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LA PHOTOSYNTHESE

C'est sans doute le processus biochimique le plus important du monde vivant.

Depuis le début du monde, deux grandes espèces vivent ensemble sur la planète : le règne animal et le règne végétal.

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 La photosynthèse végétale consiste à réduire le dioxyde de carbone de l'atmosphère par l'eau absorbée par les racines à l'aide de l'énergie solaire captée par les feuilles avec libération d'oxygène afin de produire des glucides

Le règne végétal nous apporte beaucoup, à nous les humains, ainsi qu'aux animaux. Les végétaux, sous plusieurs de leurs formes, nous servent de nourriture, nourrissent les bêtes dont nous nous nourrissons, décorent nos terrains et nos maisons et sont parfois même une jolie marque d'affection lorsque nous les offrons à quelqu'un que nous aimons. Mais avez-vous déjà pensé que sans eux nous ne pourrions pas exister? Nous oublions très souvent que certaines espèces végétales produisent de l'oxygène, qui nous est essentielle pour vivre. Ce phénomène se nomme la photosynthèse.

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La feuille est l’organe spécialisé dans la photosynthèse

Les végétaux, comme les animaux, absorbent de l'oxygène et rejettent du gaz carbonique. Ce phénomène s'appelle la respiration. Elle consiste à "brûler" des sucres qui ont été emmagasinés pour libérer de l'énergie, grandir et, dans le cas des plantes, absorber de l'eau. Mais, les végétaux sont aussi capables du phénomène inverse. Ils utilisent l'énergie lumineuse du soleil, le gaz carbonique et de l'eau pour libérer de l'oxygène et fabriquer des sucres, qui sont les matières premières pour les lipides et les protéines. Mais le gaz carbonique, s'il réagissait simplement avec l'eau comme on le pensait au début, ne donnerait que de l'eau gazeuse ou acide carbonique.

En regardant l'étymologie du mot, il est facile de deviner ce qu'il veut dire. Photo veut dire lumière et synthèse veut dire réunion, ou encore, construction d'une substance complexe à partir de substances plus simples.

La photosynthèse s'effectue au niveau des organes verts et tout particulièrement au niveau des feuilles. L'intensité du phénomène est exprimée par le volume d'oxygène dégagé ou celui de gaz carbonique absorbé.

C'est sans doute le processus biochimique le plus important du monde vivant.

Les molécules d'oxygène rejetées dans l'atmosphère enrichissent continuellement l'air. Certains auteurs pensent même que cette réaction, effectuée depuis des époques géologiques très anciennes, serait à la source de l'oxygène dans l'atmosphère terrestre. On estime aussi que les végétaux terrestres fixent environ vingt milliards de tonnes (c'est-à dire 20 321 milliards de kilogrammes, ce qui veut dire environ 1,06 x 1039 molécules) de carbone provenant du gaz carbonique dans l'air à chaque année, quant aux algues, elles en fixent environ quinze milliards de tonnes (15 241 milliards de kilogrammes, soit environ 7,94 x 1038 molécules) de carbone qui viennent de l'eau. De plus, en captant de l'énergie solaire, les plantes enrichissent le capital énergétique de la planète.

Les plantes et quelques groupes de bactéries sont également les seuls êtres vivants à être capables de produire des substances organiques avec des éléments minéraux. On les nomme donc producteurs primaires. En effet, ils constituent le premier maillon d'une chaîne. Les hommes, autant que les animaux, dépendent de la photosynthèse, car nous sommes hétérotrophes, contrairement aux plantes qui elles, sont autotrophes. C'est-à-dire que nous avons besoin de la nourriture produite par les végétaux.

Historique des découvertes

Les premières tentatives d'explication du phénomène ont été faites par Aristote, qui pensait que la plante trouvait tout ce dont elle avait besoin pour grandir dans le sol.
Cette hypothèse fut contredite au début du 17e siècle par Jan Baptist Van Helmont qui fit une expérience et démontra que le poids de la plante avait augmenté plus que celui de la terre avait diminué.
En 1727, Stephen Hales publie un ouvrage dans lequel il émet l'hypothèse que la lumière et l'air sont des facteurs de croissance de la plante.
En 1771, Priestley a découvert, en observant une plante verte exposée à la lumière, que de l'O2 était dégagé.
Plus tard, Ingen-Housz a différentié la "respiration diurne" (plantes) et la "respiration nocturne" (animaux). Il a également posé l'hypothèse que l'O2 dégagé provenait de la composition de l'eau, hypothèse qui fut mise en doute et contredite aux 19 e et 20 e siècles.

Les découvertes faites par Lavoisier, notamment la composition chimique de l'air, permirent à Sénebier de comprendre que les plantes utilisent du CO2 et rejettent de l'O2. Au début du 19e, Saussure lie la photosynthèse à la nutrition végétale et Garreau définit la "respiration nocturne" qui est commune à tous les êtres vivants, tandis que la "respiration diurne" englobe la respiration et l'assimilation chlorophyllienne. Vers 1860, Boussingault a démontré que le résultat de la division entre le volume d’O2 gazeux dégagé et le volume de CO2 absorbé se rapprochait de l'unité. Le dégagement d'O2 et l'absorption de CO2 peuvent être mesurés grâce à divers montages, souvent faits avec des plantes aquatiques, qui ce prêtent mieux à ces expériences. Depuis 1941, les chercheurs ont pu utiliser un outil remarquable pour connaître les différentes étapes de la photosynthèse : les piles atomiques. En effet, elles mettaient à leur disposition des radio-isotopes, dont l'oxygène-18 et le carbone-14, qu'on peut suivre au cours des réactions. Cela leur permettait donc d'analyser les produits formés à chaque étape en arrêtant à la fin de chaque réaction. Ils ont utilisé une algue unicellulaire du nom de chlorella, car il était facile de tuer une de ses cellules instantanément (en la plongeant dans l'alcool bouillant), pour en extraire les produits intermédiaires qui se forment et se transforment presque instantanément. Ils ont ainsi pu trouver que les six molécules d'O2 dégagées proviennent des douze molécules d'eau et celles du glucose viennent du CO2, comme nous pouvons le voir dans la formule suivante : 6CO2 +12H2O* + énergie lumineuse C6H12O6 + 6H2O + 6O2*
L'astérisque signifie qu'il s'agit d'oxygène-18.

Les chercheurs disent qu'ils doivent beaucoup à la chlorella, car elle a permis l'une des découvertes les plus importantes de notre époque : percer le mystère de la photosynthèse. La découverte du mécanisme proprement dit de la photosynthèse fut faite en 1966. Une des découvertes marquantes fut celle d'Emerson et Arnold qui ont pu mettre en évidence l'existence des deux phases successives qui composent la photosynthèse, soit les phases lumineuse et sombre.

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La photosynthèse se déroule en deux phases : une phase lumineuse, ou photophosphorylation, et une phase sombre en réaction sombre ou encore les réactions du cycle de Calvin-Benson. Les cytochromes jouent un rôle de transporteur d'électrons.

Phase lumineuse : Cette phase a besoin de lumière et de la chlorophylle a pour s'effectuer. Elle se déroule en une fraction de seconde et toutes les réactions s'y font presque simultanément. Les molécules de chlorophylle transforment l'énergie cinétique lumineuse en énergie chimique potentielle. Lorsque la chlorophylle a absorbée l'énergie, elle devient excitée (activée). Elle se retrouve alors avec un supplément d'énergie de 65 kcal pour la lumière bleue et de 41 kcal pour la lumière rouge. S'il s'agit de lumière bleue, la molécule se trouve portée à un haut niveau d'énergie, mais est devenue tellement instable qu'elle perd rapidement (en 10-11s) l'excès (dissipé par chocs et frottements entre les molécules) et est ramenée à 41 kcal, comme pour la lumière rouge. L'énergie restant est ensuite transportée par l'un des électrons qui, étant porteur d'une grosse quantité d'énergie, s'échappe. Ensuite, cette énergie sera utilisée et celle des électrons de la chlorophylle étant redescendue, ils peuvent en capter d'autre.

Phase obscure : C'est durant cette phase que l'énergie transférée de la chlorophylle à l'ATP va servir. Cette étape est beaucoup plus longue que la précédente. Cette énergie étant emmagasinée, les réactions qui suivent n'ont donc plus besoin de la lumière, mais cela ne veut pas dire qu'elles doivent se faire dans l'obscurité. Elles se produisent même généralement à la lumière et accompagnent les réactions lumineuses. On pourrait dire, en résumé, que cette phase consiste à fixer le carbone sous forme de sucre, ce qui comprend plusieurs étapes qui forment un cycle, le cycle de Calvin. Ce cycle porte le nom de Melvin Calvin qui reçu le prix Nobel de chimie en 1961 et qui a contribué à expliquer le phénomène de fixation du carbone.

La Chlorophylle

La chlorophylle est agencée régulièrement dans les différents saccules des grana (thylacoïdes) des chloroplastes. Elle consiste en plusieurs molécules encastrées en partie dans des couches de lipides qui les séparent.

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 Représentation d'un chloroplaste :
    (1)   membrane externe ;
    (2)   espace intermembranaire ;
    (3)   membrane interne ;
    (4)   stroma ;
    (5)   lumen du thylakoïde ;
    (6)   membrane du thylakoïde ;
    (7)   granum (empilement de thylakoïdes) ;
    (8)   thylakoïde ;
    (9)   amidon ;
    (10) ribosome ;
    (11) ADN chloroplastique ;
    (12) plastoglobule (gouttelette lipidique).

Pour ce formé, elle a besoin de composés (très peu) contenant du fer, même si les atomes de fer n'entrent pas dans sa composition moléculaire. Même si elle agit durant la photosynthèse, elle n'est pas formée pendant ce temps. Si on fait pousser, par exemple, des graines de haricot dans l'obscurité totale, les feuilles seront jaunes et non vertes, parce que la chlorophylle ne peut se former sans lumière. Si la plante est ensuite éclairée, la photosynthèse ne se fera que lorsque la chlorophylle sera formée.

On peut l'extraire en faisant chauffer un morceau de plante dans un solvant, mais elle ne peut agir seule une fois extraite. Il semble donc que la photosynthèse ne peut se faire que dans une cellule vivante ou au moins, dans les grana.

Elle est essentielle à la photosynthèse. C'est pourquoi nous pouvons choisir n'importe quelle partie de la plante pour expérimenter le phénomène, pourvu qu'elle soit verte, car, la chlorophylle donnant la pigmentation verte de la plante, cela veut dire que cette partie en contient.

La couleur verte de la chlorophylle masque en grande partie le rouge-orange des caroténoïdes. Les différentes proportions de ces pigments expliquent les diverses nuances de vert du paysage. A l'automne, les caroténoïdes, plus stables, apparaissent lors de la dégradation de la chlorophylle, ce qui donne les couleurs vives des plantes.

Il existe quatre types de chlorophylle, qui sont bien souvent mélangés dans les grana. La plus commune et la plus importante dans le processus est la chlorophylle. Elle est d'un vert profond et est composée de carbone, d'hydrogène, d'oxygène, d'azote et d'un atome de magnésium situé au centre de la molécule (C55H72O5N4Mg). La chlorophylle b (C55H70O6N4Mg) quant à elle, est un pigment jaune-vert. Les plantes à graines, par exemple, contiennent trois parties de chlorophylle a pour une de chlorophylle b. Pour ce qui est des chlorophylles c et d, on les retrouve respectivement dans les algues brunes et algues rouges, mélangées à de la chlorophylle a. L'énergie lumineuse est absorbée par toutes les chlorophylles ainsi que par d'autres pigments comme les xanthophylles et les carotènes, pour être ensuite transmise à la chlorophylle.

Il existe, en réalité, une forme très particulière de chlorophylle que seules les bactéries pourpres du soufre possèdent : la bactériochlorophylle, qui est située dans les granules, plutôt que dans les grana.

Comme nous l'avons dit plus tôt, la chlorophylle est très importante dans le processus de la photosynthèse. En effet, elle est un catalyseur pour les réactions. De plus, elle contient, ainsi que les chloroplastes, des enzymes qui sont également des catalyseurs et qui rendent ainsi possible les réactions chimiques des différentes étapes de la photosynthèse.

Les Facteurs d'influence

L'assimilation des substances entrant en jeu lors de la photosynthèse est influencée par plusieurs facteurs. La teneur en gaz carbonique de l'air (0,03%) est très faible, mais les végétaux sont capables de synthétiser une plus grande quantité de matière quand elle augmente. La teneur en CO2 idéale se situe aux environs de 0,1% (cette propriété est parfois utilisée dans les serres pour maximiser le rendement). Si le pourcentage est entre 2 et 5% (ou plus), il devient alors toxique et nuit au développement de la plante.

La température optimale est différente selon les espèces des différentes régions. Dans nos régions tempérées, les plantes ont un meilleur rendement à 30oC, tandis que dans les régions tropicales, elles préfèrent une température entre 40 et 50oC. Si l'on dépasse cette température idéale, l'assimilation s'annule très rapidement. Par temps froid, l'assimilation est arrêtée vers légèrement au-dessous de 0oC dans nos régions et beaucoup plus bas pour les régions polaires ou alpines, contre 7-8oC dans les régions tropicales.

La lumière est un facteur décisif. Elle porte des particules énergétiques : les protons ou quanta de lumière. Certains végétaux ont besoin d'une lumière intense pour bien fonctionner (plantes de soleil, héliophiles) et d'autres (plantes d'ombre, sciaphiles) ont besoin de beaucoup moins de lumière et souffrent d'un excès de cette dernière. Diverses radiations composent la lumière blanche et chacune a une action spécifique. Leur énergie est inversement proportionnelle a leur longueur d'onde, ainsi, le spectre rouge contient moins d'énergie que le bleu. Les radiations rouges (600nm) et indigo (400-450nm) sont absorbées par la chlorophylle et sont les plus efficaces. Les vertes n'ont aucun effet, car elles sont soit réfléchies, soit elles passent directement au travers de la plante. Finalement, de toute cette lumière, 20% est réfléchie, 10% transmise et 70% est absorbée (20% dissipée en chaleur, 48% en fluorescence et 2% seulement à la photosynthèse).

On peut augmenter le rendement de la phase lumineuse en donnant plus de lumière (jusqu'à une certaine limite), mais pas en augmentant la température. Pour la phase sombre, c'est le contraire. L'approvisionnement en eau se fait par les cellules pour les algues, par les racines pour les plantes terrestres et elle est transmise par une canalisation vers les feuilles, ou par osmose et diffusion pour les plantes sans racines (ex: les mousses). Un manque d'eau affecte la physiologie de la cellule et réduit le taux de photosynthèse.

Le Processus

Au début, les biochimistes croyaient que la photosynthèse était une réaction simple, dont l'équation était la suivante : 6H2O + 6CO2 + énergie lumineuse C6H12O6 + 6O2 (eau + bioxyde de carbone + énergie lumineuse glucose + oxygène). Mais le carbone, pour passer de l'état inorganique à l'état organique, doit subir de multiples changements. Les atomes de carbone se lient pour former des chaînes, ainsi qu'avec d'autres atomes pour former un nombre presque infini de composés organiques.

La photosynthèse se divise en deux phases : la phase lumineuse (photophase) et la phase obscure (synthétique).

Il existe également un autre processus de photosynthèse qui touche les plantes tropicales. Ce processus leur permet d'assimiler la totalité du CO2 de l'atmosphère, donc, avoir un meilleur rendement et aussi, de moins perdre d'eau, ce qui leur est bien utile, car les régions où elles vivent sont très chaudes. Se sont ses mêmes forets qui nous donnent notre Air, que nous détruisons en premier !

À l’échelle planétaire, ce sont les algues et le phytoplancton marin qui produisent le plus d’oxygène, suivi des forêts. On a longtemps cru que les mers froides et tempérées étaient les seules à avoir un bilan positif en termes d’oxygène, mais une étude de 2009 montre que les océans subtropicaux oligotrophes sont également producteurs d’oxygène, bien qu'ayant une production saisonnière irrégulière. Ces océans jouent donc un rôle en termes de puits de carbone. Pour le sud de l'hémisphère nord, la production d’oxygène est basse en début d’hiver, augmente jusqu’en août pour redescendre à l'automne. De même on a longtemps cru que l'oxygène n'était produit que dans les couches très superficielles de l’océan, alors qu'il existe également du nanoplancton, vivant généralement à grande profondeur, photosynthétique. Dans les zones de dystrophisation ou dans les zones mortes de la mer, ce bilan peut être négatif.

Le flux d’énergie capté par la photosynthèse (à l’échelle planétaire) est immense, approximativement 100 térawatts: qui est environ de 10 fois plus élevé que la consommation énergétique mondiale (intégrée sur un an). Ce qui signifie qu'environ un peu moins du millième de l’insolation reçue par la Terre est capté par la photosynthèse et fournit pratiquement toute l’énergie de la biosphère.

Nous pourrions dire que la photosynthèse est très importante dans nos vies et ce, sans même qu'on ne s'en aperçoive. Les chercheurs ont découvert que la terre respirait. Elle libère de l’O2 dans l’hémisphère nord et absorbe le CO2 dans l’hémisphère sud comme une respiration.  Finalement, sans la photosynthèse, la seule vie sur Terre se résumerait à quelques bactéries, car il manquerait ce lien entre le monde inorganique et le monde organique

Mais sur une autre planète

En sera t il de même ? La photosynthèse pourras d’elle exister ?

Cette transformation d’énergie par la nature seras t’elle possible ailleurs ?

Si une planète est sur la bonne distance par rapport a sont étoile, quelle possède de l’eau (a l’état liquide) et une atmosphère  Un groupe de cellules organique vivant sur la planète pourrait très bien se développer et s’orienter avec le temps vers un type de photosynthèse. Elle aura tout le temps pour s’adapter a sont environnement et de transformer l’énergie venue de sont étoile en aliments. Et qui s’est peut être comme sur la terre, d’en changer sont atmosphère en un gaz respirable pour ses habitants.

La photosynthèse peut donc très bien exister ailleurs. Et pourquoi pas un être intelligent vivant sous le cycle de la photosynthèse. Un homme végétal ! Voir aussi pourquoi pas une conscience collectif a toute la flore de la planète comme la très bien souligner James Cameron dans sont film Avatar. Tout est possible avec l’univers…….

Si la photosynthese existe ailleurs sur une autre planete. Cela sous entend donc la possibilité qu'une vie animale l'utilise et probablement, il s'installeras tout autour, une chaine alimentaire extraterrestre

Alors ont ne coupe plus un arbre, ni d’en arraché ses feuilles. Mais ont lui dite merci d’exister….


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