.
2. La phase chimique ou cycle de Calvin (dans le stroma)
Elle utilise l’ATP et le NADPH produits par la première phase pour fixer le CO2 et fabriquer des sucres. L’enzyme clé est la RuBisCO, qui accroche le CO2 à une molécule à cinq carbones. On la considère comme la protéine la plus abondante sur Terre. Ce cycle a été élucidé par Melvin Calvin et ses collègues, prix Nobel de chimie 1961.
On l’appelait autrefois « phase obscure », mais le terme est trompeur : le cycle de Calvin a lieu le jour, car il dépend des produits de la phase lumineuse.
Les plantes en C3, C4 et CAM
Toutes les plantes ne fixent pas le CO2 de la même façon.
| Type | Principe | Exemples |
|---|---|---|
| C3 | Fixation directe par la RuBisCO (environ 85 % des espèces) | Blé, riz, soja, arbres |
| C4 | Préconcentration du CO2 dans certaines cellules, plus efficace par forte chaleur et lumière | Maïs, canne à sucre, sorgho |
| CAM | Stomates ouverts la nuit pour capter le CO2, fermés le jour pour limiter les pertes d’eau | Cactus, ananas, plantes grasses |
Quels facteurs influencent la photosynthèse ?
- La lumière : l’intensité augmente avec l’éclairement jusqu’à un plafond.
- La concentration en CO2 : plus elle est élevée, plus la photosynthèse des plantes en C3 augmente, dans une certaine limite. Les serres sont parfois enrichies en CO2.
- La température : les enzymes ont un optimum ; au-delà, l’activité chute.
- L’eau : en cas de sécheresse, la plante ferme ses stomates pour ne pas se dessécher et ne capte plus de CO2.
Le rendement est faible : les cultures convertissent généralement moins de 1 à 2 % de l’énergie solaire reçue en biomasse.
Photosynthèse et respiration : ne pas confondre
Les plantes respirent aussi, jour et nuit : elles consomment de l’oxygène et rejettent du CO2 pour produire leur énergie, comme les animaux (voir respiration cellulaire).
| Photosynthèse | Respiration | |
|---|---|---|
| Organismes | Organismes chlorophylliens | Presque tous les êtres vivants |
| Moment | Seulement à la lumière | Jour et nuit |
| Organite | Chloroplaste | Mitochondrie |
| Consomme | CO2 + H2O + lumière | Glucose + O2 |
| Produit | Glucose + O2 | CO2 + H2O + énergie (ATP) |
En journée, une plante en croissance produit beaucoup plus d’oxygène qu’elle n’en consomme. Les deux équations sont symétriques : l’énergie stockée par la photosynthèse est libérée par la respiration.
Pourquoi la photosynthèse est essentielle
- Base des chaînes alimentaires : les organismes photosynthétiques sont les producteurs primaires dont dépendent herbivores puis carnivores (voir chaîne alimentaire).
- Origine de l’oxygène : l’oxygène de l’atmosphère est apparu avec les cyanobactéries ; il s’est accumulé à partir d’environ 2,4 milliards d’années, lors de la « Grande Oxydation ».
- Régulation du climat : la végétation et les océans absorbent chaque année une part importante du CO2 émis par les activités humaines, ce qui freine le réchauffement climatique.
- Énergies fossiles : charbon, pétrole et gaz sont les restes d’organismes photosynthétiques enfouis il y a des millions d’années.
Le phytoplancton océanique (micro-algues et cyanobactéries) assure environ la moitié de la photosynthèse de la planète.
Histoire de la découverte
| Date | Découverte |
|---|---|
| 1771 | Joseph Priestley montre qu’un brin de menthe « restaure » un air vicié par une bougie. |
| 1779 | Jan Ingenhousz établit que ce phénomène nécessite la lumière et se produit dans les parties vertes. |
| 1804 | Nicolas Théodore de Saussure montre que la plante utilise le CO2 et l’eau pour croître. |
| 1817 | Pelletier et Caventou isolent et nomment la chlorophylle. |
| 1941 | Ruben et Kamen prouvent que l’oxygène provient de l’eau. |
| 1950-1957 | Melvin Calvin décrit le cycle de fixation du carbone. |
Questions fréquentes
Les plantes produisent-elles de l’oxygène la nuit ?
Non. Sans lumière, la photosynthèse s’arrête ; la plante continue seulement de respirer et consomme donc un peu d’oxygène. Cette consommation est minime et sans danger pour une personne qui dort près d’une plante d’intérieur.
L’Amazonie est-elle le « poumon de la planète » ?
L’image est trompeuse : la forêt amazonienne produit beaucoup d’oxygène, mais elle en consomme presque autant par la respiration de ses arbres, animaux et micro-organismes. Son rôle majeur est de stocker d’énormes quantités de carbone et de réguler le cycle de l’eau.
Les champignons font-ils la photosynthèse ?
Non. Les champignons n’ont pas de chlorophylle : ils se nourrissent de matière organique produite par d’autres êtres vivants. C’est l’une des raisons pour lesquelles ils forment un règne distinct des plantes.
Pourquoi les feuilles changent-elles de couleur en automne ?
Quand les jours raccourcissent, l’arbre cesse de produire de la chlorophylle et la dégrade. Les pigments jaunes et orangés (caroténoïdes), présents toute l’année mais masqués, apparaissent ; les rouges (anthocyanes) sont fabriqués à ce moment-là chez certaines espèces.