Comment fonctionne la photosynthèse ?

La photosynthèse est le mécanisme par lequel les plantes, les algues et certains micro-organismes utilisent la lumière pour fabriquer de la matière organique. Dans sa forme oxygénique, elle prélève du dioxyde de carbone dans l’air et de l’eau dans le milieu, puis convertit une partie de l’énergie lumineuse en énergie chimique stockée dans des glucides, notamment le glucose. L’oxygène libéré provient de la transformation de l’eau et constitue un sous-produit essentiel pour les organismes qui respirent l’oxygène. On peut résumer le bilan global de la réaction ainsi : dioxyde de carbone + eau + lumière produisent des glucides et du dioxygène.

La lumière fournit l’énergie initiale

Chez les végétaux et les algues, la photosynthèse se déroule principalement dans les chloroplastes, des organites présents dans les cellules photosynthétiques. Dans les membranes internes de ces organites, des pigments comme la chlorophylle absorbent l’énergie de la lumière, surtout dans certaines régions bleues et rouges du spectre. La lumière verte est davantage réfléchie, ce qui explique en partie la couleur des feuilles. Lorsqu’un pigment absorbe un photon, il transmet de l’énergie à des électrons. Ceux-ci circulent ensuite à travers une chaîne de transporteurs. Cette circulation permet de créer un gradient de protons utilisé pour fabriquer de l’ATP, tandis qu’une autre molécule énergétique, le NADPH, est produite en parallèle. L’eau fournit les électrons nécessaires au fonctionnement de cette chaîne : sa décomposition libère également des protons et du dioxygène. C’est cette étape qui est directement dépendante de la lumière et qui est à l’origine de l’oxygène rejeté dans l’atmosphère.

Le dioxyde de carbone est transformé en sucres

La seconde grande série de réactions est appelée cycle de Calvin-Benson. Elle se déroule dans le stroma du chloroplaste, c’est-à-dire le milieu liquide qui entoure les membranes internes. Elle utilise l’ATP et le NADPH produits grâce à la lumière pour incorporer le dioxyde de carbone à des molécules organiques. Une enzyme, la Rubisco, joue un rôle central dans cette fixation du carbone. Le cycle produit d’abord de petites molécules carbonées, dont certaines servent ensuite à fabriquer des glucides comme le glucose. La plante peut utiliser ces sucres immédiatement comme source d’énergie, les transporter sous forme de saccharose ou les stocker sous forme d’amidon. Le cycle de Calvin est parfois appelé « phase sombre », mais cette expression peut être trompeuse : il ne s’agit pas d’une étape qui exige l’obscurité. Ces réactions ne captent pas directement la lumière, mais elles dépendent des molécules énergétiques formées lors des réactions lumineuses.

Un processus essentiel aux écosystèmes

La photosynthèse fournit à la fois la matière organique à la base de nombreuses chaînes alimentaires et une grande partie de l’oxygène de l’atmosphère. Les plantes terrestres, les algues et les organismes photosynthétiques microscopiques des océans fixent du carbone et alimentent ainsi de nombreux autres êtres vivants. Son efficacité dépend de plusieurs facteurs, notamment de la quantité de lumière, de la disponibilité de l’eau et du dioxyde de carbone, ainsi que de la température. Les stomates des feuilles permettent les échanges gazeux, mais leur ouverture entraîne aussi une perte d’eau ; les plantes doivent donc équilibrer l’entrée du dioxyde de carbone et la limitation de la déshydratation. Certaines espèces possèdent des adaptations particulières, comme les mécanismes C4 ou CAM, qui améliorent ce compromis dans les milieux chauds ou arides. À l’échelle de la planète, la photosynthèse renouvelle l’oxygène consommé par la respiration et contribue au stockage d’une partie du carbone dans la biomasse et les sols.