Le 29/01/2019 - Par Roman Sermand
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Parler de la photosynthèse, c'est comme parler de la nutrition chez les animaux. C'est un rouage essentiel à la vie végétale. Sans elle, pas de plantes. Mais est-ce bien vrai ? Est-ce que toutes les plantes sont capables d'une telle prouesse ? Si oui, fonctionnent-elles toutes de la même façon ? Si non, quelles sont les exceptions ? Et puis après tout, en quoi consiste la photosynthèse ? Comment ça marche ? Cet article a pour but de répondre à toutes ces questions. Entrons dans le monde merveilleux qu'est la physiologie végétale.
La photosynthèse, c'est quoi ?
La photosynthèse, c'est une succession de réactions biochimiques qui permet à un végétal de fixer le dioxyde de carbone atmosphérique et d'en faire des composés organiques, tout ceci en utilisant de l'énergie lumineuse et en rejetant du dioxygène. Pour faire bref, le soleil permet à la plante de transformer le CO2 en sucres. Mais comment ça marche concrètement ? Que se passe-t-il précisément à l'intérieur des cellules végétales ?
Tout d'abord, il faut savoir que les réactions photosynthétiques se déroulent dans un organite bien spécifique : le chloroplaste. On peut en compter jusqu'à 50 par cellules ! Ces chloroplastes contiennent un pigment qui rend la photosynthèse possible. Il s'agit de la chlorophylle. Chez les plantes vasculaires, appelées trachéophytes, toutes les parties vertes (qu'il s'agisse des tiges, des feuilles ou des fruits immatures) contiennent des chloroplastes et sont donc capables de réaliser la photosynthèse. Mais c'est bien évidemment dans les feuilles qu'on en trouve le plus. L'équation générale de la photosynthèse donne ainsi :
Tout d'abord, il faut savoir que les réactions photosynthétiques se déroulent dans un organite bien spécifique : le chloroplaste. On peut en compter jusqu'à 50 par cellules ! Ces chloroplastes contiennent un pigment qui rend la photosynthèse possible. Il s'agit de la chlorophylle. Chez les plantes vasculaires, appelées trachéophytes, toutes les parties vertes (qu'il s'agisse des tiges, des feuilles ou des fruits immatures) contiennent des chloroplastes et sont donc capables de réaliser la photosynthèse. Mais c'est bien évidemment dans les feuilles qu'on en trouve le plus. L'équation générale de la photosynthèse donne ainsi :
6 CO2 + 6 H2O + lumière → C6H12O6 + 6 O2
Pour faire simple, pour six molécules de dioxyde de carbone, six molécules d'eau et de la lumière, on obtient une molécule de glucose et six molécules de dioxygène.
Comment ça marche ?
La photosynthèse est un processus complexe qui se déroule en deux temps. La phase claire (ou phase lumineuse) et la phase obscure (ou phase sombre).
❀ La phase claire :
Durant cette phase, certaines longueurs d'onde de la lumière vont être absorbées par les pigments spécialisés des chloroplastes (notamment la chlorophylle b, les xanthophylles et les carotènes). Une fois captée, cette énergie sera canalisée vers un autre pigment, la chlorophylle a. Ainsi excité, ce pigment va fournir des électrons qui vont permettre la scission de molécules d'eau. On appelle ce phénomène la photolyse de l'eau. Il en résulte de l'hydrogène, qui sera utilisé lors de la phase obscure, et de l'oxygène qui est alors libéré.
Durant cette phase, certaines longueurs d'onde de la lumière vont être absorbées par les pigments spécialisés des chloroplastes (notamment la chlorophylle b, les xanthophylles et les carotènes). Une fois captée, cette énergie sera canalisée vers un autre pigment, la chlorophylle a. Ainsi excité, ce pigment va fournir des électrons qui vont permettre la scission de molécules d'eau. On appelle ce phénomène la photolyse de l'eau. Il en résulte de l'hydrogène, qui sera utilisé lors de la phase obscure, et de l'oxygène qui est alors libéré.
❀ La phase obscure :
Contrairement à la phase claire, cette phase-ci est indépendante de la lumière. Elle peut donc se dérouler également la nuit. C'est à ce moment-là que les cellules vont fixer le dioxyde de carbone. Ce dernier va en effet s'unir avec un sucre particulier, le ribulose diphosphate, sous l'action de l'enzyme clé de la photosynthèse : la Rubisco. Après quoi le produit de cette réaction sera hydrolysé, c'est à dire coupé en deux. L'hydrogène issu de la photolyse de l'eau sera ajouté lors de cette coupure pour donner deux molécules de 3-phosphoglycérate, chacune comprenant trois atomes de carbone. C'est à partir de ce composé que de nombreux glucides, tels que le saccharose ou l'amidon, pourront être synthétisés. Tout ce processus est appelé cycle de Calvin.
Contrairement à la phase claire, cette phase-ci est indépendante de la lumière. Elle peut donc se dérouler également la nuit. C'est à ce moment-là que les cellules vont fixer le dioxyde de carbone. Ce dernier va en effet s'unir avec un sucre particulier, le ribulose diphosphate, sous l'action de l'enzyme clé de la photosynthèse : la Rubisco. Après quoi le produit de cette réaction sera hydrolysé, c'est à dire coupé en deux. L'hydrogène issu de la photolyse de l'eau sera ajouté lors de cette coupure pour donner deux molécules de 3-phosphoglycérate, chacune comprenant trois atomes de carbone. C'est à partir de ce composé que de nombreux glucides, tels que le saccharose ou l'amidon, pourront être synthétisés. Tout ce processus est appelé cycle de Calvin.
Une photosynthèse identique pour toutes les plantes ?
Et non ! Tous les végétaux ne procèdent pas exactement de la même façon, surtout en fonction du milieu dans lequel ils évoluent. Ainsi les espèces des régions tropicales et subtropicales ont développé des stratégies alternatives, essentiellement pour limiter leurs besoins en eau. En effet, une plante dont la photosynthèse se déroule comme précédemment décrit est dite C3, c'est à dire qu'elle produit à l'issue de la fixation du CO2 un glucide à trois atomes de carbone. Hors, pour fixer 1g de CO2, une telle plante requiert 400g d'eau. Ce qui peut vite s'avérer problématique dans un milieu désertique par exemple. Comment est-il alors possible de contourner cette contrainte ?
❀ La photosynthèse en C4 :
Chez de nombreuses poacées tropicales telles que le maïs ou la canne à sucre, la photosynthèse se déroule différemment lors de sa phase obscure. Au lieu de donner une molécule à trois atomes de carbone (le 3-phosphoglycérate), on obtient une molécule à quatre atomes de carbone (malate ou aspartate). Les réactions de cette photosynthèse se déroulent également dans deux types de cellules différentes, les premières étant situées dans le mésophylle et les autres dans la gaine. D'autre part, le rendement photosynthétique est très supérieur à celui des plantes en C3, puisque l'enzyme qui fixe le CO2 cette fois-ci, la PEPcase (pour phosphoenolpyruvate carboxylase) présente une plus grande affinité pour ce gaz. Ce type de photosynthèse fonctionne d'autant mieux que la température est élevée (autour de 40°C voire 50°C) et que la luminosité est forte et elle ne nécessite que 250g d'eau pour fixer 1g de CO2. Cependant, la photosynthèse en C3 reste plus adaptée pour des températures plus basses.
Chez de nombreuses poacées tropicales telles que le maïs ou la canne à sucre, la photosynthèse se déroule différemment lors de sa phase obscure. Au lieu de donner une molécule à trois atomes de carbone (le 3-phosphoglycérate), on obtient une molécule à quatre atomes de carbone (malate ou aspartate). Les réactions de cette photosynthèse se déroulent également dans deux types de cellules différentes, les premières étant situées dans le mésophylle et les autres dans la gaine. D'autre part, le rendement photosynthétique est très supérieur à celui des plantes en C3, puisque l'enzyme qui fixe le CO2 cette fois-ci, la PEPcase (pour phosphoenolpyruvate carboxylase) présente une plus grande affinité pour ce gaz. Ce type de photosynthèse fonctionne d'autant mieux que la température est élevée (autour de 40°C voire 50°C) et que la luminosité est forte et elle ne nécessite que 250g d'eau pour fixer 1g de CO2. Cependant, la photosynthèse en C3 reste plus adaptée pour des températures plus basses.
❀ La photosynthèse CAM :
Cette autre variante de la photosynthèse est particulièrement présente chez les plantes succulentes de climats secs, comme les cactacées. Après tout, CAM signifie Crassulacean Acid Metabolism ou, en français, Métabolisme Acide des Crassulacées. C'est un processus proche de la photosynthèse C4 mais qui en diffère néanmoins sur plusieurs points. Ici, tout se déroule dans un seul type de cellule. Comme l'air est très sec en journée, les stomates des plantes restent fermés ceci afin de limiter l'évapotranspiration. Ils ne s'ouvrent donc que la nuit, pour permettre dans le même temps l'incorporation du CO2 sur du malate (molécule en C4). Celui-ci est ensuite mis en réserve. Enfin, lorsque le jour se lève, le malate est mobilisé. Il subit une décarboxylation, c'est à dire qu'on lui retire son CO2, qui est alors incorporé par la Rubisco via le cycle de Calvin. Ici, pour fixer 1g de CO2, il ne faut que 50g d'eau !
Cette autre variante de la photosynthèse est particulièrement présente chez les plantes succulentes de climats secs, comme les cactacées. Après tout, CAM signifie Crassulacean Acid Metabolism ou, en français, Métabolisme Acide des Crassulacées. C'est un processus proche de la photosynthèse C4 mais qui en diffère néanmoins sur plusieurs points. Ici, tout se déroule dans un seul type de cellule. Comme l'air est très sec en journée, les stomates des plantes restent fermés ceci afin de limiter l'évapotranspiration. Ils ne s'ouvrent donc que la nuit, pour permettre dans le même temps l'incorporation du CO2 sur du malate (molécule en C4). Celui-ci est ensuite mis en réserve. Enfin, lorsque le jour se lève, le malate est mobilisé. Il subit une décarboxylation, c'est à dire qu'on lui retire son CO2, qui est alors incorporé par la Rubisco via le cycle de Calvin. Ici, pour fixer 1g de CO2, il ne faut que 50g d'eau !
Pourquoi produire des sucres ?
Contrairement aux idées reçues, les sucres, ou glucides, sont la véritable source d'énergie principale des plantes. C'est ainsi qu'elles la stockent, sous la forme de saccharose ou d'amidon. La lumière et le dioxyde de carbone ne sont en quelque sorte que leurs matières premières. Grâce aux glucides, les végétaux disposent d'une source d'énergie chimique et de briques de base pour fabriquer des composés organiques plus complexes tels que des protéines, des lipides ou encore des composés structuraux comme la cellulose. Sans sucres, pas de vie possible !
D'autant que les plantes, hormis quelques bactéries, sont les seuls organismes capables de fabriquer des composés organiques à partir de substances minérales. On les qualifie de photoautotrophes : elles utilisent la lumière comme source d'énergie primaire et le dioxyde de carbone comme source de carbone.
D'autant que les plantes, hormis quelques bactéries, sont les seuls organismes capables de fabriquer des composés organiques à partir de substances minérales. On les qualifie de photoautotrophes : elles utilisent la lumière comme source d'énergie primaire et le dioxyde de carbone comme source de carbone.
La photosynthèse : le propre des plantes ?
Il serait tentant de qualifier de végétal tout organisme simplement capable de réaliser la photosynthèse, et donc de fixer le dioxyde de carbone. Mais est-ce vraiment le cas ? Non évidemment. Ce serait si simple. Abordons quelques exceptions qui brouillent les définitions.
❀ Les plantes achlorophylliennes :
En voilà qui refusent de faire comme les autres. Les plantes achlorophylliennes sont comme leur nom l'indique : dépourvues de chlorophylles. Sans elles, pas possible de réaliser la photosynthèse. Alors, comment se débrouillent-elles ? Ce sont pour beaucoup des plantes parasites qui s'attaquent à d'autres végétaux desquels elles tirent leur subsistance. Dans de tels cas, on comprend parfaitement pourquoi elles ne se donnent pas la peine de se lancer dans un processus aussi fastidieux qu'est la photosynthèse. Pour d'autres, comme certaines orchidées, les relations sont plus complexes. Elles vivent en effet en symbiose avec des champignons, eux-mêmes en lien avec d'autres plantes, qui vont les fournir en substrats principalement carbonés. Puisqu'elles sont incapables de fixer le CO2, autant le trouver ailleurs non ? De fait, ces plantes ont souvent une apparence insolite. Elles ne sont pas vertes mais beiges, blanchâtres voire rouges-violacées. Leurs feuilles sont également très réduites, la plupart du temps à l'état de minuscules écailles.
En voilà qui refusent de faire comme les autres. Les plantes achlorophylliennes sont comme leur nom l'indique : dépourvues de chlorophylles. Sans elles, pas possible de réaliser la photosynthèse. Alors, comment se débrouillent-elles ? Ce sont pour beaucoup des plantes parasites qui s'attaquent à d'autres végétaux desquels elles tirent leur subsistance. Dans de tels cas, on comprend parfaitement pourquoi elles ne se donnent pas la peine de se lancer dans un processus aussi fastidieux qu'est la photosynthèse. Pour d'autres, comme certaines orchidées, les relations sont plus complexes. Elles vivent en effet en symbiose avec des champignons, eux-mêmes en lien avec d'autres plantes, qui vont les fournir en substrats principalement carbonés. Puisqu'elles sont incapables de fixer le CO2, autant le trouver ailleurs non ? De fait, ces plantes ont souvent une apparence insolite. Elles ne sont pas vertes mais beiges, blanchâtres voire rouges-violacées. Leurs feuilles sont également très réduites, la plupart du temps à l'état de minuscules écailles.
❀ Les animaux chlorophylliens :
Quelques rares animaux disposent de pigments qui les rendent capables de réaliser la photosynthèse. Ce sont en quelque sorte les exceptions qui confirment la règle générale. C'est le cas notamment des coraux ou des bénitiers qui vivent en symbiose avec des microalgues. Mais les exemples les plus frappants sont sans doute ceux d'organismes doués de kleptoplastie. Autrement dit, le don de voler des chloroplastes à des plantes ! Rien de moins ! Certaines sacoglosses, ou limaces de mer telles que Elysia viridis, se nourrissent d'algues desquelles elles récupèrent les chloroplastes et ainsi la faculté de réaliser la photosynthèse. De cette façon elles peuvent survivre plusieurs jours sans se nourrir, seulement en s'exposant à la lumière du soleil.
Quelques rares animaux disposent de pigments qui les rendent capables de réaliser la photosynthèse. Ce sont en quelque sorte les exceptions qui confirment la règle générale. C'est le cas notamment des coraux ou des bénitiers qui vivent en symbiose avec des microalgues. Mais les exemples les plus frappants sont sans doute ceux d'organismes doués de kleptoplastie. Autrement dit, le don de voler des chloroplastes à des plantes ! Rien de moins ! Certaines sacoglosses, ou limaces de mer telles que Elysia viridis, se nourrissent d'algues desquelles elles récupèrent les chloroplastes et ainsi la faculté de réaliser la photosynthèse. De cette façon elles peuvent survivre plusieurs jours sans se nourrir, seulement en s'exposant à la lumière du soleil.
❀ Les cyanobactéries :
Bien qu'on les appelle souvent algues bleues ou algues vertes, les cyanobactéries ne sont pas des algues et encore moins des plantes tout court. Ce sont bel et bien des bactéries. En effet les végétaux véritables, inférieurs comme les bryophytes ou supérieurs comme les angiospermes, sont des organismes eucaryotes. Leurs cellules disposent donc d'un noyau. Ce qui n'est pas le cas des bactéries. Parmi ces dernières, les cyanobactéries sont les seuls organismes procaryotes capables de réaliser la photosynthèse oxygénique, comme les végétaux. Anecdote intéressante, il semblerait que les chloroplastes des plantes véritables proviennent originellement d'une endosymbiose avec... Des cyanobactéries justement.
Bien qu'on les appelle souvent algues bleues ou algues vertes, les cyanobactéries ne sont pas des algues et encore moins des plantes tout court. Ce sont bel et bien des bactéries. En effet les végétaux véritables, inférieurs comme les bryophytes ou supérieurs comme les angiospermes, sont des organismes eucaryotes. Leurs cellules disposent donc d'un noyau. Ce qui n'est pas le cas des bactéries. Parmi ces dernières, les cyanobactéries sont les seuls organismes procaryotes capables de réaliser la photosynthèse oxygénique, comme les végétaux. Anecdote intéressante, il semblerait que les chloroplastes des plantes véritables proviennent originellement d'une endosymbiose avec... Des cyanobactéries justement.
Ces exemples de plantes incapables de réaliser la photosynthèse et d'autres organismes qui, en revanche, le peuvent illustrent à merveille à quel point il peut être difficile de définir ce qu'est un végétal et ce qui ne l'est pas. Ici, cela permet de mettre en exergue que cette faculté à utiliser la lumière pour incorporer le dioxyde de carbone n'est pas le propre des plantes et que d'autres êtres vivants en sont capables. Dans tous les cas, ce processus reste un prodige de la nature qui ne cessera jamais de nous étonner.
Sources :
http://botarela.fr
https://rnbio.upmc.fr
http://surlestracesdedarwin.blogspot.com/2016/02/les-animaux-photosynthetiques-d-goeleven.html
http://cyanobacteries.pagesperso-orange.fr/pages/Introduction/definition.htm
http://botarela.fr
https://rnbio.upmc.fr
http://surlestracesdedarwin.blogspot.com/2016/02/les-animaux-photosynthetiques-d-goeleven.html
http://cyanobacteries.pagesperso-orange.fr/pages/Introduction/definition.htm