Comment fonctionne la photosynthèse

Dans les années 1600, Jan Baptist van Helmont fit pousser un saule dans 200 livres de terre séchée ; après cinq ans, l’arbre avait gagné 164 livres et la terre avait perdu environ 2 onces.

D’où vient la masse d’un arbre ?

Si tu devais deviner d’où vient le bois d’un arbre, le sol semblerait la réponse évidente. Van Helmont testa cette idée. Il sécha 200 livres de terre dans un four, y planta une bouture de saule de cinq livres et ne l’arrosa qu’avec de l’eau de pluie ou distillée pendant cinq ans. L’arbre pesait alors environ 169 livres et 3 onces, mais la terre séchée n’avait perdu qu’environ 2 onces sur ses 200 livres. Il conclut que le bois, l’écorce et les racines provenaient uniquement de l’eau.

Il n’avait qu’à moitié raison. L’eau entre bien dans la plante, mais la plus grande partie de la masse sèche d’un arbre est du carbone, et ce carbone vient de l’air. Les plantes, les algues et les cyanobactéries absorbent du dioxyde de carbone, un gaz pauvre en énergie, et utilisent l’énergie solaire pour l’incorporer à des sucres riches en énergie. Dans OpenStax Biology, ces organismes sont appelés photoautotrophes : ils fabriquent leur propre nourriture grâce à la lumière. Les animaux, les champignons et la plupart des bactéries sont hétérotrophes : ils vivent de sucres d’abord produits par la photosynthèse.

On écrit généralement la réaction globale sous la forme 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂, avec la lumière comme source d’énergie. Six molécules de dioxyde de carbone et six d’eau deviennent une molécule de glucose et six de dioxygène. Cette écriture paraît simple, mais le processus réel comprend de nombreuses étapes avec des molécules intermédiaires de courte durée de vie.

À l’intérieur du chloroplaste

Dans une feuille, la photosynthèse a lieu surtout dans la couche intermédiaire, le mésophylle, au sein d’organites appelés chloroplastes. Un chloroplaste possède une membrane externe et une membrane interne. Il contient des disques aplatis, les thylakoïdes, empilés en grana et entourés d’un liquide, le stroma. La chlorophylle se trouve dans les membranes des thylakoïdes. La chlorophylle a absorbe la lumière bleue et rouge aux deux extrémités du spectre visible (400 à 700 nanomètres) et réfléchit le vert, d’où la couleur des feuilles.

Deux étapes

Les réactions dépendantes de la lumière se déroulent dans les membranes des thylakoïdes. L’énergie lumineuse passe de pigment en pigment, avec 300 à 400 molécules de chlorophylle par antenne, jusqu’à un centre réactionnel. L’énergie y arrache un électron, remplacé grâce à la dissociation de l’eau. C’est cette dissociation qui libère le dioxygène. L’énergie est stockée momentanément dans deux molécules porteuses, l’ATP et le NADPH. Environ 10 pour cent du dioxygène est utilisé par les mitochondries de la feuille ; le reste rejoint l’air.

La seconde étape, le cycle de Calvin, se déroule dans le stroma. Une enzyme appelée RuBisCO fixe une molécule de dioxyde de carbone sur un sucre à cinq carbones, le RuBP, et le produit se scinde en deux molécules à trois carbones. L’ATP et le NADPH permettent ensuite leur transformation en un sucre appelé G3P. Chaque tour du cycle ne fixe qu’un carbone : il faut donc trois tours pour exporter un G3P et six tours pour fournir assez de carbone pour un glucose. L’ancien nom de « réaction sombre » est trompeur : il suggère que le cycle ne se déroule que la nuit ou sans lumière, alors qu’il nécessite l’ATP et le NADPH produits par les réactions lumineuses.