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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.
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.
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
.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.
