Enseignement scientifique — Le Soleil, notre source d'énergie
La photosynthèse
Équation bilan, chloroplastes, phase claire/sombre, bilan carbone
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
La photosynthèse est le processus par lequel les organismes chlorophylliens (plantes, algues, cyanobactéries) convertissent l'énergie lumineuse en énergie chimique, en synthétisant de la matière organique à partir de $\mathrm{CO_2}$ et d'eau. L'équation bilan est : $6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$ (énergie lumineuse). Elle se déroule dans les chloroplastes, organites contenant la chlorophylle, un pigment vert qui absorbe les radiations rouges et bleues et réfléchit le vert. La photosynthèse comprend deux phases : la phase claire (dans les thylakoïdes) utilise la lumière pour produire de l'ATP et du NADPH en oxydant l'eau (libération d'$\mathrm{O_2}$) ; la phase sombre ou cycle de Calvin (dans le stroma) utilise l'ATP et le NADPH pour fixer le $\mathrm{CO_2}$ et synthétiser du glucose. La photosynthèse joue un rôle crucial dans le bilan carbone global : elle fixe environ 120 milliards de tonnes de carbone par an et produit le dioxygène de l'atmosphère.
La photosynthèse est la réaction biochimique la plus importante de la planète. Elle convertit l'énergie lumineuse en énergie chimique, produit le dioxygène que nous respirons et fixe le carbone atmosphérique dans la matière organique.
La photosynthèse : $6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$, en deux phases (claire et sombre) dans le chloroplaste.
- Équation bilan : $6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$ (nécessite de l'énergie lumineuse)
- Réactifs : dioxyde de carbone ($\mathrm{CO_2}$ atmosphérique) et eau ($\mathrm{H_2O}$ absorbée par les racines)
- Produits : glucose ($\mathrm{C_6H_{12}O_6}$, matière organique) et dioxygène ($\mathrm{O_2}$, rejeté dans l'atmosphère)
- Conditions nécessaires : lumière, chlorophylle, $\mathrm{CO_2}$, eau, température adaptée
- La photosynthèse est l'inverse de la respiration cellulaire (bilan chimique opposé)
Exemple
Un arbre adulte fixe environ 22 kg de $\mathrm{CO_2}$ par an et produit ~16 kg d'$\mathrm{O_2}$. Pour compenser les émissions d'un vol Paris-New York aller-retour (~1,7 t $\mathrm{CO_2}$), il faudrait planter ~77 arbres et attendre un an de croissance. Cela montre les limites de la compensation carbone.
Piège à éviter
La photosynthèse n'est pas l'inverse exact de la respiration du point de vue des mécanismes, même si les bilans chimiques sont opposés. La photosynthèse se fait dans les chloroplastes (lumière nécessaire), la respiration dans les mitochondries (jour et nuit). Les voies métaboliques sont totalement différentes.
Les chloroplastes sont les organites de la photosynthèse, contenant le pigment vert chlorophylle. La chlorophylle absorbe sélectivement les radiations rouges et bleues, réfléchissant le vert, ce qui donne aux plantes leur couleur caractéristique.
- Chloroplastes : organites à double membrane, contenant des thylakoïdes (disques membranaires empilés en grana)
- Le stroma est le milieu aqueux interne du chloroplaste, entre les thylakoïdes
- La chlorophylle est un pigment situé dans la membrane des thylakoïdes
- La chlorophylle absorbe les longueurs d'onde rouge (≈ 680 nm) et bleue (≈ 430 nm), et réfléchit le vert
- Autres pigments accessoires : caroténoïdes (jaune-orange), xanthophylles → visibles en automne
- Le spectre d'absorption de la chlorophylle correspond au spectre d'action de la photosynthèse
Exemple
Le spectre d'absorption de la chlorophylle montre deux pics : ~430 nm (bleu) et ~680 nm (rouge). Les feuilles apparaissent vertes car la chlorophylle absorbe le rouge et le bleu mais réfléchit le vert. En automne, la chlorophylle se dégrade, révélant les caroténoïdes (jaune-orange) cachés.
Piège à éviter
La chlorophylle absorbe le rouge et le bleu, pas le vert. Les plantes sont vertes car elles réfléchissent le vert (qu'elles n'utilisent pas). C'est un piège classique : la couleur d'un objet correspond à la lumière qu'il n'absorbe pas.
La photosynthèse se déroule en deux phases complémentaires : la phase claire (dans les thylakoïdes) utilise la lumière pour produire ATP et NADPH, puis la phase sombre (cycle de Calvin, dans le stroma) utilise ces molécules pour fixer le $\mathrm{CO_2}$ en glucose.
- Phase claire (thylakoïdes) : la lumière excite la chlorophylle, qui cède des électrons à une chaîne de transport
- L'eau est oxydée (photolyse) : $2\,\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{O_2} + 4\,\mathrm{H^+} + 4\,\mathrm{e^-}$ → libération du dioxygène
- Production d'ATP (par l'ATP synthase) et de NADPH (pouvoir réducteur) → énergie chimique
- Phase sombre = cycle de Calvin (stroma) : ne nécessite pas directement la lumière, mais utilise ATP et NADPH
- Fixation du $\mathrm{CO_2}$ par la RuBisCO (enzyme la plus abondante sur Terre) sur le ribulose-1,5-bisphosphate
- Le cycle de Calvin produit du G3P (glycéraldéhyde-3-phosphate), précurseur du glucose et d'autres molécules organiques
Exemple
Phase claire : photolyse de l'eau $12\,\mathrm{H_2O} \rightarrow 6\,\mathrm{O_2} + 24\,\mathrm{H^+} + 24\,\mathrm{e^-}$, alimentant la production de 18 ATP et 12 NADPH. Cycle de Calvin : $6\,\mathrm{CO_2}$ + 18 ATP + 12 NADPH → 1 glucose ($\mathrm{C_6H_{12}O_6}$). La RuBisCO, enzyme qui fixe le $\mathrm{CO_2}$, représente ~50 % des protéines foliaires : c'est la protéine la plus abondante sur Terre.
Piège à éviter
La phase « sombre » ne se déroule pas dans l'obscurité. Elle s'appelle ainsi car elle ne nécessite pas directement la lumière, mais elle utilise l'ATP et le NADPH produits par la phase claire. En pratique, elle se déroule surtout le jour, quand ces molécules sont disponibles.
La photosynthèse joue un rôle central dans le cycle du carbone et le maintien de la vie sur Terre. Elle fixe 120 milliards de tonnes de carbone par an et a produit tout le dioxygène de l'atmosphère au cours de l'évolution.
- La photosynthèse fixe environ 120 Gt de carbone par an à l'échelle mondiale
- Les organismes photosynthétiques sont des producteurs primaires : base des chaînes alimentaires
- L'$\mathrm{O_2}$ atmosphérique (21 %) provient historiquement de la photosynthèse (cyanobactéries, puis plantes)
- Puits de carbone : forêts, océans (phytoplancton) absorbent du $\mathrm{CO_2}$ et limitent l'effet de serre
- Les combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz) sont de la matière organique issue de la photosynthèse ancienne
Exemple
Les combustibles fossiles sont de la photosynthèse « stockée ». Le charbon provient de forêts du Carbonifère (~300 Ma), le pétrole de phytoplancton marin (~100 Ma). En brûlant ces fossiles, nous libérons en quelques décennies le $\mathrm{CO_2}$ fixé en millions d'années.
Piège à éviter
Les forêts jeunes en croissance sont de meilleurs puits de carbone que les forêts anciennes matures. Une forêt mature est à l'équilibre : elle fixe autant de $\mathrm{CO_2}$ (photosynthèse) qu'elle en libère (respiration, décomposition). Mais détruire une forêt ancienne libère le carbone stocké.
Quiz - La photosynthèse
10 questions
S'entraîner
Notions clés — Enseignement scientifique
Articles utiles
Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur La photosynthèse, extraits du quiz de révision.
L'équation bilan de la photosynthèse est :
Réponse :
$6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$
La photosynthèse utilise le $\mathrm{CO_2}$ et l'eau pour produire du glucose et du dioxygène, grâce à l'énergie lumineuse.
La photosynthèse se déroule dans :
Réponse :
Les chloroplastes
Les chloroplastes sont les organites de la photosynthèse, contenant la chlorophylle dans les thylakoïdes.
La chlorophylle absorbe principalement les radiations :
Réponse :
Rouges et bleues
La chlorophylle absorbe le rouge (≈ 680 nm) et le bleu (≈ 430 nm), et réfléchit le vert, d'où la couleur verte des feuilles.
La phase claire de la photosynthèse se déroule dans :
Réponse :
Les thylakoïdes
La phase claire se déroule dans la membrane des thylakoïdes, où la chlorophylle capte la lumière.