Qu'est-ce que la photosynthèse?

La photosynthèse est le processus utilisé par les plantes, les algues et certaines bactéries pour exploiter l'énergie du soleil et la transformer en énergie chimique. Ici, nous décrivons les principes généraux de la photosynthèse et soulignons comment les scientifiques étudient ce processus naturel pour aider à développer des carburants propres et des sources d'énergie renouvelable.. 

Types de photosynthèse

Il existe deux types de processus photosynthétiques: la photosynthèse oxygénée et la photosynthèse anoxygénique. Les principes généraux de la photosynthèse anoxygénique et oxygénée sont très similaires, mais la photosynthèse oxygénée est la plus courante et est observée chez les plantes, les algues et les cyanobactéries. 

Au cours de la photosynthèse oxygénée, l'énergie lumineuse transfère les électrons de l'eau (H₂O) au dioxyde de carbone (CO₂), pour produire des glucides. Dans ce transfert, le CO₂ est "réduit" ou reçoit des électrons, et l'eau devient "oxydée" ou perd des électrons. En fin de compte, l'oxygène est produit avec les glucides.

La photosynthèse oxygénique fonctionne comme un contrepoids à la respiration en absorbant le dioxyde de carbone produit par tous les organismes respiratoires et en réintroduisant de l'oxygène dans l'atmosphère.

D'autre part, la photosynthèse anoxygénique utilise des donneurs d'électrons autres que l'eau. Le processus se produit généralement dans des bactéries telles que les bactéries violettes et les bactéries soufrées vertes, qui se trouvent principalement dans divers habitats aquatiques.

"La photosynthèse anoxygénique ne produit pas d'oxygène - d'où son nom", a déclaré David Baum, professeur de botanique à l'Université du Wisconsin-Madison. "Ce qui est produit dépend du donneur d'électrons. Par exemple, de nombreuses bactéries utilisent le sulfure d'hydrogène gazeux qui sent mauvais pour les œufs, produisant du soufre solide comme sous-produit."

Bien que les deux types de photosynthèse soient complexes et en plusieurs étapes, le processus global peut être parfaitement résumé sous forme d'équation chimique..

La photosynthèse oxygénée s'écrit comme suit: 

6CO₂ + 12H₂O + Énergie lumineuse → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

Ici, six molécules de dioxyde de carbone (CO₂) se combinent avec 12 molécules d'eau (H₂O) utilisant l'énergie lumineuse. Le résultat final est la formation d'une seule molécule de glucide (C₆H₁₂O₆, ou glucose) avec six molécules chacune d'oxygène respirable et d'eau.

De même, les différentes réactions de photosynthèse anoxygéniques peuvent être représentées sous la forme d'une seule formule généralisée:

CO₂ + 2H₂A + Énergie lumineuse → [CH₂O] + 2A + H₂O

La lettre A dans l'équation est une variable et H₂A représente le donneur d'électrons potentiel. Par exemple, A peut représenter le soufre dans le sulfure d'hydrogène donneur d'électrons (H₂S), expliquent Govindjee et John Whitmarsh, biologistes végétaux à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, dans le livre "Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis" (Narosa Publishers et Kluwer Academic, 1999).

L'appareil photosynthétique

Voici les composants cellulaires essentiels à la photosynthèse. 

Pigments

Les pigments sont des molécules qui donnent de la couleur aux plantes, aux algues et aux bactéries, mais ils sont également responsables de piéger efficacement la lumière du soleil. Des pigments de différentes couleurs absorbent différentes longueurs d'onde de lumière. Voici les trois groupes principaux.

• Chlorophylles: Ces pigments de couleur verte sont capables de piéger la lumière bleue et rouge. Les chlorophylles ont trois sous-types, appelés chlorophylle a, chlorophylle b et chlorophylle c. Selon Eugene Rabinowitch et Govindjee dans leur livre "Photosynthesis" (Wiley, 1969), la chlorophylle a se trouve dans toutes les plantes photosynthétisantes. Il existe également une variante bactérienne bien nommée bactériochlorophylle, qui absorbe la lumière infrarouge. Ce pigment est principalement vu dans les bactéries violettes et vertes, qui effectuent une photosynthèse oxygénique.  
• Caroténoïdes: Ces pigments de couleur rouge, orange ou jaune absorbent la lumière bleu-vert. Des exemples de caroténoïdes sont la xanthophylle (jaune) et le carotène (orange) dont les carottes tirent leur couleur.
• Phycobilines: Ces pigments rouges ou bleus absorbent les longueurs d'onde de la lumière qui ne sont pas aussi bien absorbées par les chlorophylles et les caroténoïdes. Ils sont vus dans les cyanobactéries et les algues rouges. 

Plastes

Les organismes eucaryotes photosynthétiques contiennent des organites appelés plastes dans leur cytoplasme. Selon un article de la revue Nature Education de Cheong Xin Chan et Debashish Bhattacharya, chercheurs de l'Université Rutgers, les plastes à double membrane présents dans les plantes et les algues sont appelés plastes primaires, tandis que la variété à membranes multiples trouvée dans le plancton est appelée plastides secondaires. au New Jersey.

Les plastes contiennent généralement des pigments ou peuvent stocker des nutriments. Les leucoplastes incolores et non pigmentés stockent les graisses et l'amidon, tandis que les chromoplastes contiennent des caroténoïdes et les chloroplastes contiennent de la chlorophylle, comme expliqué dans le livre de Geoffrey Cooper, "The Cell: A Molecular Approach" (Sinauer Associates, 2000). 

La photosynthèse se produit dans les chloroplastes; spécifiquement, dans les régions de grana et de stroma. Le grana est la partie la plus interne de l'organite; une collection de membranes en forme de disque, empilées en colonnes comme des plaques. Les disques individuels sont appelés thylakoïdes. C'est ici que s'effectue le transfert d'électrons. Les espaces vides entre les colonnes de grana constituent le stroma.   

Les chloroplastes sont similaires aux mitochondries, les centres énergétiques des cellules, en ce sens qu'ils ont leur propre génome, ou collection de gènes, contenus dans l'ADN circulaire. Ces gènes codent pour des protéines essentielles à l'organite et à la photosynthèse. Comme les mitochondries, les chloroplastes seraient également issus de cellules bactériennes primitives par le biais du processus d'endosymbiose. 

"Les plastes proviennent de bactéries photosynthétiques englouties qui ont été acquises par une cellule eucaryote unicellulaire il y a plus d'un milliard d'années", a déclaré Baum. Baum a expliqué que l'analyse des gènes du chloroplaste montre qu'il était autrefois membre du groupe des cyanobactéries, "le seul groupe de bactéries qui peut accomplir la photosynthèse oxygénée". 

Dans leur article de 2010, Chan et Bhattacharya soulignent que la formation de plastes secondaires ne peut pas être bien expliquée par l'endosymbiose des cyanobactéries, et que les origines de cette classe de plastes font encore débat..

Antennes

Les molécules de pigment sont associées à des protéines, ce qui leur permet de se déplacer vers la lumière et les unes vers les autres. Une grande collection de 100 à 5 000 molécules de pigment constitue des «antennes», selon un article de Wim Vermaas, professeur à l'Arizona State University. Ces structures captent efficacement l'énergie lumineuse du soleil, sous forme de photons.

Finalement, l'énergie lumineuse doit être transférée vers un complexe pigment-protéine qui peut le convertir en énergie chimique, sous forme d'électrons. Dans les plantes, par exemple, l'énergie lumineuse est transférée aux pigments de chlorophylle. La conversion en énergie chimique est accomplie lorsqu'un pigment chlorophylle expulse un électron, qui peut ensuite passer à un récepteur approprié. 

Centres de réaction

Les pigments et les protéines, qui convertissent l'énergie lumineuse en énergie chimique et entament le processus de transfert d'électrons, sont connus comme des centres de réaction.

Le processus photosynthétique

Les réactions de la photosynthèse végétale sont divisées en celles qui nécessitent la présence de la lumière du soleil et celles qui n'en nécessitent pas. Les deux types de réactions ont lieu dans les chloroplastes: réactions dépendant de la lumière dans le thylacoïde et réactions indépendantes de la lumière dans le stroma. 

Réactions dépendant de la lumière (également appelé réactions lumineuses): Lorsqu'un photon de lumière atteint le centre de réaction, une molécule de pigment telle que la chlorophylle libère un électron.

"L'astuce pour faire un travail utile, est d'empêcher cet électron de retrouver son chemin vers sa maison d'origine", a déclaré Baum. "Ce n'est pas facilement évité, car la chlorophylle a maintenant un" trou d'électrons "qui a tendance à attirer les électrons proches."

L'électron libéré parvient à s'échapper en voyageant à travers une chaîne de transport d'électrons, qui génère l'énergie nécessaire pour produire de l'ATP (adénosine triphosphate, une source d'énergie chimique pour les cellules) et du NADPH. Le "trou d'électrons" dans le pigment chlorophyllien d'origine est rempli en prélevant un électron dans l'eau. En conséquence, de l'oxygène est libéré dans l'atmosphère.

Réactions indépendantes de la lumière (également appelées réactions sombres et connues sous le nom de cycle de Calvin): les réactions lumineuses produisent de l'ATP et du NADPH, qui sont les riches sources d'énergie qui entraînent les réactions sombres. Trois étapes de réaction chimique composent le cycle de Calvin: fixation du carbone, réduction et régénération. Ces réactions utilisent de l'eau et des catalyseurs. Les atomes de carbone du dioxyde de carbone sont “fixé,” lorsqu'ils sont intégrés dans des molécules organiques qui forment finalement des sucres à trois carbones. Ces sucres sont ensuite utilisés pour fabriquer du glucose ou sont recyclés pour relancer le cycle Calvin. 

La photosynthèse dans le futur

Les organismes photosynthétiques sont un moyen possible de générer des combustibles propres tels que l'hydrogène ou même le méthane. Récemment, un groupe de recherche de l'Université de Turku en Finlande a exploité la capacité des algues vertes à produire de l'hydrogène. Les algues vertes peuvent produire de l'hydrogène pendant quelques secondes si elles sont d'abord exposées à des conditions sombres, anaérobies (sans oxygène), puis exposées à la lumière.L'équipe a mis au point un moyen d'étendre la production d'hydrogène des algues vertes jusqu'à trois jours, comme indiqué dans leur Étude 2018 publiée dans la revue Energy & Environmental Science.

Les scientifiques ont également fait des progrès dans le domaine de la photosynthèse artificielle. Par exemple, un groupe de chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley a développé un système artificiel pour capturer le dioxyde de carbone à l'aide de nanofils ou de fils de quelques milliardièmes de mètre de diamètre. Les fils alimentent un système de microbes qui réduisent le dioxyde de carbone en carburants ou en polymères en utilisant l'énergie du soleil. L'équipe a publié son design en 2015 dans la revue Nano Letters.  

En 2016, des membres de ce même groupe ont publié une étude dans la revue Science qui décrivait un autre système photosynthétique artificiel dans lequel des bactéries spécialement conçues étaient utilisées pour créer des carburants liquides utilisant la lumière du soleil, l'eau et le dioxyde de carbone. En général, les plantes ne peuvent exploiter qu'environ un pour cent de l'énergie solaire et l'utiliser pour produire des composés organiques pendant la photosynthèse. En revanche, le système artificiel des chercheurs a pu exploiter 10% de l'énergie solaire pour produire des composés organiques.

La recherche continue sur les processus naturels, tels que la photosynthèse, aide les scientifiques à développer de nouvelles façons d'utiliser diverses sources d'énergie renouvelable. Étant donné que la lumière du soleil, les plantes et les bactéries sont toutes omniprésentes, exploiter le pouvoir de la photosynthèse est une étape logique pour créer des carburants à combustion propre et neutres en carbone.

Ressources supplémentaires:

• Université de Californie, Berkeley: Pigments photosynthétiques
• Université d'État de l'Arizona: une introduction à la photosynthèse et à ses applications
• Université de l'Illinois à Urbana-Champaign: Qu'est-ce que la photosynthèse?