La Photosynthèse Naturelle

 La photosynthèse naturelle se produit dans les organismes dit « photosynthétiques ». Elle a un très faible rendement, inférieur à 1%. La photosynthèse nécessite la présence de trois éléments primordiaux : eau, CO2, et lumière. Ce processus est essentiel au développement de tous les végétaux, il leur permet de se nourrir à l'aide de leurs propres feuilles.

Les feuilles captent la lumière du soleil et le gaz carbonique de l’air tandis que les racines absorbent de l’eau. Grâce à l'énergie solaire, les feuilles transforment l'eau et le CO2 en glucose et oxygène.

Ainsi, l'équation de la photosynthèse (simplifiée) est la suivante :

6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

I – Mise en évidence d'une activité photosynthétique

1. Les échanges gazeux

Comme montré dans l'équation bilan ci-dessus, lors de la photosynthèse, la cellule chlorophylienne absorbe du dioxyde de carbone et rejette du dioxygène.

Afin de prouver cet échange gazeux, nous avons réalisé un TP d'Expérimentation Assistée par Ordinateur (Exao) : nous avons placé dans une enceinte fermée des euglènes (organisme photosynthétique), nous avons fait varier l'exposition lumineuse (sous lumière artificielle, ou dans l'obscurité), et nous avons mesuré les taux de dioxygène de dioxyde de carbone.

Voici donc le protocole de cette expérience :

-Placer les euglènes dans un bécher

-Étalonner les sondes

-Placer les euglènes dans la cuve du bioréacteur

-Fermer la cuve et y placer les sondes

-S'assurer que les sondes ne touchent pas le fond et fermer les volets

-Ouvrir l'atelier scientifique S.V.T. et choisir le module « métabolisme cellulaire »

-Placer les adaptateurs oxymètre et CO2mètre sur l'axe des ordonnées

-Sélectionner les calibres Air

-Placer l' icône Temps sur l'axe des abscisses

-Paramétrer au moins 20 minutes ( 4 phases de 5 minutes )

-Lancer l'expérimentation ( en cliquant sur le feu vert )

-Commencer la phase d'obscurité : fermer les volets, de sorte que la cuve soit enrichie en CO2, ce qui facilitera la seconde phase.

-Allumer la lampe halogène, et ouvrir les volets.

-Recommencer la phase d'obscurité

-Recommencer la phase lumineuse.

Voici la vidéo de notre expérience :

Voici les résultats obtenus :

Nous pouvons donc voir que, durant les phases éclairés, il y a une diminution du taux de dioxyde de carbone, et une augmentation du dioxygène. Durant les phases sombres, l'inverse se produit : augmentation de CO2 et diminution de O2.

Cela prouve donc qu'il y a des échanges gazeux caractéristiques de la photosynthèse, et ce seulement lorsque les cellules chlorophyllienne sont éclairées.

2. Production de matière

Dans l'équation bilan, nous pouvons aussi voir qu'il y a production de glucose C6H12O6.

Afin de prouver cette affirmation, nous chercherons à démontrer la production d'amidon, un glucide complexe composé de glucose. Pour cela, nous avons réalisé un TP cherchant à montrer la production d'amidon en fonction de l'expostition lumineuse.

Voici le protocole expérimental :

-placer un cache sur une partie d'une feuille de pélargonium

-placer la plante près d'une source de lumière. Attendre 48 heures.

-Prélever la feuille de pélargonium

-Mettre la feuille dans un ballon et ajouter de l'éthanol

-Faire bouillir jusqu’à décoloration totale de la feuille

-Récupérer délicatement la feuille et passer la dans l'acide

-Poser la feuille dans une boite de pétri

-Recouvrir d'eau iodée (lugol)

Voici le résultat obtenu :

Nous pouvons donc voir que la partie de la feuille où était placé le cache, donc à l'obscurité, est moins colorée que celle à la lumière, donc contient moins d'amidon. Nous pouvons donc conclure que la plante produit de l'amidon, seulement si elle est éclairée.

II – La structure de la cellule chlorophylienne

La photosynthèse se déroule dans les chloroplastes.

Les chloroplastes sont des organites de quelques micromètres, composées d'une enveloppe contenant un gel, le stroma, dans lequel baignent des centaines de vésicules aplaties, les thylakoïdes, qui s'empilent et forment des granums.

Voici un schéma illustrant cette structure :

III – Déroulement de la photosynthèse

La photsynthèse se déroule en deux phases :

• La phase photochimique, qui se déroule dans les thylakoïdes. C'est durant cette phase qu'a lieu la photolyse de l'eau (la molécule h2o se transforme en O2 et H)
• La phase chimique, dans le stroma. C'est durant cette phase qu'il y a réduction du dioxyde de carbone en molécules organiques.

1. La phase photochimique, dans le thylakoïde.

La première étape de la photosynthèse est l'oxydoréduction entre l'eau et le Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphate (NADP), noté R.

L'eau est oxydée, comme sur l'équation ci-dessous :

2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e^-

Les composés R, eux, sont réduits :

2 R + 4 H⁺ + 4 e^- → 2 RH₂

Voici donc l'équation bilan de cette oxydoréduction :

2 H₂O + 2R → 2 RH₂ + O₂

Toutefois, cette oxydoréduction n'est pas spontanée : elle nécessite de l'énergie, apportée par la lumière. Cette réaction nécessite donc un système capable de convertir l'énergie lumineuse en énergie chimique :c'est le rôle des pigments chlorophylliens, contenus dans les tylakoïdes.

Ces oxydoréductions ont en réalité lieu par étapes, grâce à une série de molécules différents : c'est la chaîne photosynthétique.

Les électrons intervenant dans ces oxydoréductions transitent par la Chlorophylle A : sous l'effet de la lumière, les électrons sont portés à un niveau d'énergie supérieur, qui autorise la poursuite des réactions. Cette énergie est aussi utile à la synthèse de molécule d'ATP, indispensable pour la phase chimique.

C'est donc cette photolyse de l'eau qui permet la formation de composés transportant l'hydrogène, indispensable à la synthèse de molécules organiques.

Le dioxygène rejeté est donc un « déchet » de la photosynthèse.

2. Phase Chimique, dans la stroma

Ces réactions se déroulent dans le stroma de la plante, qui contient les enzymes nécessaires à leurs fonctionnement.

Tout d'abord, le dioxyde de carbone se fixe sur le Ribulose biphosphate (Ru-BP), une molécule constituée de cinq atomes atomes de carbone, qui se scinde alors en deux molécules d'acide phosphoglycérique (APG), molécule à trois atomes.

Ensuite, l'APG est réduit, en triose phoshate : cette réaction nécessite l'ATP, synthétisé lors de la phase photochimique, et de l'hydrogène, apporté par les composés RH_2. Cette étape dépend donc de la phase photochimique.

Enfin, une partie des trioses phoshates sert à reformer le Ribulose Biphosphate, alors que l'autre partie est le point de départ de la synthèse de plusieurs molécules organiques, comme l'amidon.

Cet ensemble de réaction constitue le cycle de Calvin, qui est donc dépendant de la phase photochimique : il nécessite un apport d'ATP et de RH₂ permanent.

IV - Conclusion

Voici donc un schéma, illustrant le déroulement global de la photosynthèse :