Quel mécanisme utilisent les plantes pour transformer l'énergie solaire en énergie chimique, processus essentiel à la vie sur Terre ?

La photosynthèse est le mécanisme par lequel les plantes convertissent l’énergie lumineuse en énergie chimique stockée dans des molécules organiques. Elle constitue la base de la plupart des chaînes alimentaires et fournit une grande partie de l’oxygène présent dans l’atmosphère. Ce processus est réalisé principalement par les plantes, les algues et les cyanobactéries. Chez les végétaux, il a lieu surtout dans les cellules contenant des chloroplastes, notamment celles des feuilles, où la lumière, l’eau et le dioxyde de carbone sont utilisés pour fabriquer de la matière organique.

La capture de l’énergie lumineuse

Dans les chloroplastes, des pigments photosynthétiques, principalement la chlorophylle, absorbent certaines longueurs d’onde de la lumière. Cette énergie excite des électrons et déclenche une chaîne de réactions dans les membranes des thylakoïdes. L’eau fournit alors des électrons et des protons ; sa dissociation libère du dioxygène, rejeté dans l’atmosphère. Les réactions photochimiques produisent aussi deux molécules indispensables à la suite du processus : l’ATP, qui fournit de l’énergie, et le NADPH, qui transporte des électrons et participe aux réactions de réduction.

La fabrication de matière organique

L’ATP et le NADPH sont ensuite utilisés dans le stroma du chloroplaste au cours du cycle de Calvin-Benson. Ce cycle incorpore le dioxyde de carbone et le transforme progressivement en composés organiques à trois atomes de carbone. Ceux-ci peuvent servir à produire des sucres, notamment du glucose, ainsi que d’autres molécules nécessaires à la croissance et au fonctionnement de la plante. On distingue donc les réactions photochimiques, dépendantes de la lumière, et les réactions de fixation du carbone. L’expression « phase sombre » pour désigner le cycle de Calvin est trompeuse : ce cycle n’exige pas l’obscurité et dépend indirectement des produits formés grâce à la lumière.

Les chloroplastes, organites spécialisés

Les chloroplastes contiennent les membranes des thylakoïdes, souvent regroupées en empilements appelés grana, ainsi qu’un espace interne nommé stroma. La chlorophylle absorbe surtout les lumières bleue et rouge et réfléchit davantage la lumière verte, ce qui explique la couleur habituelle des feuilles. Ces organites possèdent également un matériel génétique propre et des caractéristiques qui soutiennent l’hypothèse selon laquelle ils descendent de bactéries apparentées aux cyanobactéries, intégrées très anciennement dans une cellule ancestrale.

Des adaptations aux conditions de vie

Le fonctionnement de la photosynthèse varie selon le milieu. Les plantes en C4, comme le maïs et la canne à sucre, fixent d’abord le dioxyde de carbone dans des composés à quatre carbones, puis le libèrent à proximité des cellules où se déroule le cycle de Calvin. Cette organisation limite notamment la photorespiration dans les environnements chauds et fortement éclairés. Les plantes CAM, fréquentes dans les milieux arides, ouvrent principalement leurs stomates la nuit afin de réduire les pertes d’eau. Elles fixent alors le dioxyde de carbone sous forme d’acides organiques, avant de l’utiliser pendant la journée lorsque les stomates sont davantage fermés. Ces adaptations modifient l’organisation de la fixation du carbone, mais reposent toujours sur le même mécanisme fondamental : la photosynthèse.