8.1 : Vue d'ensemble de la photosynthèse

Compétences à développer

• Expliquer la pertinence de la photosynthèse pour d'autres êtres vivants
• Décrire les principales structures impliquées dans la photosynthèse
• Identifier les substrats et les produits de la photosynthèse
• Résumez le processus de photosynthèse

La photosynthèse est essentielle à toute forme de vie sur Terre ; les plantes et les animaux en dépendent. C'est le seul processus biologique capable de capter l'énergie provenant de l'espace extra-atmosphérique (lumière solaire) et de la convertir en composés chimiques (glucides) que chaque organisme utilise pour alimenter son métabolisme. En résumé, l'énergie de la lumière solaire est captée et utilisée pour activer les électrons, qui sont ensuite stockés dans les liaisons covalentes des molécules de sucre. Dans quelle mesure ces liaisons covalentes sont-elles durables et stables ? L'énergie extraite aujourd'hui par la combustion du charbon et des produits pétroliers représente l'énergie solaire captée et stockée par photosynthèse il y a près de 200 millions d'années.

Les plantes, les algues et un groupe de bactéries appelées cyanobactéries sont les seuls organismes capables de réaliser la photosynthèse (Figure\(\PageIndex{1}\)). Parce qu'ils utilisent la lumière pour fabriquer leur propre nourriture, ils sont appelés photoautotrophes (littéralement, « auto-alimentés qui utilisent la lumière »). D'autres organismes, tels que les animaux, les champignons et la plupart des autres bactéries, sont appelés hétérotrophes (« autres sources d'alimentation »), car ils doivent compter sur les sucres produits par les organismes photosynthétiques pour leurs besoins énergétiques. Un troisième groupe très intéressant de bactéries synthétise les sucres, non pas en utilisant l'énergie solaire, mais en extrayant de l'énergie de composés chimiques inorganiques ; on les appelle donc chimioautotrophes.

Figure\(\PageIndex{1}\) : Les photoautotrophes, y compris (a) les plantes, (b) les algues et (c) les cyanobactéries, synthétisent leurs composés organiques par photosynthèse en utilisant la lumière du soleil comme source d'énergie. Les cyanobactéries et les algues planctoniques peuvent se développer sur de vastes zones d'eau, recouvrant parfois complètement la surface. Dans un évent (d) profond, les chimioautotrophes, tels que ces (e) bactéries thermophiles, captent l'énergie des composés inorganiques pour produire des composés organiques. L'écosystème qui entoure les évents abrite un large éventail d'animaux, tels que des vers tubulaires, des crustacés et des poulpes, qui tirent leur énergie de la bactérie. (crédit a : modification des travaux par Steve Hillebrand, Service américain de la pêche et de la faune ; crédit b : modification des travaux par « eutrophisation et hypoxie » /Flickr ; crédit c : modification des travaux par la NASA ; crédit d : Université de Washington, NOAA ; crédit e : modification des travaux par Mark Amend, West Coast and Polar Regions Centre de recherche sous-marine, UAF, NOAA)

L'importance de la photosynthèse ne réside pas seulement dans le fait qu'elle peut capter l'énergie de la lumière solaire. Un lézard qui prend le soleil par temps froid peut utiliser l'énergie du soleil pour se réchauffer. La photosynthèse est vitale car elle a évolué comme un moyen de stocker l'énergie du rayonnement solaire (la partie « photo ») sous forme d'électrons de haute énergie dans les liaisons carbone-carbone des molécules de glucides (la partie « -synthèse »). Ces glucides sont la source d'énergie que les hétérotrophes utilisent pour alimenter la synthèse de l'ATP par la respiration. La photosynthèse alimente donc 99 % des écosystèmes de la Terre. Lorsqu'un prédateur de haut niveau, tel qu'un loup, s'attaque à un cerf (Figure\(\PageIndex{2}\)), le loup se trouve au bout d'un chemin énergétique qui passe des réactions nucléaires à la surface du soleil à la lumière, à la photosynthèse, à la végétation, aux cerfs et enfin au loup.

Figure\(\PageIndex{2}\) : L'énergie stockée dans les molécules de glucides par la photosynthèse passe par la chaîne alimentaire. Le prédateur qui mange ces cerfs reçoit une partie de l'énergie provenant de la végétation photosynthétique consommée par les cerfs. (source : modification de l'œuvre de Steve VanRiper, Service américain de la pêche et de la faune)

Structures principales et résumé de la photosynthèse

La photosynthèse est un processus en plusieurs étapes qui nécessite la lumière du soleil, du dioxyde de carbone (faible en énergie) et de l'eau comme substrats (Figure\(\PageIndex{3}\)). Une fois le processus terminé, il libère de l'oxygène et produit du glycérodéhyde-3-phosphate (GA3P), de simples molécules de glucides (riches en énergie) qui peuvent ensuite être converties en glucose, en saccharose ou en l'une des douzaines d'autres molécules de sucre. Ces molécules de sucre contiennent de l'énergie et du carbone énergisé dont tous les êtres vivants ont besoin pour survivre.

Figure\(\PageIndex{3}\) : La photosynthèse utilise l'énergie solaire, le dioxyde de carbone et l'eau pour produire des glucides qui stockent de l'énergie. L'oxygène est produit en tant que déchet de la photosynthèse.

Voici l'équation chimique de la photosynthèse (Figure\(\PageIndex{4}\)) :

Figure\(\PageIndex{4}\) : L'équation de base de la photosynthèse est d'une simplicité trompeuse. En réalité, le processus se déroule en de nombreuses étapes impliquant des réactifs et des produits intermédiaires. Le glucose, la principale source d'énergie des cellules, est fabriqué à partir de deux Ga3P à trois carbones.

Bien que l'équation semble simple, les nombreuses étapes qui se déroulent lors de la photosynthèse sont en fait assez complexes. Avant d'apprendre comment les photoautotrophes transforment la lumière du soleil en nourriture, il est important de se familiariser avec les structures impliquées.

Chez les plantes, la photosynthèse a généralement lieu dans les feuilles, qui sont constituées de plusieurs couches de cellules. Le processus de photosynthèse se produit dans une couche intermédiaire appelée mésophylle. L'échange gazeux de dioxyde de carbone et d'oxygène se fait par de petites ouvertures régulées appelées stomates (singulier : stomate), qui jouent également un rôle dans la régulation des échanges gazeux et du bilan hydrique. Les stomates sont généralement situés sur la face inférieure de la feuille, ce qui contribue à minimiser la perte d'eau. Chaque stomie est entourée de cellules de protection qui régulent l'ouverture et la fermeture des stomates en gonflant ou en rétrécissant en réponse aux changements osmotiques.

Chez tous les eucaryotes autotrophes, la photosynthèse a lieu à l'intérieur d'un organite appelé chloroplaste. Pour les plantes, des cellules contenant des chloroplastes existent dans le mésophylle. Les chloroplastes ont une double enveloppe membranaire (composée d'une membrane externe et d'une membrane interne). À l'intérieur du chloroplaste se trouvent des structures empilées en forme de disque appelées thylakoïdes. La membrane thylakoïde contient de la chlorophylle, un pigment (molécule qui absorbe la lumière) responsable de l'interaction initiale entre la lumière et la matière végétale, et de nombreuses protéines qui constituent la chaîne de transport des électrons. La membrane thylakoïde entoure un espace interne appelé lumen thylakoïde. Comme le montre la figure\(\PageIndex{5}\), un empilement de thylakoïdes est appelé granum, et l'espace rempli de liquide qui entoure le granum est appelé stroma ou « lit » (à ne pas confondre avec la stomie ou la « bouche », une ouverture sur l'épiderme des feuilles).

Connexion artistique

Figure\(\PageIndex{5}\) : La photosynthèse a lieu dans les chloroplastes, qui ont une membrane externe et une membrane interne. Des piles de thylakoïdes appelées grana forment une troisième couche membranaire.

Par temps chaud et sec, les plantes ferment leurs stomates pour conserver l'eau. Quel impact cela aura-t-il sur la photosynthèse ?

Les deux parties de la photosynthèse

La photosynthèse se déroule en deux étapes séquentielles : les réactions dépendantes de la lumière et les réactions indépendantes de la lumière. Dans les réactions dépendantes de la lumière, l'énergie du soleil est absorbée par la chlorophylle et cette énergie est convertie en énergie chimique stockée. Dans les réactions indépendantes de la lumière, l'énergie chimique récoltée lors des réactions dépendantes de la lumière entraîne l'assemblage des molécules de sucre à partir du dioxyde de carbone. Par conséquent, bien que les réactions indépendantes de la lumière n'utilisent pas la lumière comme réactif, elles ont besoin des produits des réactions dépendantes de la lumière pour fonctionner. De plus, plusieurs enzymes des réactions indépendantes de la lumière sont activées par la lumière. Les réactions dépendantes de la lumière utilisent certaines molécules pour stocker temporairement l'énergie : elles sont appelées vecteurs d'énergie. Les porteurs d'énergie qui transportent l'énergie des réactions dépendantes de la lumière vers des réactions indépendantes de la lumière peuvent être considérés comme « pleins » parce qu'ils sont riches en énergie. Une fois l'énergie libérée, les porteurs d'énergie « vides » retournent à la réaction dépendante de la lumière pour obtenir plus d'énergie. La figure\(\PageIndex{6}\) illustre les composants à l'intérieur du chloroplaste où se produisent les réactions dépendantes et indépendantes de la lumière.

Figure\(\PageIndex{6}\) : La photosynthèse se déroule en deux étapes : les réactions dépendantes de la lumière et le cycle de Calvin. Les réactions dépendantes de la lumière, qui se produisent dans la membrane thylakoïde, utilisent l'énergie lumineuse pour produire de l'ATP et du NADPH. Le cycle de Calvin, qui se déroule dans le stroma, utilise l'énergie dérivée de ces composés pour fabriquer du GA3P à partir du CO ₂.

Lien vers l'apprentissage

Cliquez sur le lien pour en savoir plus sur la photosynthèse.

Connexion quotidienne : la photosynthèse à l'épicerie

Figure\(\PageIndex{7}\) : Les aliments consommés par les humains proviennent de la photosynthèse. (crédit : Associação Brasileira de Supermercados)

Les principales épiceries des États-Unis sont organisées en départements, tels que les produits laitiers, les viandes, les fruits et légumes, le pain, les céréales, etc. Chaque rayon (Figure\(\PageIndex{7}\)) contient des centaines, voire des milliers de produits différents que les clients peuvent acheter et consommer.

Bien qu'il existe une grande variété, chaque élément est lié à la photosynthèse. Les viandes et les produits laitiers sont liés, car les animaux ont reçu des aliments à base de plantes. Les pains, les céréales et les pâtes proviennent en grande partie de grains féculents, qui sont les graines de plantes dépendantes de la photosynthèse. Qu'en est-il des desserts et des boissons ? Tous ces produits contiennent du sucre : le saccharose est un produit végétal, un disaccharide, une molécule de glucides, qui est construite directement à partir de la photosynthèse. De plus, de nombreux articles sont moins clairement dérivés de plantes : par exemple, les produits en papier sont généralement des produits végétaux, et de nombreux plastiques (abondants en tant que produits et emballages) sont dérivés d'algues. Pratiquement toutes les épices et tous les arômes du rayon des épices étaient produits par une plante sous forme de feuille, de racine, d'écorce, de fleur, de fruit ou de tige. En fin de compte, la photosynthèse se connecte à chaque repas et à chaque aliment consommé par une personne.

Résumé

Le processus de photosynthèse a transformé la vie sur Terre. En exploitant l'énergie du soleil, la photosynthèse a évolué pour permettre aux êtres vivants d'accéder à d'énormes quantités d'énergie. Grâce à la photosynthèse, les êtres vivants ont eu accès à une énergie suffisante qui leur a permis de construire de nouvelles structures et d'atteindre la biodiversité évidente aujourd'hui.

Seuls certains organismes, appelés photoautotrophes, peuvent effectuer la photosynthèse ; ils nécessitent la présence de chlorophylle, un pigment spécialisé qui absorbe certaines parties du spectre visible et peut capter l'énergie du soleil. La photosynthèse utilise du dioxyde de carbone et de l'eau pour assembler des molécules de glucides et libérer de l'oxygène sous forme de déchets dans l'atmosphère. Les autotrophes eucaryotes, tels que les plantes et les algues, possèdent des organites appelés chloroplastes dans lesquels se produit la photosynthèse et l'amidon s'accumule. Chez les procaryotes, tels que les cyanobactéries, le processus est moins localisé et se produit dans les membranes plissées, les extensions de la membrane plasmique et dans le cytoplasme.

Connexions artistiques

Figure\(\PageIndex{5}\) : Par temps chaud et sec, les plantes ferment leurs stomates pour conserver l'eau. Quel impact cela aura-t-il sur la photosynthèse ?

Réponse

Les niveaux de dioxyde de carbone (un substrat photosynthétique nécessaire) diminueront immédiatement. Par conséquent, le taux de photosynthèse sera inhibé.

Lexique

chimioautotrophe

organisme capable de construire des molécules organiques en utilisant l'énergie dérivée de produits chimiques inorganiques au lieu de la lumière

chloroplaste

organite dans lequel la photosynthèse a lieu

granum

empilement de thylakoïdes situé à l'intérieur d'un chloroplaste

hétérotrophe

organisme qui consomme des substances organiques ou d'autres organismes destinés à l'alimentation

réaction dépendant de la lumière

première étape de la photosynthèse où certaines longueurs d'onde de la lumière visible sont absorbées pour former deux molécules porteuses d'énergie (ATP et NADPH)

réaction indépendante de la lumière

deuxième étape de la photosynthèse, par laquelle le dioxyde de carbone est utilisé pour construire des molécules de glucides en utilisant l'énergie de l'ATP et du NADPH

mésophylle

couche intermédiaire de cellules riches en chlorophylle dans une feuille

photoautotrophe

organisme capable de produire ses propres composés organiques à partir de la lumière solaire

pigment

molécule capable d'absorber certaines longueurs d'onde de lumière et d'en réfléchir d'autres (ce qui explique sa couleur)

stomie

ouverture qui régule les échanges gazeux et l'évaporation de l'eau entre les feuilles et l'environnement, généralement située sur la face inférieure des feuilles

stroma

espace rempli de liquide entourant les granas à l'intérieur d'un chloroplaste où se produisent les réactions de photosynthèse indépendantes de la lumière

thylakoïde

structure en forme de disque liée à une membrane à l'intérieur d'un chloroplaste où se produisent les réactions photodépendantes de la lumière de la photosynthèse ; les empilements de thylakoïdes sont appelés grana

lumen thylakoïde

espace aqueux lié par une membrane thylakoïde où les protons s'accumulent lors du transport d'électrons entraîné par la lumière