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De la lumière solaire à la matière organique : la photosynthèse

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Introduction :

La Terre est la seule planète de notre système solaire à additionner les conditions nécessaires à l’apparition de la vie : de l’eau sous forme liquide, une température moyenne de 15 °C et une atmosphère riche en dioxygène et en vapeur d’eau.

Dans ce cours, nous verrons dans un premier temps quel est le processus chimique que l’on nomme la photosynthèse. Nous nous intéresserons aux conditions nécessaires pour qu’elle ait lieu ainsi qu’aux mécanismes de cette réaction. Dans un deuxième temps, nous essayerons de comprendre en quoi la photosynthèse est nécessaire à la biosphère.

La conversion de l’énergie solaire en matière organique : la photosynthèse

L’utilisation de la lumière par les végétaux

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À retenir

Le Soleil émet à la surface de la Terre l’énergie lumineuse indispensable à la photosynthèse.

Le dispositif expérimental suivant permet de comprendre quelles sont les conditions nécessaires à la réalisation de la photosynthèse :

Alt texte Schéma de la photosynthèse

Une plante est mise à la lumière. Certaines parties de ses feuilles sont protégées à l’aide d’un cache noir. Après une dizaine d’heures d’exposition, on fait des trous à l’emporte-pièce dans les feuilles. Certains trous sont réalisés sur des feuilles exposées à la lumière et d’autres dans les parties de la feuille cachée. Ces fragments de feuilles, qui ont exactement la même taille sont ensuite pesés et on compare leur poids à des fragments prélevés sur la même plante avant le début de l’expérience. Voici le tableau récapitulant les résultats de l’expérience :

Rondelles témoins Rondelles de feuille placées au Soleil Rondelles de feuille placées à l’obscurité
Masse (en g) 0,1 0,21 0,15

On remarque que les rondelles de feuilles placées à l’obscurité pèsent 0,15 grammes tout comme les rondelles témoins prélevées avant le début de l’expérience. Les rondelles de feuilles placées à la lumière ont un poids supérieur, elles pèsent 0.21 grammes.

Cette expérience montre que la photosynthèse permet un gain de matière organique et que l’énergie lumineuse est indispensable à sa réalisation. En effet, les parties de feuilles non-exposées à la lumière n’ont pas enregistré de gain de matière organique après une dizaine d’heures.

Les mécanismes de la photosynthèse

Comment fonctionne la photosynthèse ?

Chez les végétaux, les cellules contiennent des organites très spécifiques baignant dans le cytoplasme : les chloroplastes. Ils contiennent un pigment vert, la chlorophylle, à l’origine de la couleur verte des végétaux. On retrouve ces organites dans les cellules des feuilles et des tiges principalement, ce sont les chloroplastes et a chlorophylle qui donne leur couleur verte aux végétaux.

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Astuce

Les cellules produisant de la chlorophylle sont dites chlorophylliennes, c’est-à-dire qu’elles présentent des chloroplastes dans leur cytoplasme.
Les chloroplastes sont des organites très importants car c’est en leur sein qu’à lieu la photosynthèse.

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Définition

Photosynthèse :
La photosynthèse est une réaction des végétaux chlorophylliens afin produire leur propre matière organique à partir d’énergie lumineuse, d’eau et de dioxyde de carbone.

Cette réaction biochimique et énergétique se déroule dans les chloroplastes des cellules chlorophylliennes.

Alt texte

Le $CO_2$ et l’eau sont captés dans le milieu extérieur. Le $CO_2$ dans l’air, directement par la feuille et l’eau dans le sol grâce aux racines de la plante. Grâce à l’énergie lumineuse, qui est indispensable à cette réaction chimique, les chloroplastes utilisent l’eau et le $CO_2$ pour former le dioxygène ($O_2$) et les glucides (sucres) dont se nourrit la plante.

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À retenir

Les glucides ont un rôle primordial chez les êtres vivants car ce sont eux qui fournissent l’énergie nécessaire à nos cellules pour fonctionner. On les retrouve chez les animaux sous forme de sucres, et dans les plantes sous forme d’amidon. Les organismes vivants peuvent constituer des réserves de glucides.

En plus de l’eau, les plantes puisent dans le sol des sels minéraux. Ces sels-minéraux sont utiles aux plantes.

Alt texte Évolution de biomasses en fonction des apports

On observe sur cette courbe l’évolution de la biomasse produite par quatre cultures végétales dans différentes conditions. La quantité de biomasse produite, c’est à dire la taille de la plante, est bien supérieure en présence de sels minéraux et notamment d’azote.

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À retenir

Bien qu’ils n’interviennent pas sur la nature des molécules créées lors de la photosynthèse, les sels minéraux, puisés dans le sol par les racines en même temps que l’eau, sont indispensables au bon fonctionnement de la photosynthèse.

L’équation bilan de la photosynthèse est donc :

Alt texte Formule de la photosynthèse

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À retenir

La photosynthèse permet de stocker l’énergie solaire sous forme d’énergie organique, en l’occurrence de glucides au sein du végétal.

Les glucides formés lors de la photosynthèse vont être ensuite transformées en d’autres molécules organiques essentielles au bon fonctionnement de la plante. Ces molécules peuvent être des protéines ou des lipides par exemple.

La photosynthèse, nécessaire à la biosphère

Le réseau trophique

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Définition

Biosphère :

La biosphère est l’ensemble des milieux présents sur Terre et l’ensemble des êtres vivants qui les peuplent.

Alt texte Schéma d'un réseau trophique

Le schéma représente un réseau trophique. Chaque flèche signifie « est mangé par ». Dans notre exemple, l’arbre et l’herbe sont mangés par le cerf et le lapin. Le lapin quant à lui est mangé par la buse et le renard.

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À retenir

Ce sont les végétaux qui sont à la base de la chaîne alimentaire. Les végétaux photosynthétiques sont les seuls organismes à produire leur propre matière organique à partir de molécules minérales. On dit qu’ils sont autotrophes. Ils servent de nourriture aux autres organismes, se sont donc des producteurs primaires.

Les autres organismes qui sont obligés de consommer des êtres vivants pour fabriquer leur matière organique sont dits hétérotrophes. Ils se nourrissent des producteurs primaires et sont appelés producteurs secondaires.

La biomasse

La quantité de biomasse est présente en quantité différente dans les différents habitants de notre écosystème.

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Définition

Biomasse :

La biomasse est la quantité de matière dite vivante dans un écosystème, soit la masse de l’organisme. Elle est exprimée en kilogramme ou tonne par hectare.

Alt texte La biomasse chez les végétaux et les animaux

Comme le montre le schéma, la biomasse est plus importante chez les végétaux.
Voyons maintenant ce qui explique une telle différence de biomasse et quel est le devenir de la matière organique consommée par les producteurs secondaires.

Alt texte L'exemple du cerf

Prenons l’exemple d’un cerf. S’il consomme 500 grammes d’herbe, cette quantité de matière organique va être utilisée de différentes façons :

  • 175 grammes vont êtres rejetés dans les excréments ;
  • 320 grammes vont êtres utilisés pour la respiration ;
  • seuls 5 grammes vont servir à la croissance de l’animal.

Une partie importante de la matière organique crée par la photosynthèse est donc perdue au fil de la chaîne alimentaire.

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À retenir

On appelle production primaire brute, notée PPB, la quantité de matière organique produite par unité de surface et par unité de temps lors de la photosynthèse. Le long de la chaîne trophique, une partie importante de cette production primaire brute est dégradée par la respiration.

On définit donc la productivité primaire nette, notée PPN, qui correspond aux flux réels de matière organique. Cette productivité est obtenue en soustrayant la quantité de matière organique dégradée par la respiration à la production primaire brute.

PPN = PPB - R

​Conclusion :

La photosynthèse est une réaction chimique pour laquelle la présence d’énergie lumineuse est indispensable.

Grâce à cette réaction, les végétaux chlorophylliens, appelés producteurs primaires, peuvent créer leur propre matière organique à partir du dioxygène, de l’eau et de sels minéraux. La biomasse ainsi créée va servir à toutes les échelles du réseau trophique car elle est consommée par les organismes hétérotrophes.

Il faut bien distinguer la production primaire brute de la production primaire nette qui tient compte des pertes de matière organique par la respiration au sein d’un écosystème.