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5.1 : Vue d'ensemble de la photosynthèse

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    Tous les organismes vivants sur Terre sont constitués d'une ou de plusieurs cellules. Chaque cellule fonctionne grâce à l'énergie chimique présente principalement dans les molécules de glucides (aliments), et la majorité de ces molécules sont produites par un seul processus : la photosynthèse. Grâce à la photosynthèse, certains organismes convertissent l'énergie solaire (lumière du soleil) en énergie chimique, qui est ensuite utilisée pour fabriquer des molécules de glucides. L'énergie utilisée pour maintenir ces molécules ensemble est libérée lorsqu'un organisme décompose les aliments. Les cellules utilisent ensuite cette énergie pour effectuer des tâches, telles que la respiration cellulaire.

    L'énergie issue de la photosynthèse pénètre continuellement dans les écosystèmes de notre planète et est transférée d'un organisme à un autre. Par conséquent, directement ou indirectement, le processus de photosynthèse fournit la majeure partie de l'énergie requise par les êtres vivants sur Terre. La photosynthèse entraîne également la libération d'oxygène dans l'atmosphère. Bref, pour manger et respirer, les humains dépendent presque entièrement des organismes qui effectuent la photosynthèse.

    CONCEPT EN ACTION

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

    Dépendance solaire et production alimentaire

    Certains organismes peuvent effectuer la photosynthèse, alors que d'autres ne le peuvent pas. Un autotrophe est un organisme capable de produire sa propre nourriture. Les racines grecques du mot autotrophe signifient « self » (auto) « feeder » (troph). Les plantes sont les plantes autotrophes les plus connues, mais il en existe d'autres, notamment certains types de bactéries et d'algues (Figure\(\PageIndex{1}\)). Les algues océaniques fournissent d'énormes quantités de nourriture et d'oxygène aux chaînes alimentaires mondiales. Les plantes sont également des photoautotrophes, un type d'autotrophe qui utilise la lumière du soleil et le carbone du dioxyde de carbone pour synthétiser de l'énergie chimique sous forme de glucides. Tous les organismes effectuant la photosynthèse ont besoin de lumière solaire.

    La photo a montre une feuille de fougère verte. La photo b montre une jetée faisant saillie dans un vaste plan d'eau calme ; l'eau à proximité de la jetée est colorée en vert avec des algues visibles. La photo c est une micrographie de cyanobactéries.
    Figure\(\PageIndex{1}\) : (a) Les plantes, (b) les algues et (c) certaines bactéries, appelées cyanobactéries, sont des photoautotrophes capables de réaliser la photosynthèse. Les algues peuvent se développer sur de vastes zones d'eau, recouvrant parfois complètement la surface. (crédit a : Steve Hillebrand, Service américain de la pêche et de la faune ; crédit b : « eutrophisation et hypoxie » /Flickr ; crédit c : NASA ; données sur la barre d'échelle de Matt Russell)

    Les hétérotrophes sont des organismes incapables de photosynthèse qui doivent donc obtenir de l'énergie et du carbone à partir des aliments en consommant d'autres organismes. Les racines grecques du mot hétérotrophe signifient « autre » (hétéro) « mangeoire » (trophe), ce qui signifie que leur nourriture provient d'autres organismes. Même si l'organisme alimentaire est un autre animal, cet aliment trouve ses origines dans les autotrophes et le processus de photosynthèse. Les humains sont des hétérotrophes, comme tous les animaux. Les hétérotrophes dépendent des autotrophes, directement ou indirectement. Les cerfs et les loups sont des hétérotrophes. Un cerf obtient de l'énergie en mangeant des plantes. Un loup qui mange un cerf obtient de l'énergie qui provient à l'origine des plantes consommées par ce cerf. L'énergie de la plante provient de la photosynthèse et c'est donc le seul autotrophe dans cet exemple (Figure\(\PageIndex{2}\)). Selon ce raisonnement, tous les aliments consommés par les humains sont également liés à des autotrophes qui effectuent la photosynthèse.

    Cette photo montre des cerfs qui courent dans de hautes herbes à la lisière d'une forêt.
    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 de l'énergie provenant de la végétation photosynthétique consommée par les cerfs. (source : Steve VanRiper, Service américain de la pêche et de la faune)

    LA BIOLOGIE EN ACTION : La photosynthèse à l'épicerie

    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 contient des centaines, voire des milliers de produits différents que les clients peuvent acheter et consommer (Figure\(\PageIndex{3}\)).

    Cette photo montre des personnes faisant leurs courses dans une épicerie
    Figure\(\PageIndex{3}\) : La photosynthèse est à l'origine des produits qui constituent les principaux éléments de l'alimentation humaine. (crédit : Associação Brasileira de Supermercados)

    Bien qu'il existe une grande variété, chaque élément est lié à la photosynthèse. Les viandes et les produits laitiers sont liés à la photosynthèse parce que les animaux ont reçu des aliments à base de plantes. Le pain, les céréales et les pâtes proviennent en grande partie de céréales, qui sont les graines de plantes photosynthétiques. Qu'en est-il des desserts et des boissons ? Tous ces produits contiennent du sucre, la molécule de glucides de base produite directement par la photosynthèse. La connexion par photosynthèse s'applique à chaque repas et à chaque aliment consommé par une personne.

    Structures principales et résumé de la photosynthèse

    La photosynthèse nécessite la lumière du soleil, du dioxyde de carbone et de l'eau comme réactifs de départ (Figure\(\PageIndex{4}\)). Une fois le processus terminé, la photosynthèse libère de l'oxygène et produit des molécules de glucides, le plus souvent du glucose. Ces molécules de sucre contiennent l'énergie dont les êtres vivants ont besoin pour survivre.

    Cette photo montre un arbre. Les flèches indiquent que l'arbre utilise le dioxyde de carbone, l'eau et la lumière du soleil pour fabriquer des sucres et libérer de l'oxygène.
    Figure\(\PageIndex{4}\) : La photosynthèse utilise l'énergie solaire, le dioxyde de carbone et l'eau pour libérer de l'oxygène et produire des molécules de sucre qui stockent de l'énergie.

    Les réactions complexes de la photosynthèse peuvent être résumées par l'équation chimique illustrée à la figure\(\PageIndex{5}\).

    L'équation de photosynthèse est présentée. Selon cette équation, six molécules de dioxyde de carbone et six molécules d'eau produisent une molécule de sucre et une molécule d'oxygène. La molécule de sucre est composée de 6 carbones, 12 hydrogènes et 6 oxygènes. La lumière du soleil est utilisée comme source d'énergie.
    Figure\(\PageIndex{5}\) : Le processus de photosynthèse peut être représenté par une équation dans laquelle le dioxyde de carbone et l'eau produisent du sucre et de l'oxygène en utilisant l'énergie solaire.

    Bien que l'équation semble simple, les nombreuses étapes qui se déroulent au cours de la photosynthèse sont en fait assez complexes, car la réaction résumant la respiration cellulaire représentait de nombreuses réactions individuelles. Avant d'apprendre comment les photoautotrophes transforment la lumière du soleil en nourriture, il est important de se familiariser avec les structures physiques impliquées.

    Chez les plantes, la photosynthèse a lieu principalement dans les feuilles, qui se composent de nombreuses couches de cellules et présentent des faces supérieure et inférieure différenciées. Le processus de photosynthèse ne se produit pas sur les couches superficielles de la feuille, mais plutôt dans une couche intermédiaire appelée mésophylle (Figure\(\PageIndex{6}\)). L'échange gazeux de dioxyde de carbone et d'oxygène se fait par de petites ouvertures régulées appelées stomates.

    Chez tous les eucaryotes autotrophes, la photosynthèse a lieu à l'intérieur d'un organite appelé chloroplaste. Chez les plantes, des cellules contenant des chloroplastes existent dans le mésophylle. Les chloroplastes ont une double membrane (interne et externe). À l'intérieur du chloroplaste se trouve une troisième membrane qui forme des structures empilées en forme de disque appelées thylakoïdes. Dans la membrane thylakoïde se trouvent des molécules de chlorophylle, un pigment (une molécule qui absorbe la lumière) à travers lequel commence tout le processus de photosynthèse. La chlorophylle est responsable de la couleur verte des plantes. La membrane thylakoïde entoure un espace interne appelé espace thylakoïde. D'autres types de pigments sont également impliqués dans la photosynthèse, mais la chlorophylle est de loin la plus importante. Comme le montre la figure\(\PageIndex{6}\), une pile de thylakoïdes est appelée granum, et l'espace entourant le granum est appelé stroma (à ne pas confondre avec les stomates, les ouvertures sur les feuilles).

    ART CONNECTION

    La partie supérieure de cette illustration montre une coupe transversale de feuille. Dans la coupe transversale, le mésophylle est intercalé entre un épiderme supérieur et un épiderme inférieur. Le mésophylle possède une partie supérieure avec des cellules rectangulaires alignées et une partie inférieure avec des cellules de forme ovale. Une ouverture appelée stomate existe dans la partie inférieure de l'épiderme. La partie centrale de cette illustration montre une cellule végétale dotée d'une vacuole centrale proéminente, d'un noyau, de ribosomes, de mitochondries et de chloroplastes. La partie inférieure de cette illustration montre le chloroplaste, à l'intérieur duquel se trouvent des piles de membranes semblables à des crêpes.
    Figure\(\PageIndex{6}\) : Toutes les cellules d'une feuille ne procèdent pas à la photosynthèse. Les cellules de la couche intermédiaire d'une feuille contiennent des chloroplastes, qui contiennent l'appareil photosynthétique. (crédit « feuille » : modification de l'œuvre de Cory Zanker)

    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 : les réactions dépendantes de la lumière et le cycle de Calvin. Dans les réactions dépendantes de la lumière, qui se produisent au niveau de la membrane thylakoïde, la chlorophylle absorbe l'énergie du soleil puis la convertit en énergie chimique à l'aide d'eau. Les réactions dépendantes de la lumière libèrent de l'oxygène provenant de l'hydrolyse de l'eau en tant que sous-produit. Dans le cycle de Calvin, qui se déroule dans le stroma, l'énergie chimique dérivée des réactions dépendantes de la lumière entraîne à la fois la capture du carbone dans les molécules de dioxyde de carbone et l'assemblage ultérieur des molécules de sucre. Les deux réactions utilisent des molécules porteuses pour transporter l'énergie de l'une à l'autre. Les porteurs qui transportent l'énergie des réactions dépendantes de la lumière vers les réactions du cycle de Calvin peuvent être considérés comme « pleins » parce qu'ils apportent de l'énergie. Une fois l'énergie libérée, les porteurs d'énergie « vides » retournent aux réactions dépendantes de la lumière pour obtenir plus d'énergie.

    Résumé

    Le processus de photosynthèse a transformé la vie sur Terre. En exploitant l'énergie du soleil, la photosynthèse a permis 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, ce qui leur a permis de développer de nouvelles structures et d'atteindre la biodiversité qui est évidente aujourd'hui.

    Seuls certains organismes, appelés autotrophes, peuvent effectuer la photosynthèse ; ils nécessitent la présence de chlorophylle, un pigment spécialisé capable d'absorber la lumière et de convertir l'énergie lumineuse en énergie chimique. La photosynthèse utilise du dioxyde de carbone et de l'eau pour assembler des molécules de glucides (généralement du glucose) et libérer de l'oxygène dans l'air. Les autotrophes eucaryotes, tels que les plantes et les algues, possèdent des organites appelés chloroplastes dans lesquels se produit la photosynthèse.

    Connexions artistiques

    Figure\(\PageIndex{6}\) : 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 réactif) diminueront et les niveaux d'oxygène (un produit) augmenteront. En conséquence, le taux de photosynthèse ralentira.

    Lexique

    autotrophe
    un organisme capable de produire sa propre nourriture
    chlorophylle
    le pigment vert qui capte l'énergie lumineuse qui anime les réactions de la photosynthèse
    chloroplaste
    l'organite où se produit la photosynthèse
    granum
    un empilement de thylakoïdes situé à l'intérieur d'un chloroplaste
    hétérotrophe
    un organisme qui consomme d'autres organismes pour se nourrir
    réaction dépendant de la lumière
    la première étape de la photosynthèse où la lumière visible est absorbée pour former deux molécules porteuses d'énergie (ATP et NADPH)
    mésophylle
    la couche intermédiaire des cellules d'une feuille
    photoautotrophe
    un organisme capable de synthétiser ses propres molécules alimentaires (emmagasinant de l'énergie) en utilisant l'énergie de la lumière
    pigment
    une molécule capable d'absorber l'énergie lumineuse
    stomie
    l'ouverture qui régule les échanges gazeux et la régulation de l'eau entre les feuilles et l'environnement ; pluriel : stomates
    stroma
    l'espace rempli de liquide entourant les granas à l'intérieur d'un chloroplaste où se déroulent les réactions de photosynthèse du cycle de Calvin
    thylakoïde
    structure membraneuse en forme de disque à l'intérieur d'un chloroplaste où les réactions de photosynthèse dépendantes de la lumière se produisent à l'aide de chlorophylle incorporée dans les membranes

    Contributeurs et attributions