Name: photosynthesis: light, sugars, and carbon
Uploaded: 2019-01-29T11:04:45.000Z
Duration: 4 min 45 s
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NC K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Biology

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From Molecules to Organisms- Structures and Processes

LS.Bio.3.2

Photosynthesis

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi chaque automne, les feuilles des arbres passent du vert aux nuances de jaune, d’orange et de rouge ? Qu’est-ce qui donne aux feuilles leurs couleurs vives en premier lieu ? La réponse réside dans les organites végétaux appelés chloroplastes, qui contiennent des pigments qui absorbent certaines longueurs d’onde de la lumière du soleil et en réfléchissent d’autres. Un pigment particulier, la chlorophylle, est le plus abondant en été. Il absorbe les longueurs d’onde à haute énergie, violettes, bleues et rouges de la lumière du soleil et réfléchit les longueurs d’onde vertes donnant aux feuilles leur aspect vert. Il existe d’autres pigments dans les feuilles, tels que les caroténoïdes, qui réfléchissent la lumière rouge et jaune. À l’automne, les feuilles cessent de reconstituer leurs pigments. Comme la chlorophylle se dégrade plus rapidement que les autres pigments, les couleurs de ces caroténoïdes sont démasquées.La présence de différents pigments dans une feuille verte peut être démontrée avec du papier de chromatographie, un polymère hydrophile qui sépare les molécules en fonction de leur solubilité dans un solvant particulier. Tout d’abord, l’extrait de feuille est chargé sur le papier. Lorsque le papier est plongé dans un solvant hydrophobe organique, le solvant se déplace le long du papier en raison de l’action capillaire et en cours de route, il sépare différents pigments dans l’extrait de feuille. Les pigments les plus hydrophobes sont transportés plus haut dans le papier. Alors que les pigments hydrophiles se lient à la cellulose, ce qui entrave leur mouvement. Une fois que tous les pigments sont triés en fonction de leur hydrophobie, nous pouvons calculer le facteur de rétention ou les valeurs Rf. La valeur Rf est le rapport entre la distance parcourue par un pigment et la distance parcourue par le solvant. Chaque pigment a une valeur Rf unique et nous pouvons facilement identifier les pigments en comparant les valeurs calculées aux normes. La photosynthèse, le processus par lequel les plantes convertissent le dioxyde de carbone, l’eau et l’énergie lumineuse en énergie chimique et en oxygène, est réalisée principalement dans les feuilles d’une plante, et la chlorophylle joue un rôle essentiel dans ce processus. Les chloroplastes contiennent des dizaines de molécules de chlorophylle, chacune effectuant une tâche spécifique et interagissant de manière complexe. En fin de compte, l’énergie lumineuse amène les molécules de chlorophylle à céder des électrons qui sont utilisés dans d’autres processus métaboliques. Par conséquent, la chlorophylle a besoin d’un apport continu d’électrons pour remplacer ceux qu’elle perd. Ces électrons de remplacement proviennent de la division des molécules d’eau en protons, électrons et molécules d’oxygène. À des taux élevés de photosynthèse, l’eau se divise plus rapidement pour reconstituer les électrons et l’oxygène est généré rapidement.Ce phénomène nous aide à évaluer le taux de photosynthèse en laboratoire en suspendant simplement des disques de feuilles dans une solution de bicarbonate où le bicarbonate agit comme une riche source de carbone. Au début de l’expérience du disque foliaire, les gaz sont expulsés des disques foliaires en appliquant une pression négative avec un vide dans une seringue. Les disques des feuilles, avec leurs gaz expulsés, deviennent plus lourds et coulent au fond de la solution de bicarbonate lorsqu’ils sont transférés dans un bécher. Lorsque la photosynthèse a lieu, l’eau de l’environnement est divisée afin de reconstituer les électrons de chlorophylle. L’oxygène qui en résulte rend les disques plus légers, ce qui les fait flotter à la surface au fil du temps. Les environnements qui permettent des taux de photosynthèse plus élevés ont des disques qui flottent plus vite.Dans cet atelier, vous allez d’abord séparer et identifier les pigments des feuilles d’épinards à l’aide de papier de chromatographie. Ensuite, vous évaluerez le taux de photosynthèse dans l’eau et dans une solution bicarbonatée avec une expérience de disque foliaire.

photosynthèse

<h4>Autotrophes</h4>

Presque tous les organismes vivants sur Terre dépendent de la photosynthèse, qui est le processus qui convertit l’énergie solaire en un sucre simple appelé glucose. Cette molécule peut être utilisée comme source d’énergie à court terme ou pour construire des glucides plus complexes comme les amidons pour le stockage d’énergie à long terme. Les autotrophes sont des organismes qui captent l’énergie lumineuse par photosynthèse. Aussi appelés producteurs primaires, ils fournissent l’énergie nécessaire aux organismes qui les mangent, que l’on appelle consommateurs.

Les organismes capables de photosynthèse sont assez diversifiés, notamment les cyanobactéries, certains protistes comme les algues, ainsi que les plantes. Dans les cellules eucaryotes, la photosynthèse a lieu dans un organite appelé chloroplaste, qui apparaît vert en raison de sa teneur élevée en chlorophylle, un pigment. Les pigments sont des molécules qui absorbent la lumière à certaines longueurs d’onde. La lumière qui n’est pas absorbée par un pigment est réfléchie comme de la lumière visible qui peut être observée comme la couleur du pigment. Les plantes produisent de multiples pigments aux fonctions variées qui absorbent la lumière du soleil à différentes longueurs d’onde. Par exemple, la chlorophylle absorbe la lumière aux longueurs d’onde rouge et bleue tandis qu’elle réfléchit les longueurs d’onde qui correspondent au vert. Certains autres pigments tels que les caroténoïdes, les anthocyanes et les bétalaïnes réfléchissent généralement la lumière à des longueurs d’onde de faible énergie comprises entre 600 et 800 nm, et apparaissent donc jaunes à rouges. Dans les régions tempérées, la diminution de la chlorophylle à l’automne révèle ces pigments lorsque les feuilles changent de couleur en rouges, jaunes et oranges.

<h4>Chloroplastes</h4>

La chlorophylle est le pigment principal des chloroplastes utilisés dans la photosynthèse, tandis que d’autres pigments aident à canaliser l’énergie lumineuse vers les chlorophylles ou à protéger la cellule contre les dommages causés par la lumière. La photosynthèse se compose de deux voies, connues sous le nom de réactions dépendantes de la lumière et indépendantes de la lumière, et se produisent à des endroits distincts dans les chloroplastes. Ces organites contiennent trois membranes : une membrane externe, une membrane interne et la membrane thylakoïde la plus interne, qui forme de longs plis en forme de disque dans le chloroplaste. L’espace rempli de liquide entre les membranes interne et thylakoïde s’appelle le stroma. Les réactions dépendantes de la lumière commencent lorsque l’énergie de la lumière du soleil excite les électrons des pigments de chlorophylle qui sont intégrés dans la membrane thylakoïde. Ces électrons de haute énergie sont ensuite transmis d’une molécule porteuse d’électrons à une autre au sein de la membrane thylakoïde, collectivement connue sous le nom de chaîne de transport d’électrons. Chaque transfert au sein de la chaîne de transport d’électrons amène l’électron à un état d’énergie inférieur, libérant ainsi de l’énergie. Une partie de cette énergie est exploitée pour synthétiser de petites molécules riches en énergie telles que l’adénosine triphosphate (ATP) et le nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADPH). L’électron perdu de la chlorophylle est remplacé par hydrolyse (c’est-à-dire la séparation de l’eau), lorsque les atomes d’hydrogène et d’oxygène sont séparés. Les atomes d’hydrogène générés par l’hydrolyse donnent leurs électrons à la chlorophylle tandis que les molécules d’oxygène sont libérées dans l’atmosphère. Le flux d’électrons par hydrolyse permet aux pigments de chlorophylle d’absorber en permanence l’énergie lumineuse en excitant à plusieurs reprises de nouveaux électrons et en les faisant passer le long de la chaîne de transport d’électrons.

Les réactions indépendantes de la lumière ont lieu dans le stroma. Ce processus utilise l’énergie lumineuse indirectement en utilisant l’énergie des molécules d’ATP et de NADPH générée par les réactions dépendantes de la lumière. Au cours de cette voie, le dioxyde de carbone (CO2) est utilisé pour construire un sucre à trois atomes de carbone, qui peut ensuite être transformé en glucose ou en d’autres biomolécules. Ce processus est également connu sous le nom de fixation du carbone ou de séquestration du carbone, car le carbone est séquestré de l’atmosphère et fixé en biomolécules.

<h4>La photosynthèse et l’environnement</h4>

La séquestration du carbone pendant la photosynthèse est une étape importante du cycle du carbone, au cours de laquelle le CO2 s’écoule d’un réservoir à un autre à un rythme relativement constant. Les changements dans le débit de CO2 peuvent modifier l’équilibre de celui-ci entre les réservoirs. Plus important encore, le CO2 étant un gaz à effet de serre, l’augmentation de sa concentration atmosphérique contribue à la hausse des températures. La majeure partie de ceCO2 est émise par la combustion de combustibles fossiles, renvoyant ainsi dans l’atmosphère le dioxyde de carbone qui a été séquestré par la photosynthèse il y a des centaines de millions d’années à un rythme sans précédent. Par conséquent, les forêts et les algues océaniques sont de plus en plus essentielles pour refroidir la terre en réduisant l’augmentation des niveaux deCO2 1. C’est l’une des nombreuses raisons pour lesquelles la déforestation est une préoccupation sérieuse dans un climat changeant.

Tout comme les plantes utilisent la photosynthèse pour capturer l’énergie lumineuse dans les biomolécules, les chercheurs étudient la photosynthèse artificielle pour créer des biocarburants neutres en carbone comme alternative aux combustibles fossiles. Semblables aux panneaux solaires, les méthodes de photosynthèse artificielle obtiennent de l’énergie du soleil et la stockent sous forme d’énergie chimique, dont une partie peut être stockée pendant de longues périodes, au lieu de la convertir directement en électricité2. Les scientifiques ont également été en mesure de produire des sucres simples et de l’acide lactique à l’aide de bactéries photosynthétiques3. Cette approche a de nombreuses applications dans la fabrication de biomolécules, de biocarburants et même de plastiques biodégradables avec peu ou pas d’émissions nocives. De plus, cette approche peut être utilisée pour éliminer l’excès deCO2 de l’atmosphère. Un concept similaire est appliqué dans le domaine médical, où les bactéries photosynthétiques sont utilisées pour produire des substances et des médicaments physiologiquement actifs, dont certains ont été appliqués au diagnostic et au traitement du cancer4. Les recherches futures pourraient accroître l’efficacité de la production de molécules durables et neutres en carbone tout en remédiant aux effets de l’augmentation des niveaux atmosphériques deCO2.

<h4>Références</h4>

<ol class="références">
	<li>Bonan, GB. Forêts et changement climatique : forçages, rétroactions et avantages climatiques des forêts. science. 2008, vol. 320, 5882 (1444-9).</li>
	<li>Liu, C, et al. Système de séparation de l’eau et de biosynthèse avec des efficacités de réduction du CO2 supérieures à la photosynthèse. science. 2016, vol. 352, 6290 (1210-1213).</li>
	<li>Niederholtmeyer, H, et al. Ingénierie des cyanobactéries pour synthétiser et exporter des produits hydrophiles. Appl Env Microbio. 2010, vol. 76, 11 (3462-66).</li>
	<li>Sasaki, K, et al. Applications des bactéries photosynthétiques pour les domaines médicaux. J Biosci Bioeng. 2005, vol. 100, 5 (481-48).</li>
</ol>

Photosynthèse

Autotrophes

Presque tous les organismes vivants sur Terre dépendent de la photosynthèse, qui est le processus qui convertit l’énergie solaire en un sucre simple appelé ...

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Cellular Processes

Processus cellulaires

photosynthesis: light, sugars, and carbon

Photosynthesis turns sunlight into chemical energy in the form of glucose. This process powers most life on Earth by helping autotrophs, or primary producers, make food. The glucose they make can provide quick energy or be stored as starch for later use. Consumers depend on these producers for energy.

Photosynthesis happens in many kinds of organisms. Cyanobacteria, some protists such as algae, and plants can all carry out this process. In eukaryotic cells, it takes place in the chloroplast. Chloroplasts look green because they contain chlorophyll, a pigment that absorbs light at specific wavelengths.

Plants use several pigments to capture light. Chlorophyll absorbs red and blue light and reflects green light. Other pigments, including carotenoids, anthocyanins, and betalains, absorb or reflect different wavelengths and often appear yellow to red. In autumn, when chlorophyll levels drop in temperate regions, these pigments become visible and leaves change color.

Photosynthesis has two main stages: light-dependent reactions and light-independent reactions. These stages happen in different parts of the chloroplast. The chloroplast has an outer membrane, an inner membrane, and an inner thylakoid membrane that forms disc-like folds. The space between the inner membrane and thylakoids is the stroma.

The light-dependent reactions begin in the thylakoid membrane when sunlight excites electrons in chlorophyll. Those electrons move through an electron transport chain, dropping to lower energy levels and releasing energy. The cell uses that energy to make ATP and NADPH. Water splitting, also called hydrolysis, replaces the lost electrons in chlorophyll. This process releases oxygen into the atmosphere and helps keep the flow of electrons going.

The light-independent reactions take place in the stroma. They use ATP and NADPH from the first stage to build a three-carbon sugar from carbon dioxide. That sugar can then be turned into glucose or other biomolecules. This is also called carbon fixation or carbon sequestration because carbon is pulled from the atmosphere and stored in living molecules.

Photosynthesis plays a major role in the carbon cycle. Carbon dioxide moves between reservoirs at a steady pace, but changes in that flow can upset the balance. Because carbon dioxide is a greenhouse gas, more of it in the atmosphere can raise temperatures. Much of the extra carbon dioxide comes from burning fossil fuels, which returns ancient carbon to the air very quickly.

Forests and ocean algae help lower carbon dioxide levels, so deforestation is a serious concern in a changing climate. Scientists are also studying artificial photosynthesis as a way to make carbon-neutral biofuels. Like solar panels, these methods take energy from the sun and store it as chemical energy instead of electricity. Researchers have also used photosynthetic bacteria to make simple sugars, lactic acid, biodegradable plastics, and even medically useful compounds, including substances studied for cancer diagnosis and treatment.

Photosynthesis: Light, Sugars, and Carbon

photosynthesis

Photosynthesis turns sunlight into chemical energy in the form of glucose. This process powers most life on Earth by helping autotrophs, or primary producers, make food. The glucose they make can provide quick energy or be stored as starch for later use. Consumers depend on these producers for energy. Photosynthesis happens in many kinds of organisms. Cyanobacteria, some protists such as algae, and plants can all carry out this process. In eukaryotic cells, it takes place in the chloroplast.

cellular respiration

Cellular Energy From Glucose Breakdown

Cellular respiration is the process cells use to release usable energy from biomolecules such as sugars and lipids. Living things need a steady energy supply for growth, repair, movement, defense, and reproduction. Cells use that energy mainly by converting adenosine diphosphate (ADP) to adenosine triphosphate (ATP). Autotrophs and heterotrophs get the molecules for respiration in different ways. Autotrophs, such as plants, algae, and photosynthetic and chemosynthetic bacteria, build...

cell division

Cell Cycle, Mitosis, and Meiosis

Cell division is essential for growth, repair, and reproduction in living organisms. It lets single-celled organisms create a new organism and helps multicellular organisms make new cells for development and for replacing damaged cells. In multicellular species, cell division also makes reproductive cells needed for reproduction. Before a cell divides, it must copy its genetic material and split it into two daughter cells. This process is called the cell cycle. Although the timing can vary...

transpiration

Water Movement in Plants

Water movement in plants depends on transpiration and the vascular system. Plants must move water and dissolved nutrients from the roots to the leaves. They also exchange materials with the environment as part of normal life processes. Vascular plants use bundles of tissues that run from the roots to the tips of the plant. Root hairs absorb water and nutrients, and osmosis moves water into the xylem, the main water-conducting tissue. Water then travels to the tallest parts of the plant and...

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Factors That Shape Enzyme Function

Enzymes are biological catalysts that help living things run biochemical reactions faster. They lower activation energy, which is the energy needed to start a reaction. Enzymes are not used up in the process, so they can keep working again and again. Most enzymes are proteins, although some ribonucleic acid molecules also have catalytic activity. Each enzyme usually binds only one or a few specific substrates. This selectivity depends on the enzyme’s active site, which fits its substrate like...

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Learn how photosynthesis converts sunlight into glucose, how chloroplasts use pigments and ATP/NADPH, and why carbon fixation matters for climate.

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Ligand Binding and Linkage

Cooperative Allosteric Transitions

Ribozymes

Carry out investigations to illustrate how enzymes act as catalysts for biochemical reactions and how environmental factors affect enzyme activity.

LS.Bio.1.2

What are Cells?

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Cell Size

Cell sizes vary widely among and within organisms. Bacterial cells range between 1-10 micrometers (&#x3BC;m)and are considerably smaller than most ...

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Prokaryotic Cells

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Endoplasmic ReticulumThe endoplasmic reticulum (ER) is an extensive network of membranous sacs and tubules in eukaryotic cells, continuous with the outer ...

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Ribosomes translate genetic information encoded by messenger RNA (mRNA) into proteins. Both prokaryotic and eukaryotic cells have ribosomes. Cells that ...

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Cells with similar structure and function are grouped into tissues. A group of tissues with a specialized function is called an organ. There are four main ...

Plant Cell Wall

The plant cell wall gives plant cells shape, support, and protection. As a cell matures, its cell wall specializes according to the cell type. For ...

Plasmodesmata

The organs in a multicellular organism&#x2019;s body are made up of tissues formed by cells. To work together cohesively, cells must communicate. One way ...

Use models to explain how the structure of organelles determines its function and supports overall cell processes.

LS.Bio.1.3

Analyze how the relationship between structure and function supports life processes within organisms.

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