Le processus de la photosynthèse

1) Définition

La photosynthèse est un processus « Bioénergétique » (de transformation de l’énergie) qui permet aux plantes de synthétiser leur matière organique grâce à l’énergie solaire. Cette fabrication de matière carbonée organique est faite a partir à partir d’eau et de CO2 en présence de lumière. Les besoins nutritifs de la plante sont le CO2 de l’air, l’eau et les minéraux du sol.
Conséquence importante : libération de molécules de dioxygène (O2).
La nuit, la photosynthèse est suspendue. A l’échelle planétaire, ce sont les algues qui produisent le plus d’oxygène suivi des forêts.
Les océans jouent donc un rôle de « puits de carbone ».

 a - Découverte du phénomène et son historique :

La photosynthèse fût découverte au XVIIIe siècle par plusieurs scientifiques : Stephen HALES en 1727, Joseph PRIESTLEY en 1777 qui mettent en évidence le rejet d’oxygène. Puis Jean SENEBIER comprend que les plantes consomment du gaz carbonique et rejettent de l’oxygène grâce aux travaux effectués par Antoine LAVOISIER.
Au XIXe siècle, la chlorophylle est isolée par des chimistes français en 1817.C’est au cours du XXe siècle que l’explication plus détaillée du processus s’établit, avec la découverte de l’existence des types a et b.
En 1930, Robert HILL effectue des expériences permettant de présenter la photosynthèse comme une réaction d’oxydo-réduction au cours de laquelle le carbone passe d’une forme oxydée à une forme réduite : CO2  HCHO et l’oxygène d’une forme réduite à une forme oxydée : H2O  O2.
Dans la même année, on distingua 2 types de photosynthèse : la photosynthèse donnant lieu à une émission d’oxygène (appelé oxygénique) et celle sans production d’oxygène (appelé anoxygénique) capable de céder des électrons.
Photosynthèse oxygénique : CO2 + 2H2O (CHOH) + H2O + O2
Photosynthèse anoxygénique : CO2 + 2H2S (CHOH) H2O + 2S
Toutes les algues ont recours à la photosynthèse oxygénique. 
L’ensemble des phases de la photosynthèse se situe dans un organite appelé : le CHLOROPLASTE.
A l’intérieur de cet organite se trouve plusieurs types de protéines. Parmi celle-ci, certaines permettent de fixer une grande quantité de pigments dont les plus connues sont les CHLOROPHYLLES.
Les pigments (par exemple : Chlorophylle a, b et carotène) contenus dans ces protéines, présentent différents spectres d’absorption.

 b - Les phases de la photosynthèse 
La photosynthèse peut s’étudier de manière globale avec : 
C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + énergie
Ce processus se déroule en réalité en deux phases bien distinctes :
• Les réactions photochimiques (ou phase claire) qui se résument ainsi : 12H2O + lumière  6O2 + énergie chimique (24H)
• Puis la phase fixation de carbone (ou phase sombre) : 6CO2 + énergie chimique (24 H)  C6H12O6 + 6H2O 

2) La lumière
a-Définition
La lumière visible, blanche (solaire ou artificielle) peut être considérée comme un phénomène vibratoire transmissible dans le vide absolu. 
C’est une perturbation périodique dans l’espace, ce qui rend très difficile la compréhension du phénomène.
Il s’agit « d’un rayonnement électromagnétique » c’est-à-dire composé d’un champ magnétique et d’un champ électronique.
La composante électrique de l’onde exerce un effet sur les électrons des molécules de pigments photosynthétiques.

Ce rayonnement est caractérisé par sa longueur d’onde (en m) et sa vitesse de propagation qui, dans l’air ou le vide, correspond à la vitesse de la lumière soit 300000 km /s. Il existe une relation simple entre la vitesse de la lumière (c), la longueur d’onde (ʎ) (distance parcourue pendant une vibration) et la fréquence (v) (nombre de longueurs d’ondes parcourues par unité de temps : c = ʎv
La longueur d’onde, y est égale à quelque centaines de nanomètres (10^-9m) pour la lumière visible et v= 10^5 environ.
La lumière intervenant en photosynthèse est une composante du spectre du rayonnement électromagnétique comprenant des ondes de plus grandes longueurs d’onde :
• Ondes radio (1 à 300 m)
• Micro onde (1 à 100 mm)
• Infra rouge (1 à 1000 µm)

Et de plus courtes longueurs d’ondes :
• Ultraviolets
• Rayons X
• Rayons Y
• Cosmique (environ 10^-12m)
La lumière nous parvient sous forme de protons.
Ces protons possèdent un potentiel énergétique différent selon leur longueur d’onde. Par exemple, un photon de lumière rouge possède moins d’énergie qu’un photon de lumière bleue.
Le flux lumineux décrit la quantité de lumière émise par unité de temps. Il s’agit donc d’un débit de lumière exprimé en lumens (lm).
L’éclairement représente le flux lumineux sur 1 m² exprimé en lux (lx).
En référence, la quantité de lumière naturelle sur un récif est d’environ 22000 lux à une profondeur d’1m, alors que celle d’une ampoule de 150 watts est d’environ 7000 lumens.

b - La lumière en milieu aquatique
La lumière sous-marine naturelle dépend de plusieurs facteurs :
• La qualité de l’eau et la structure du récif ;
• L’angle de pénétration des rayons lumineux ;
• Les caractéristiques de l’eau (vague, opacité…)
Selon l’heure, certaines parties du récif sont ombragées ou éclairées. Cet effet est plus prononcé dans les eaux peu profondes. A de plus grandes profondeurs la direction de la lumière est moins importante.
La composition de la lumière est similaire à un rayonnement électromagnétique dont la gamme de longueur d’onde va de 400 à 700 nanomètres (nm). C’est le rayonnement auquel l’œil humain est sensible et coïncide également avec le rayonnement requis pour la photosynthèse.
Lors de la pénétration au travers des diverses couches d’eau, le spectre est atténué et cette atténuation n’est pas uniforme au travers de toutes les longueurs d’ondes. L’eau elle-même absorbe préférentiellement certaines radiations, l’absorption étant particulièrement importante dans le rouge.
Dans les eaux marines, les caractéristiques de la lumière varient considérablement avec la profondeur. Les mouvements des masses d’eau peuvent faire passer rapidement les algues d’un régime lumineux à l’autre. Une très grande flexibilité de l’appareil photosynthétique des algues est ainsi absolument nécessaire pour qu’elles puissent s’adapter rapidement aux variations quantitatives et qualitatives de l’intensité lumineuse.
Ainsi l’eau agit comme un « filtre », réduisant le spectre de la lumière au fur et à mesure de la pénétration. Les longueurs d’onde plus courtes (du rouge au jaune) sont les premières absorbées.
 
c - Les spectres d’absorptions
Spectre obtenu par le passage d’une onde électromagnétique, de la lumière en particulier, au travers d’un milieu transparent (ou semi-transparent) dans lequel l’absorption affaiblit (voir élimine) les contributions de certaines fréquences, ce qui donne des raies caractéristiques.
Le spectre visible se situe approximativement entre 400 nm et 700 nm.
Les spectres d’absorption des pigments sont liés à leur capacité à capter des photons de certaines longueurs d’ondes. C’est grâce aux spectres d’absorption qu’on caractérise les substances photosynthétiques, car en effet chaque substance absorbe une longueur d’onde spécifique, c’est son empreintes.
Les pigments comme la chlorophylle a, b et les carotènes absorbent différentes longueurs d’ondes et sont responsables de la transformation de l’énergie lumineuse en énergie chimique. Les algues vivant à de faibles profondeurs absorbent moins d’énergies que celle des eaux profondes.

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