La photosynthèse expliquée : comment les plantes convertissent la lumière solaire en énergie chimique

La photosynthèse est le processus biologique qui convertit l'énergie lumineuse en énergie chimique stockée dans le sucre. Selon National Geographic Education, les plantes utilisent la lumière solaire, l'eau et le dioxyde de carbone pour créer de l'oxygène et de l'énergie sous forme de sucre, en absorbant du dioxyde de carbone et de l'eau et en libérant de l'oxygène tout en stockant l'énergie dans les molécules de glucose.

Où cela se produit : à l'intérieur du chloroplaste

Le processus se déroule dans les chloroplastes, des organites présentes dans les cellules des plantes et des algues, selon National Geographic Education. Les chloroplastes contiennent deux régions clés décrites dans les références de biologie sur bio.libretexts.org : les membranes thylacoïdes, où se produisent les réactions dépendantes de la lumière, et le stroma, l'espace fluide où se déroulent les réactions indépendantes de la lumière du cycle de Calvin.

La chlorophylle, le pigment vert contenu dans les membranes thylacoïdes, absorbe l'énergie principalement des longueurs d'onde bleue et rouge tout en réfléchissant la lumière verte, ce qui explique pourquoi la plupart des feuilles apparaissent vertes, note National Geographic Education.

Première étape : les réactions dépendantes de la lumière

Dans la membrane thylacoïde, l'énergie lumineuse absorbée par la chlorophylle dans une structure appelée photosystème II est utilisée pour diviser les molécules d'eau, selon bio.libretexts.org. Cette division libère deux électrons, deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène ; l'oxygène est libéré comme sous-produit, qui est la source de l'oxygène que les plantes dégagent.

Les électrons libérés voyagent à travers une chaîne de transport d'électrons du photosystème II à travers un complexe appelé cytochrome b6f jusqu'au photosystème I, perdant de l'énergie en chemin et étant ré-énergisés par la lumière absorbée au photosystème I, selon bio.libretexts.org. À mesure que les électrons se déplacent dans le cytochrome b6f, les ions hydrogène sont pompés à travers la membrane thylacoïde, construisant un gradient de concentration. Ce gradient entraîne la chémosmose, au cours de laquelle la synthétase ATP ajoute un groupe phosphate à l'ADP pour former l'ATP. Au photosystème I, les électrons de haute énergie sont finalement utilisés pour convertir le NADP+ en NADPH.

Le résultat net de cette étape, tel que résumé par bio.libretexts.org, est la réaction : 2 H2O + 2 NADP+ + 3 ADP + 3 Pi → O2 + 2 NADPH + 3 ATP. L'ATP et le NADPH produits ici transportent l'énergie chimique vers la deuxième étape.

Deuxième étape : le cycle de Calvin

Le cycle de Calvin se déroule dans le stroma et ne nécessite pas la lumière directement, selon bio.libretexts.org. Il se déroule en trois étapes. Premièrement, lors de la fixation du carbone, l'enzyme RuBisCO combine le dioxyde de carbone avec une molécule à cinq carbones appelée RuBP, produisant deux molécules d'acide 3-phosphoglycérique (3-PGA) pour chaque CO2 fixé.

Deuxièmement, lors de la réduction, l'ATP et le NADPH produits lors des réactions dépendantes de la lumière convertissent le 3-PGA en glycéraldéhyde 3-phosphate (G3P), le bloc de construction que les plantes utilisent pour fabriquer du glucose et d'autres glucides. Troisièmement, lors de la régénération, la plupart du G3P produit est utilisé pour reconstruire le RuBP, en utilisant de l'ATP supplémentaire, afin que le cycle puisse continuer, selon bio.libretexts.org.

Produire une molécule de G3P nécessite trois tours du cycle, consommant trois molécules de CO2, neuf d'ATP et six de NADPH ; fabriquer une molécule de glucose nécessite six tours du cycle, selon bio.libretexts.org.

Pourquoi la photosynthèse est importante au-delà de la plante

National Geographic Education affirme que la plupart de la vie sur Terre dépend de la photosynthèse : les herbivores obtiennent l'énergie en mangeant des plantes, et les carnivores l'obtiennent indirectement en mangeant des herbivores, ce qui fait de la photosynthèse le point d'entrée de l'énergie dans la plupart des chaînes alimentaires. Le processus est également la principale source d'oxygène atmosphérique.

Les plantes terrestres ne sont pas les seuls photosynthétiseurs qui importent pour l'approvisionnement en oxygène de la planète. Selon le National Ocean Service de la NOAA, environ la moitié de l'oxygène terrestre provient de l'océan, produit par le phytoplancton — les plantes flottantes, les algues et certaines bactéries capables de photosynthèse. La NOAA met en évidence Prochlorococcus, décrit comme le plus petit organisme photosynthétique de la Terre, en tant qu'espèce qui produit à elle seule jusqu'à 20% de l'oxygène dans toute la biosphère, plus que toutes les forêts tropicales réunies.

La NOAA note également une mise en garde importante : dans l'océan, environ autant d'oxygène est produit par la photosynthèse qu'il n'en est consommé par la vie marine par la respiration et la décomposition, de sorte que l'océan fonctionne davantage comme un cycle d'oxygène équilibré qu'un gain atmosphérique net.

Les deux étapes en un coup d'œil