Photosynthèse et notion d’autotrophie pour le carbone

L’ensemble des êtres vivants est constitué de matière organique. Cette matière organique est elle-même constituée de carbone (C), d’hydrogène (H), d’oxygène (O) et d’azote (N), organisés en longues chaînes carbonées qu’on retrouve dans les lipides, les glucides, les protéines et les acides nucléiques.

Les êtres vivants doivent ainsi produire leur matière organique. Ils peuvent le faire en consommant de la matière organique (comme c’est le cas chez les animaux) d’autres animaux ou végétaux. Chez les végétaux en revanche, la matière organique est produite à partir de matière minérale.

 

I. La photosynthèse

 

 

On peut observer au microscope des cellules végétales, au sein desquelles on trouve de petits organites verts : des chloroplastes (schéma ci-dessus).

À condition que la plante ait été placée préalablement à la lumière, on observe dans le chloroplaste des taches brunes : ce sont des grains d’amidon, des petits amas de matière organique, produits par le végétal à la lumière. Ils peuvent être colorés, pour une identification facile au microscope optique, avec de l’iode.

Si la plante n’a pas été placée à la lumière, alors l’observation des chloroplastes montrera l’absence des grands d’amidon, les tâches brunes ne seront donc pas visibles.

Par conséquent, on peut conclure que les végétaux sont capables d’effectuer la photosynthèse afin de produire de l’amidon, soit de la matière organique.

La photosynthèse est une réaction d’oxydoréduction :

 

 

L’équation correspond à la production de matière organique, représentée ici avec le C6H1206, formule du glucose, qui est produit à partir de l’approvisionnement du végétal en CO2 et en eau (à gauche de l’équation). On peut observer cet approvisionnement par un enregistrement avec des sondes ExAO. Celles-ci révèlent également que la plante rejette du dioxygène, noté à droite de l’équation.

La photosynthèse consiste donc en une réduction du carbone, à l‘état oxydé dans le dioxyde de carbone (CO2), et à l’état réduit dans la molécule de carbone organique (C6H12O6). Cette réduction est couplée à une oxydation de molécules d’eau (H2O) qui se retrouvent oxydées dans le dioxygène à droite (O2). Cette photosynthèse est possible seulement en présence d’énergie lumineuse.

 

II. La notion d’autotrophie

 

Les végétaux sont donc capables de s’approvisionner en carbone minéral et de produire leur propre carbone réduit, leur carbone organique, ce dont les animaux sont incapables. On dit alors que les végétaux sont autotrophes par rapport au carbone.

Cette capacité d’autotrophie leur est donnée par leur équipement à l’intérieur des chloroplastes. Si on augmente l’agrandissement des thylakoïdes à l’intérieur des chloroplastes, représentées sur le schéma, on trouve des pigments photosynthétiques. En effectuant avec ces pigments une chromatographie, on observe la présence de chlorophylles mais aussi de xanthophylles et de carotènes. Ces pigments sont les molécules chimiques qui sont responsables de l’absorption de l’énergie lumineuse.

Si on représente graphiquement l’absorption par un végétal grâce à des pigments de l’énergie lumineuse en fonction de la longueur d’onde à laquelle est éclairée le végétal (courbe en bleu) et qu’on le compare à l’intensité de la photosynthèse (courbe en orange), on observe une superposition des deux courbes :

 

 

Les longueurs d’ondes le mieux absorbées par le végétal, autour de 450 et 750 nm de longueur d’onde, sont également les longueurs d’ondes pour lesquelles la photosynthèse est la plus efficace.

C’est donc grâce à ces différents pigments que le végétal capte l’énergie lumineuse. Cette captation d’énergie lumineuse correspond alors à une entrée d’énergie dans le monde vivant, en étant convertie en énergie lumineuse. Si ensuite le végétal est consommé, cette énergie sera convertie d’un élément à l’autre de la chaîne alimentaire et transformée en d’autres énergies chimiques.

Les produits de la photosynthèse

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Voici un cerisier en fleurs au printemps. Ses racines permettent son ancrage et l’absorption de la solution du sol : l’eau et les sels minéraux (nitrate, phosphate, potassium). Son tronc est ligneux, rigide, il s’épaissit chaque année et participe à son port érigé, mais aussi à sa croissance. Ses branches se ramifient au printemps et sont une illustration de cette croissance indéfinie permise chez les arbres. Ses fleurs sont odorantes et attirent les insectes pollinisateurs. Ses feuilles sont petites, vertes, riches en chlorophylle, qui convertit l’énergie solaire en matière organique.

Les produits de la photosynthèse permettent d’assurer certaines fonctions biologiques chez l’arbre.

 

I. La croissance et le port de la plante

 

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À l’échelle de la cellule, on constate que les cellules sont entourées d’une matrice extracellulaire particulière, la paroi, très riche en cellulose. La cellulose est un polymère de glucose en ß1-4. On constate sur cette modélisation que plusieurs molécules de glucose sont associées entre-elles par des liaisons ß1-4 ce qui induit une structure un peu cristalline, par la mise en place de liaisons hydrogène au sein d’une chaîne ce qui rigidifie la structure. Mais, entre les chaînes, il y a aussi des liaisons hydrogène qui induisent que cette cellulose forme des microfibrilles très rigides à l’étirement. Ainsi, la cellulose est un des produits de la photosynthèse, qui participe à la structure rigide (résistance à l’étirement) de cet arbre, à l’échelle de la cellule et ensuite à l’échelle du tronc et des rameaux.

 

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La lignine participe également à la croissance et au port de la plante. Sur cette photo d’une coupe transversale de tige de céleri, on constate des structures roses riches en cellulose et des structures vertes, des tissus verts, riches en lignine. Cette lignine est une molécule assez complexe : c’est un polymère de monolignol qui a la particularité chimique de s’incruster au sein des parois secondaires, (particulièrement au niveau des vaisseaux de Xylème secondaires) et elle rend cette paroi très rigide et imperméable.

On a montré que la lignine est apparue au Dévonien il y a 410 à 380 Ma, on l’a découverte dans la flore de Rhynie, très ancienne, qu’on associe à la « sortie des eaux » des végétaux. La lignine a permis la rigidification des tissus et ainsi un port érigé des plantes que l’on trouve en milieu terreste aérien.

 

II. Le stockage de la matière organique

 

Dans une cellule végétale, le chloroplaste est pourvu de chlorophylle qui va permettre, par le biais de la photosynthèse, de convertir l’énergie solaire en biomasse par la réduction du CO2 en triose-phosphate au sein du cycle de Calvin et Benson. Ce triose-phosphate peut, soit être stocké dans les chloroplastes sous forme d’amidon (polymère de glucose en α1-4 visible), soit exporté et intégré en d’autres oses, typiquement le saccharose (dioside associant un glucose et un fructose), sucre non réducteur qui circule donc très facilement dans la sève élaborée.

 

produit-cellule2bis

 

La photosynthèse ne se limite pas seulement à la synthèse de glucides (1er schéma), elle permet aussi la synthèse d’acides aminés (2e schéma). Sur ce schéma, l’azote, provenant du nitrate capté par les racines, est intégré dans la cellule, il passe le chloroplaste, est réduit, puis grâce à un système complexe d’enzymes (glutamine synthétase et GOGAT), il donne les premiers acides aminés que sont la glutamine et le glutamate. Ces acides aminés seront exportés du chloroplaste vers le cytosol où ils pourront ensuite être transformés par une transamination en d’autres acides aminés.

Ainsi des acides aminés, des glucides sont produits. Ces glucides peuvent aussi donner des lipides. Et enfin, ces acides aminés sont les monomères des protéines.

En terme de stockage de la matière organique, les acides nucléiques (faits de bases azotées, de sucres et groupements phosphate) sont aussi produits par le biais de la photosynthèse (1er schéma) : la cellule végétale est totalement autonome dans sa synthèse de matière organique.

 

III. Les interactions mutualistes (anthocyanes) et compétitives (tanins)

 

produit-fleur

– Interactions mutualistes : observons cette photo d’un papillon faux-colibri en train de butiner une fleur rose. Cette couleur rose (perçue en noir par les insectes) est due à un pigment fabriqué par la plante : les anthocyanes. Cette couleur a pour rôle d’attirer les insectes pollinisateurs qui vont se charger de pollen et aller sur une autre plante et ainsi favoriser la fécondation croisée. Les anthocyanes se retrouvent aussi au niveau des fruits, comme les cerises, dont la couleur rouge va attirer des animaux qui mangeront les fruits et participeront à la dispersion de l’espèce par le biais de leurs excréments. Les anthocyanes sont donc un exemple de molécule issue de la photosynthèse participant aux interactions mutualistes avec d’autres espèces.

– Interactions compétitives : on peut penser aux tanins, qu’on trouve dans les raisins et notamment dans les vins jeunes. Ces tanins vont créer des pontages au niveau des glycoprotéines de notre salive ce qui va entraîner une sensation d’astringence. Les tanins sont un exemple de molécule organique issue de la photosynthèse intervenant dans les interactions compétitives avec d’autres espèces.

 

Conclusion

 

Cet arbre est complètement autonome : on parle d’autotrophie vis-à-vis du carbone. Il est capable de réduire ce carbone minéral en carbone organique ; mais aussi d’autotrophie vis-à-vis de l’azote : il est capable de réduire l’azote minéral en azote organique. Ce carbone et cet azote sont intégrés dans beaucoup de produits qui vont permettre à l’arbre la réalisation de nombreuses fonctions biologiques.