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Comment une plante subvient-elle à ses besoins ?
2. La photosynthèse
Pour croître, toutes les formes de vie ont besoin d'énergie. Chez les plantes, cette énergie est obtenue grâce à un mécanisme appelé photosynthèse
On appelle photosynthèse la production (synthèse) de nutriments essentiels à partir d'eau et de dioxyde de carbone. L'énergie nécessaire à cette synthèse est obtenue grâce au rayonnement solaire (photo)
Les plantes sont donc capables de synthétiser elles mêmes à partir de lumière leurs substances organiques, elles sont dites autotrophes contrairement aux animaux, dits hétérotrophes, qui doivent tirer leur énergie, directement ou indirectement des plantes.
Cette synthèse produite des glucides riches en énergie, que la plante utilisera pour son fonctionnement et rejette du dioxygène. La photosynthèse est donc le phénomène métabolique (c'est à dire par lequel les cellules d'un organisme transforment et utilisent l'énergie, se développe et se renouvellent) grâce à quoi les plantes vertes utilisent l'énergie lumineuse pour synthétiser des corps carboniques, notamment des glucides à partir de l'eau et du gaz carbonique disponible dans le milieu.
La photosynthèse peut être considérée comme la conversion de l'énergie solaire en énergie chimique.
Cette synthèse nécessite un processus cellulaire complexe, dont le siège est situé dans les chloroplastes. Les chloroplastes sont des organites cellulaires semi autonomes, constitué d'un complexe membranaire très architecturé. Ce sont eux qui contiennent les pigments chlorophylliens qui donnent sa couleur verte à la plante. On peut dire que les chloroplastes sont les usines chimiques qui permettent la transformation de l'énergie chimique en énergie lumineuse. Toutes les parties vertes d'une plante, y compris les tiges vertes et les fruits non encore mûrs, comprennent des chloroplastes, mais ce sont généralement les feuilles qui en renferment le plus, principalement dans les cellules du mésophylle.
Le processus de la photosynthèse commence dans la terre où les racines de la plante récupèrent l'eau et les sels minéraux nécessaires grâce à des poils absorbants dont la grande surface d'échange permet l'absorption des composés organiques. Ceux-ci sont transportés jusqu'aux cellules chlorophylliennes par la sève brute qui monte des racines jusqu'aux feuilles. La chlorophylle capte l'énergie lumineuse qui alimentera la synthèse et le dioxyde de carbone entre dans les chloroplastes par des pores appelés stomates. Tous les ingrédients nécessaires à la photosynthèse sont maintenant réunis, celle ci va pouvoir commencer.
La photosynthèse est un mécanisme qui se décompose en deux phases appelées « réactions photochimiques » et « cycle de Calvin »
La lumière est un rayonnement électromagnétique qui se propage par ondes. La quantité minimale d'énergie que ces ondes peuvent transporter est appelée photon.
Les chloroplastes contiennent un système de lamelles formant des disques, les thylakoïdes, dont les empilements composent des grana disposées dans une substance ayant sensiblement l'aspect du cytoplasme, le stroma. La chlorophylle, pigment qui capte la lumière pour transformer l'énergie lumineuse en énergie chimique, est logée dans la membrane des thylakoïdes.
a. Les réactions photochimiques
Lorsqu'un photon est absorbé par un pigment de chlorophylle, cela déclenche le transfert d'électrons et de protons de l'eau vers un accepteur d'électrons appelé NADP+ qui stocke les électrons riches en énergie. La molécule d'eau est donc divisée, ce qui rejette du dioxygène. L'énergie lumineuse permet la production d'ATP et de NADPH + H+, notamment grâce à une enzyme qui n'est active qu'à la lumière.
Les réactions photochimiques ont pour but de fournir à partir de l'énergie solaire du NADPH+H+, de l'ATP et un potentiel réducteur pour l'étape suivante, le cycle de Calvin.
b. Le cycle de Calvin
Le cycle de Calvin ne nécessite pas de lumière, c'est pour cela que l'on appelle phase obscure même s'il se déroule toujours à la lumière car il nécessite l'énergie chimique produit lors de la première étape.
Le dioxyde de carbone est fixé dans les molécules organiques présentes dans le chloroplaste.
L'énergie chimique contenue dans l'ATP et le NADPH+H+ obtenue lors des réactions photochimiques permet de réduire en glucides le CO2.
Le cycle de Calvin se déroule non pas dans les thylakoides mais dans le stroma.
Les glucides ainsi fabriqués fournissent à la plante entière l'énergie chimique et les substances carbonées nécessaires à la synthèse des molécules organiques principales des cellules. Ces glucides se lient aussi pour former la cellulose, composant principale de la paroi cellulaire.
On peut décomposer l'équation de cette façon
La photosynthèse demande l'association de deux réactions photochimiques. Il existe donc deux photosystèmes distincts le photosystème I et le photosystème II. Un photosystème est l'unité recevant les photons de lumière. Il comporte un centre actif et une antenne composée de plusieurs centaines de molécules de chlorophylle.
Quand une molécule absorbe un photon, un des ses électrons passe à l'état excité, c'est à dire qu'il passe sur une orbitale où il a plus d'énergie. Cet état est très bref mais lorsque que la molécule repasse à l'état fondamental, elle libère à nouveau un photon. L'énergie de ce photon va donc passer d'une molécule à l'autre le long de l'antenne jusqu'a ce qu'elle parvienne au centre actif. Le centre actif est composé d'une molécule de chlorophylle, appelée chlorophylle a et d'une molécule spécialisée, l'accepteur primaire d'électrons. L'électron de la chlorophylle a, excité par le photon cède l'un de ces électrons à l'accepteur. Chaque photosystème retient ainsi l'énergie des électrons avant qu'ils ne repassent à l'état fondamental.
Chaque type de photosystème , le photosystème I et le photosystème II , possède un centre actif différent avec un accepteur différent et une chlorophylle a associé à des protéines différentes .
Lorsque le photosystème II absorbe deux photons, ceux ci sont capturés par l'accepteur. Il manque alors deux électrons à la chlorophylle a, qui devient un agent oxydant très puissant car elle veut combler les vides laissés par ces deux électrons. Un agent oxydant est une espèce chimique capable de prendre des électrons à une autre espèce chimique.
Une molécule d'eau est divisée en deux protons, qui iront remplacer les électrons de la chlorophylle, et un atome d'oxygène, qui se lira à un autre atome pour former du dioxygène.
Les électrons capturés par l'accepteur primaire passent du photosystème II au photosystème I par l'intermédiaire d'une chaîne de transport. De l'énergie est libérée, elle va alimenter la production d'ATP. Les électrons sont ensuite cédés par le photosystème I à une deuxième chaîne de transport. Une réaction d’oxydoréduction va alors les emmagasiner dans une molécule de NADPH+H+, qui fournira l'énergie pour le cycle de Calvin. Il y a réaction d'oxydoréduction lorsque un réducteur cède des électrons à un oxydant.
Le carbone entre dans le cycle de Calvin sous forme de CO2 et en ressort sous forme d'un glucide, appelé PGAL .Pour cela il utilise les molécules d'ATP et l'énergie du NADPH+H+, qui ont été produits lors de l'étape précédente
Les glucides ainsi fabriqués fournissent à la plante entière l'énergie chimique et les chaînes carbonées nécessaires à la synthèse des molécules organiques principales des cellules. Ces glucides se lient aussi pour former la cellulose, composant principal de la paroi cellulaire.
C'est ce processus complexe de la photosynthèse qui permet donc à la plante de vivre et de se développer. Sans lumière, une plante ne peut donc pas effectuer la photosynthèse et meure dès qu'elle a épuisé ses réserves.
