Transformer la lumière en matière

Le bilan de la photosynthèse

Toute l'énergie qui circule dans le vivant vient, à quelques exceptions près, d'une seule réaction : la photosynthèse. Les plantes y transforment de la lumière en matière organique, et rejettent au passage l'oxygène que nous respirons.

Le bilan global

6 CO₂  +  6 H₂O  + énergie lumineuse  ->  C₆H₁₂O₆  +  6 O₂
(dioxyde   (eau)                          (glucose)   (dioxygène)
 de carbone)

Deux gaz et de l'eau entrent, du sucre et de l'oxygène sortent. Un être vivant fabrique de la matière organique à partir de matière minérale : c'est ce qu'on appelle être autotrophe.

AUTOTROPHE                         HÉTÉROTROPHE
--------------------------------   --------------------------------
fabrique sa matière organique      doit la prélever sur d'autres
à partir de CO₂ et d'eau           êtres vivants
plantes, algues, cyanobactéries    animaux, champignons, la plupart
                                   des bactéries

C'est la distinction la plus structurante de toute la biologie : elle sépare les producteurs de tous les autres.

Où cela se passe

Dans les chloroplastes, organites présents dans les cellules des feuilles. Leur organisation interne est faite pour capter la lumière :

      ____________________________
     /                            \
    |   ▬▬▬▬▬   ▬▬▬▬▬   ▬▬▬▬▬     |   <- thylakoïdes (empilés en granums)
    |   ▬▬▬▬▬   ▬▬▬▬▬   ▬▬▬▬▬     |      membranes riches en CHLOROPHYLLE
    |                              |
    |        stroma (liquide)      |   <- où se fabrique le sucre
     \____________________________/

La chlorophylle est le pigment qui absorbe la lumière. Elle absorbe fortement le bleu et le rouge, et réfléchit le vert — c'est pour cette raison, et pour aucune autre, que les feuilles nous paraissent vertes. La couleur des végétaux est littéralement la partie du spectre dont ils ne se servent pas.

Deux phases enchaînées

PHASE PHOTOCHIMIQUE                 PHASE DE FIXATION DU CARBONE
(dans les thylakoïdes)              (dans le stroma)
--------------------------------    --------------------------------
a besoin de LUMIÈRE                 n'a pas besoin de lumière
casse l'eau (photolyse)             fixe le CO₂
libère l'O₂                         fabrique le glucose
produit ATP et NADPH        ---->   consomme ATP et NADPH

La première phase convertit l'énergie lumineuse en énergie chimique transportable (ATP et NADPH). La seconde utilise cette énergie pour assembler le sucre. La lumière n'entre donc jamais directement en contact avec le CO₂ : elle est d'abord convertie.

L'oxygène vient de l'eau, pas du CO₂

C'est l'erreur la plus répandue. En regardant l'équation, on croit voir le CO₂ céder son oxygène. C'est faux : l'O₂ libéré provient de la photolyse de l'eau, la rupture des molécules d'H₂O par l'énergie lumineuse.

2 H₂O  --[lumière]-->  4 H⁺  +  4 e⁻  +  O₂

Cela a été prouvé en 1941 par Ruben et Kamen, en fournissant aux plantes de l'eau marquée avec un isotope lourd de l'oxygène. L'oxygène marqué s'est retrouvé dans le gaz dégagé — et pas dans le sucre.

En résumé