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La photosynthèse : une conversion de l'énergie solaire

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Ce cours est en cours de création par nos équipes et il sera prêt pour la rentrée 2019 💪

Introduction  :

Les êtres vivants sont composés de matière minérale (eau, sels minéraux), mais aussi de matière organique.

À l’échelle des écosystèmes, les plantes sont à l’origine de la quasi intégralité de la production de cette matière organique via l’utilisation de la matière minérale et l’énergie solaire.

Dans une première partie, nous nous intéresserons au processus métabolique qui permet la production cette matière organique végétale. Ensuite, nous verrons le transfert de cette matière au sein des chaînes alimentaires, puis nous étudierons les conséquences de cette activité métabolique sur l’environnement.

Le déroulement de la photosynthèse

Définition de la photosynthèse

Les êtres vivants pratiquant la photosynthèse produisent de la matière organique (le mot « synthèse » vient du grec sunthesis, action de composer) grâce à l’énergie solaire (le préfixe « photo- » vient du grec photos qui signifie « lumière »). Cette production nécessite aussi de l’eau, du dioxyde de carbone (CO2\text{CO}_2) et des sels minéraux.

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Définition

Photosynthèse :

Ensemble de réactions chimiques permettant aux végétaux chlorophylliens (et à certaines bactéries) de produire leur propre matière organique à partir d’énergie lumineuse, d’eau, de dioxyde de carbone et de sels minéraux.

La photosynthèse se déroule dans les parties vertes des plantes et aboutit à la formation de glucose et de dioxygène.

Le glucose ainsi produit est une source d'énergie pour la plante, qui le consomme ensuite lors de la respiration, notamment à l’obscurité.

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Attention

Pendant le jour, lorsque la plante est à la lumière, la respiration s'accompagne de la photosynthèse. Mais la nuit, seule la respiration a lieu, à partir du glucose qui s'est accumulé.

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À retenir

Ainsi, la photosynthèse est une conversion de la matière minérale en matière organique sous la forme de glucose, grâce à l’action de l’énergie solaire.

Son équation bilan se modélise de la manière suivante :

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Avant la photosynthèse, l’atome de carbone se trouve dans le dioxyde de carbone, qui est une molécule minérale.
Après la photosynthèse, il se retrouve dans le glucose, qui est une molécule organique.

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À retenir

L’atome de carbone contenu dans le dioxyde de carbone entre dans les plantes lors de la photosynthèse.

Efficacité de la photosynthèse

La lumière blanche joue donc un rôle dans la photosynthèse.

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Définition

Lumière blanche :

La lumière blanche est le nom donné à la lumière produite par le Soleil. Elle correspond à la superposition de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel (spectre lumineux).

En laboratoire, il est possible de séparer chacune de ces couleurs grâce à un prisme. On obtient ainsi le spectre de la lumière blanche, qui va de la couleur violette au rouge (en ce qui concerne les couleurs que l’œil humain peut distinguer).

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Les plantes apparaissent vertes en raison de la chlorophylle qu’elles contiennent.

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Définition

Chlorophylle :

La chlorophylle est le pigment principal des plantes. Elle colore les feuilles en vert, car elle absorbe les couleurs bleue et rouge (l’œil perçoit la couleur non absorbée).

En laboratoire, lorsque l’on éclaire une feuille par le spectre de la lumière blanche, voici l’efficacité photosynthétique constatée pour chaque couleur :

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On constate que les végétaux ont une activité photosynthétique maximale lorsqu’ils sont éclairés par des lumières de couleurs bleue et rouge. Ces deux couleurs correspondent à celles absorbées par la chlorophylle.
Toute la lumière blanche n’est donc pas efficace pour la photosynthèse.

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À retenir

Seule une petite partie de la lumière solaire est efficacement utilisée par les plantes.
À l’échelle des écosystèmes, seulement 0,1 % de la puissance solaire totale serait ainsi utilisée par les plantes. Le reste de l’énergie est absorbé par le sol et par l’atmosphère.

Photosynthèse et chaînes alimentaires

Malgré une forte surface foliaire, seulement 0,1 % de l’énergie solaire est absorbée par les plantes. La photosynthèse présente donc une faible efficacité.

Les végétaux constituent le premier maillon de la chaîne alimentaire : ils sont des producteurs primaires, puisqu’ils produisent leur matière organique à partir de matière non organique.

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Définition

Chaîne alimentaire :

Une chaîne alimentaire établit les relations alimentaires existant entre les êtres vivants qui peuplent un milieu de vie. En d’autres termes, une chaîne alimentaire montre « qui mange qui ».

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Le schéma ci-dessus montre que les pertes d’énergie s’accumulent au niveau de chaque maillon, car chaque être vivant doit consommer une partie de l’énergie qu’il a produit pour ses propres activités (par exemple, les mammifères doivent produire de la chaleur). Au final, ces transferts d’énergie ont des rendements faibles.

Une fois qu’un être vivant est mort, sa matière organique est recyclée par les décomposeurs ; ce sont des animaux (insectes, vers de terre…), des bactéries et des champignons, qui assurent ce travail grâce à la respiration.
Ainsi, le glucose est dégradé en dioxyde de carbone et en eau : la matière minérale est donc reconstituée.

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À retenir

Les flux d’énergie entre les maillons d’une chaîne alimentaire sont peu efficaces. La matière est constamment recyclée à l’échelle des écosystèmes. Si cela n’avait pas été le cas, les ressources de la Terre seraient épuisées depuis longtemps.

Énergies fossiles et environnement

Les énergies fossiles incluent le pétrole, le charbon et le gaz naturel. Elles doivent leur nom à leur origine très ancienne (plusieurs millions d’années).

Formation des énergies fossiles

Les énergies fossiles sont le résultat de l’accumulation de matière organique dans les sédiments.
Prenons l’exemple du pétrole :

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  • Les êtres vivants meurent mais ne sont pas dégradés par les décomposeurs, car ils se retrouvent dans un milieu privé de dioxygène (la respiration est donc impossible).
  • Des roches sédimentaires se déposent par couches successives.
  • L’ensemble s’enfonce, ce qui augmente la pression : les couches superficielles compriment les restes des êtres vivants. Cette augmentation de pression s’accompagne d’une augmentation de température, car l’ensemble se rapproche des couches profondes de la terre constituées de magma en fusion.
  • Sous l’effet de la pression et de la température, les atomes des molécules se réorganisent (retrait des atomes d’oxygène et d’azote notamment) et l’énergie fossile se forme.
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À retenir

Les énergies fossiles sont issues de la fossilisation particulière des êtres vivants non décomposés. Elles sont riches en atomes de carbone, initialement introduits dans les chaînes alimentaires par la photosynthèse.

On peut en quelque sorte dire que de l’énergie solaire est indirectement stockée dans le sous-sol de la Terre, car les anciens êtres vivants qui sont à l’origine des carburants fossiles (animaux, plantes) se sont développés grâce à la photosynthèse ou en consommant des plantes qui ont pratiqué la photosynthèse il y a plusieurs millions d’années.

Exploitation des énergies fossiles

En raison de leur origine organique, les énergies fossiles sont riches en atomes de carbone. Lorsqu’on les brûle, elles libèrent de grandes quantités de dioxyde de carbone, qui est un gaz à effet de serre.

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Définition

Gaz à effet de serre :

Un gaz à effet de serre retient les rayonnements infrarouges émis par la Terre lorsque l’énergie solaire y est reflétée. Les gaz à effet de serre contribuent donc au réchauffement de l’atmosphère en empêchant la dispersion d’une partie de cette chaleur dans l’espace.

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Attention

L’effet de serre est nécessaire à la vie sur Terre, puisqu’il permet de maintenir une température constante à la surface du globe. Par contre, lorsque les gaz à effet de serre deviennent trop nombreux, l’équilibre est rompu et l’atmosphère se réchauffe davantage.

En consommant des énergies fossiles qui se sont formées il y a plusieurs millions d’années, l’être humain réinjecte dans l’atmosphère d’anciens atomes de carbone piégés dans le sous-sol.
Selon les études du GIEC (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat), ce CO2\text{CO}_2 anthropique explique l’essentiel du réchauffement climatique actuel.

Conclusion :

La photosynthèse permet l’entrée du carbone minéral (sous la forme de CO2\text{CO}_2) dans les chaînes alimentaires (sous la forme de glucose).

L’efficacité de la photosynthèse est très faible, mais elle est suffisante pour permettre la vie des plantes et de tous les autres êtres vivants qui en dépendent.

Lorsque la matière organique des êtres vivants n’est pas recyclée, des carburants fossiles peuvent être produits.
L’usage de ces carburants pose problème, car l’être humain réinjecte dans l’atmosphère du CO2\text{CO}_2 qui a été prélevé dans une atmosphère ancienne. Ce gaz à effet de serre explique en grande partie le réchauffement climatique.