Biologie I

Tous les organismes vivants sur terre sont constitués d’une ou plusieurs cellules. Chaque cellule fonctionne grâce à l’énergie chimique présente principalement dans les molécules d’hydrates de carbone (nourriture), et la majorité de ces molécules sont produites par un processus : la photosynthèse. Grâce à la photosynthèse, certains organismes convertissent l’énergie solaire (lumière du soleil) en énergie chimique, qui est ensuite utilisée pour construire des molécules de glucides. L’énergie utilisée pour maintenir ces molécules ensemble est libérée lorsqu’un organisme décompose la nourriture. Les cellules utilisent ensuite cette énergie pour effectuer un travail, comme la respiration cellulaire.

L’énergie qui est exploitée par la photosynthèse entre continuellement dans les écosystèmes de notre planète et est transférée d’un organisme à un autre. Ainsi, directement ou indirectement, le processus de photosynthèse fournit la majeure partie de l’énergie nécessaire aux êtres vivants sur terre.

La photosynthèse entraîne également la libération d’oxygène dans l’atmosphère. En bref, pour manger et respirer, les humains dépendent presque entièrement des organismes qui réalisent la photosynthèse.

Dépendance solaire et production alimentaire

Certains organismes peuvent réaliser la photosynthèse, alors que d’autres ne le peuvent pas. Un autotrophe est un organisme qui peut produire sa propre nourriture. Les racines grecques du mot autotrophe signifient « soi » (auto) « nourricier » (troph). Les plantes sont les autotrophes les plus connus, mais il en existe d’autres, notamment certains types de bactéries et d’algues (figure 1). Les algues océaniques apportent d’énormes quantités de nourriture et d’oxygène aux chaînes alimentaires mondiales. Les plantes sont également des photoautotrophes, un type d’autotrophe qui utilise la lumière du soleil et le carbone du dioxyde de carbone pour synthétiser de l’énergie chimique sous forme de glucides. Tous les organismes effectuant la photosynthèse ont besoin de la lumière du soleil.

Les hétérotrophes sont des organismes incapables de photosynthèse qui doivent donc obtenir de l’énergie et du carbone à partir de la nourriture en consommant d’autres organismes. Les racines grecques du mot hétérotrophe signifient « autre » (hétéro) « nourricier » (troph), ce qui signifie que leur nourriture provient d’autres organismes. Même si l’organisme qui se nourrit est un autre animal, cette nourriture trouve son origine dans les autotrophes et le processus de photosynthèse. L’homme est un hétérotrophe, comme tous les animaux. Les hétérotrophes dépendent des autotrophes, soit directement, soit indirectement. Les cerfs et les loups sont des hétérotrophes. Un cerf obtient de l’énergie en mangeant des plantes. Un loup qui mange un cerf obtient de l’énergie qui provenait à l’origine des plantes mangées par ce cerf. L’énergie de la plante provient de la photosynthèse, et elle est donc le seul autotrophe dans cet exemple (figure 2). En suivant ce raisonnement, tous les aliments consommés par les humains renvoient également à des autotrophes qui réalisent la photosynthèse.

Structures principales et résumé de la photosynthèse

La photosynthèse nécessite la lumière du soleil, le dioxyde de carbone et l’eau comme réactifs de départ (figure 4). Une fois le processus terminé, la photosynthèse libère de l’oxygène et produit des molécules de glucides, le plus souvent du glucose. Ces molécules de sucre contiennent l’énergie dont les êtres vivants ont besoin pour survivre.

Les réactions complexes de la photosynthèse peuvent être résumées par l’équation chimique présentée à la figure 5.

Bien que l’équation semble simple, les nombreuses étapes qui ont lieu pendant la photosynthèse sont en fait assez complexes, de la même manière que la réaction résumant la respiration cellulaire représentait de nombreuses réactions individuelles. Avant d’apprendre les détails de la façon dont les photoautotrophes transforment la lumière du soleil en nourriture, il est important de se familiariser avec les structures physiques impliquées.

Chez les plantes, la photosynthèse a lieu principalement dans les feuilles, qui se composent de nombreuses couches de cellules et ont des côtés supérieurs et inférieurs différenciés. Le processus de photosynthèse ne se produit pas sur les couches superficielles de la feuille, mais plutôt dans une couche intermédiaire appelée mésophylle (figure 6). L’échange gazeux de dioxyde de carbone et d’oxygène se produit par de petites ouvertures régulées appelées stomates.

Chez tous les eucaryotes autotrophes, la photosynthèse a lieu à l’intérieur d’un organite appelé chloroplaste. Chez les plantes, les cellules contenant des chloroplastes existent dans le mésophylle. Les chloroplastes possèdent une double membrane (interne et externe). À l’intérieur du chloroplaste se trouve une troisième membrane qui forme des structures empilées en forme de disque appelées thylakoïdes. La membrane thylakoïde contient des molécules de chlorophylle, un pigment (molécule qui absorbe la lumière) par lequel commence tout le processus de photosynthèse. La chlorophylle est responsable de la couleur verte des plantes. La membrane thylakoïde renferme un espace interne appelé espace thylakoïde. D’autres types de pigments sont également impliqués dans la photosynthèse, mais la chlorophylle est de loin la plus importante. Comme le montre la figure 6, un empilement de thylakoïdes est appelé granum, et l’espace entourant le granum est appelé stroma (à ne pas confondre avec les stomates, les ouvertures sur les feuilles).

Les deux parties de la photosynthèse

La photosynthèse se déroule en deux étapes : les réactions dépendantes de la lumière et le cycle de Calvin. Dans les réactions dépendantes de la lumière, qui ont lieu au niveau de la membrane thylakoïde, la chlorophylle absorbe l’énergie de la lumière solaire, puis la transforme en énergie chimique grâce à l’eau. Les réactions dépendantes de la lumière libèrent l’oxygène de l’hydrolyse de l’eau comme sous-produit. Dans le cycle de Calvin, qui a lieu dans le stroma, l’énergie chimique dérivée des réactions dépendantes de la lumière entraîne à la fois la capture du carbone dans les molécules de dioxyde de carbone et l’assemblage ultérieur de molécules de sucre. Les deux réactions utilisent des molécules porteuses pour transporter l’énergie de l’une à l’autre. Les transporteurs qui déplacent l’énergie des réactions dépendantes de la lumière vers les réactions du cycle de Calvin peuvent être considérés comme « pleins » car ils apportent de l’énergie. Une fois l’énergie libérée, les transporteurs d’énergie  » vides  » retournent vers les réactions dépendantes de la lumière pour obtenir plus d’énergie.

Résumé de la section

Le processus de photosynthèse a transformé la vie sur terre. En exploitant l’énergie du soleil, la photosynthèse a permis aux êtres vivants d’accéder à d’énormes quantités d’énergie. Grâce à la photosynthèse, les êtres vivants ont eu accès à une énergie suffisante, ce qui leur a permis d’évoluer vers de nouvelles structures et d’atteindre la biodiversité que l’on constate aujourd’hui.

Seuls certains organismes, appelés autotrophes, peuvent réaliser la photosynthèse ; ils nécessitent la présence de chlorophylle, un pigment spécialisé capable d’absorber la lumière et de convertir l’énergie lumineuse en énergie chimique. La photosynthèse utilise le dioxyde de carbone et l’eau pour assembler des molécules de glucides (généralement du glucose) et libère de l’oxygène dans l’air. Les autotrophes eucaryotes, comme les plantes et les algues, possèdent des organites appelés chloroplastes dans lesquels se déroule la photosynthèse.

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