La photosynthèse, phénomène extraordinaire, indispensable à la vie

« L’amour ne pousse pas très bien dans un endroit où il n’y a que de la peur, comme les plantes ne poussent pas très bien dans un endroit où il fait toujours noir. », Stephen King

L’extraordinaire photosynthèse ! S’il y a bien un phénomène incroyable sur notre belle planète bleue, il s’agit sans nul doute de la photosynthèse. Imaginez un peu : pour vous nourrir, vous vous installez sur une chaise longue au soleil avec une bouteille d’eau et… c’est tout !

Depuis plusieurs années, nous arrivons à maitriser l’énergie solaire pour chauffer notre eau et notre maison, éclairer nos pièces à vivre. Grâce à cette énergie phénoménale, nous produisons de l’électricité.

Tout cela est terriblement ingénieux, mais il faut bien constater que les plantes vertes exploitaient les richesses du Soleil bien avant nous !

Dans cet article, je vous propose de partir à la découverte de ce phénomène prodigieux durant lequel une plante verte fabrique sa nourriture avec l’eau puisée dans le sol, le carbone et l’oxygène de l’air et beaucoup de soleil !

Il existe deux photosynthèses !

Il existe en réalité deux types de photosynthèse :

• La photosynthèse oxygénée qui est la plus courante et que l’on rencontre chez les plantes vertes, les algues et les cyanobactéries ;
• La photosynthèse anoxygénique présente chez certaines espèces de bactéries.

Les principes généraux de ces deux photosynthèses sont très similaires, mais le type anoxygénique se rencontre très rarement.

Lors de la photosynthèse oxygénée, les plantes absorbent le CO2 ou dioxyde de carbone présent dans l’air atmosphérique et l’utilisent pour produire du glucose en le combinant avec de l’eau.

En réalité, au cours de ce phénomène, l’énergie lumineuse transfère des électrons de l’eau vers le dioxyde de carbone. Lors de ce transfert, le CO2 qui reçoit des électrons supplémentaires est réduit, alors que l’eau qui perd ces mêmes électrons est oxydée. Au cours de ce processus qui conduit à la formation du glucose, de l’oxygène est produit et rejeté dans l’air.

On comprend aisément le rôle de la photosynthèse pour l’équilibre en oxygène de l’atmosphère : les plantes vertes absorbent le dioxyde de carbone produit par tous les organismes qui respirent et réinjectent de l’oxygène dans l’atmosphère.

Stop aux idées préconçues ! On entend très souvent que la déforestion des forêts tropicales entraine la destruction du « poumon vert » de la planète. Il faut nuancer cette phrase. Les algues vertes photosynthétiques des milieux aquatiques participent aussi énormément à l’équilibre de l’oxygène que nous respirons.

Il faut signaler que les plantes vertes respirent également en absorbant de l’oxygène et en rejetant du CO2. Cette fonction se déroule en même temps que la photosynthèse, mais en journée, cette dernière prend le dessus sur la respiration.

La photosynthèse anoxygénique n’utilise pas l’eau comme donneur d’électrons et ne produit pas d’oxygène. Par exemple de nombreuses bactéries utilisent le sulfure d’hydrogène à la place de l’eau et produisent du soufre solide à la place de l’oxygène produit dans la photosynthèse oxygénée.

Ce phénomène photosynthétique de nombreuses bactéries pourpres sulfureuses et vertes sulfureuses se déroule très souvent dans les habitats aquatiques comme les zones marécageuses.

Les différents outils nécessaires à la photosynthèse

La photosynthèse est un processus complexe qui fait intervenir de nombreux acteurs au sein même de l’unité fondamentale de la vie, la cellule. Parmi ces « outils », il y a les différents pigments, les plastes, les antennes et le centre de réaction.

Les pigments, la couleur de vos plantes

Les pigments sont des molécules qui donnent de la couleur aux plantes, aux algues vertes et à certaines bactéries. Mais en dehors de ce rôle « esthétique », les pigments ont comme rôle fondamental de piéger la lumière du soleil.

Les pigments de différentes couleurs absorbent différentes longueurs d’onde de la lumière. Il existe différents groupes de pigments présents chez les plantes vertes :

• Les chlorophylles : ces pigments de couleur verte sont capables de piéger la lumière bleue et rouge du soleil. On parle bien des chlorophylles et non pas de la chlorophylle parce qu’il existe plusieurs sous-types appelés respectivement chlorophylle A, chlorophylle B et chlorophylle C. La chlorophylle A est celle que l’on retrouve dans toutes les plantes. Il existe un cas particulier de chlorophylle que l’on retrouve dans certaines bactéries et qui absorbe la lumière infrarouge. C’est ce pigment que l’on retrouve dans les bactéries qui effectuent la photosynthèse anoxygénique ;
• Les caroténoïdes : les caroténoïdes sont les pigments de couleur rouge, orange et jaune qui absorbe la lumière verte et bleue. Les exemples les plus connus de pigments caroténoïdes sont la xanthophylle jaune et le carotène qui donne sa couleur orange à la carotte ;
• Les phycobilines : ces pigments rouge et bleu se retrouvent essentiellement dans les cyanobactéries et les algues rouges qui réalisent également la photosynthèse.

Les chloroplastes, siège de la photosynthèse

Les plantes vertes contiennent dans chacune de leurs cellules des organites cellulaires appelés chloroplastes.

Les chloroplastes font partie d’une grande famille d’organite cellulaire que l’on appelle les plastes ou plastides. Certains d’entre eux peuvent stocker des nutriments comme l’amidon et portent le nom d’amyloplastes. On en retrouve par exemple dans les bananes et la pomme de terre. D’autres comme les chromoplastes contiennent des caroténoïdes. Quant aux chloroplastes rencontrés chez les plantes vertes, ils contiennent de la chlorophylle.

La photosynthèse se produit dans des régions particulières des chloroplastes que l’on appelle le grana et le stroma. Ces ensembles de membranes en forme de disques empilés comme des colonnes sont le siège du transfert des électrons indispensables à la photosynthèse.

Les chloroplastes sont des éléments particuliers dans la cellule puisque comme les mitochondries, ils possèdent leur propre génome sous la forme d’un ADN circulaire qui code pour des protéines essentielles à l’organite et à la photosynthèse.

Les chercheurs pensent que les chloroplastes tout comme les mitochondries seraient issus de cellules bactériennes primitives intégrées dans des cellules par symbiose.

Les antennes collectrices

Plusieurs centaines à plusieurs milliers de molécules de chlorophylle s’associent entre elles ainsi qu’à des protéines de structure pour constituer des sortes d’antennes collectrices nécessaires pour capter efficacement l’énergie lumineuse du soleil sous la forme de photons.

C’est au niveau de ses antennes collectrices que l’énergie lumineuse est transformée en énergie chimique : le photon est transformé en électrons.

En réalité, dans les plantes vertes l’énergie lumineuse est transférée aux pigments de la chlorophylle. La conversion en énergie chimique se réalise lorsqu’un pigment de chlorophylle expulse un électron qui peut alors se déplacer vers un récepteur approprié situé dans le centre de réaction ou l’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique.

Le processus de photosynthèse

Le processus photosynthétique est en réalité divisé en deux parties : une première étape se réalise en présence de la lumière du soleil et une autre se fait en son absence. Cette réaction se déroule au sein même des chloroplastes.

La réaction de photosynthèse est un processus biochimique complexe. Voici un résumé de ce qui se passe au cœur même du centre névralgique de la photosynthèse, le chloroplaste :

1. Lorsqu’un photon de lumière frappe le centre de réaction, une molécule de chlorophylle libère un électron ;
2. L’électron libéré parvient à s’échapper en passant par une chaîne de transfert d’électrons qui génère de l’énergie sous la forme d’ATP et de NADPH. Ces molécules renferment cette énergie produite au sein même des liaisons chimiques qui maintiennent en place leurs atomes constitutifs. Le « trou électronique » dans la chlorophylle est rempli en prélevant un électron de l’eau. De l’oxygène est alors libéré dans l’air ;
3. L’étape qui suit, indépendante de la lumière, est connue sous le nom de cycle de Calvin : ce cycle utilise l’ATP et le NADPH, riche en énergie pour réaliser trois étapes de réaction chimique. Ces réactions chimiques utilisent de l’eau et différents catalyseurs (catalyseurs=molécules qui accélèrent des réactions chimiques sans subir de transformations). C’est à ce moment-là que les atomes de carbone présent dans le dioxyde de carbone absorbé par la plante dans l’air sont intégrés à des molécules organiques pour former finalement le glucose.

Économie d’énergie en automne

En Belgique, dès les premiers jours d’automne, la température moyenne descend et les journées deviennent plus courtes.

Le feuillage des arbres est la partie la plus sensible au froid. Pour pouvoir le protéger, la plante devrait consommer trop d’énergie. Afin d’éviter cette dépense énergétique, l’arbre va s’adapter et éliminer ses feuilles.

Il va produire une molécule chimique, l’éthylène qui entraine une cascade de réactions :

• Les nutriments présents dans les feuilles sont amenés vers les fruits présents sur l’arbre, dans les graines et les racines. Ils serviront au prochain printemps ;
• Ensuite, l’arbre coupe l’apport de sève brute aux feuilles. La chlorophylle va alors commencer à disparaître au profit des pigments rouges et orangés qui deviennent visibles ;
• Ces pigments seront également détruits, et la feuille, vide de toute substance, tombe au sol lors des premiers coups de vent.

L’utilisation de la photosynthèse dans le futur

Les organismes photosynthétiques sont un moyen possible de produire des combustibles comme l’hydrogène ou même le méthane ne produisant pas de résidus polluants.

Récemment, un groupe de recherches de l’université de Turku en Finlande a réussi à exploiter la capacité des algues vertes à produire de l’hydrogène. En effet, les algues vertes peuvent produire pendant quelques secondes de l’hydrogène pour autant qu’elles soient exposées à l’ombre et dans des conditions sans oxygène. Elles sont ensuite replacées à la lumière. Cette équipe de chercheurs a réussi à mettre au point un moyen pour que les algues produisent de l’hydrogène pendant au moins trois jours.

Aux États-Unis, un groupe de chercheurs de l’université de Californie a mis au point un système artificiel permettant de capturer le dioxyde de carbone dans l’air grâce à des nanofils (fils de quelques milliardièmes de mètres de diamètre). Grâce à ces nanofils, ils ont pu alimenter des bactéries en dioxyde de carbone. Ces bactéries ont utilisé ce CO2 pour produire des polymères en utilisant la lumière du soleil dans un cycle biochimique similaire à la photosynthèse.

La recherche continue sur les processus naturels comme la photosynthèse parce qu’elle permet de développer de nouvelles façons d’utiliser diverses sources d’énergie renouvelable. Étant donné que la lumière du soleil, les plantes et les bactéries sont omniprésentes, l’exploitation du pouvoir de la photosynthèse est une étape logique pour créer des combustibles propres et neutres en carbone.

La photosynthèse, indispensable à la vie sur terre

La photosynthèse est un processus indispensable à la survie des plantes vertes, mais également à la survie de toute la vie sur terre. Ce phénomène constitue en effet le seul moyen de créer de la matière organique à partir de la matière minérale. C’est aussi grâce à la photosynthèse que l’atmosphère de la jeune terre, il y a plusieurs milliards d’années, s’est enrichie en oxygène.

Si vous souhaitez en savoir davantage sur la photosynthèse, voici un excellent article de Alain Amar-Costesec, docteur en pharmacie, qui traite notamment du rôle des chloroplastes.

Finalement, si la photosynthèse n’existait pas, les êtres vivants seraient absents de la surface de la Terre. Notre belle planète ne serait qu’une planète morte !