Chapitre 2 — Le métabolisme des cellules · Topic 2 : Les grandes voies
métaboliques · Leçon 2.1
Tu as déjà vu une plante pousser sans manger quoi que ce soit. Pourtant, elle fabrique de la
matière — tiges, feuilles, racines — à partir de presque rien : de l’air, de l’eau et de la lumière.
C’est la photosynthèse, un tour de force chimique qui alimente presque toute la vie
sur Terre. Comprendre ce mécanisme, c’est comprendre pourquoi les plantes sont vertes, pourquoi
l’oxygène existe dans notre atmosphère, et comment l’énergie solaire se retrouve dans ton assiette.
🎯 Objectifs pédagogiques
À la fin de cette leçon, tu sauras :
- Écrire et interpréter l’équation globale de la photosynthèse.
- Localiser la photosynthèse dans le chloroplaste et distinguer ses deux phases.
- Expliquer le rôle de la chlorophylle dans la capture de la lumière.
- Caractériser la photosynthèse comme un anabolisme stockant l’énergie solaire.
- Analyser les expériences de Priestley et van Ingenhousz comme preuve expérimentale.
🧭 Plan de la leçon
- Qu’est-ce que la photosynthèse ? Définition et équation globale.
- Où se déroule la photosynthèse ? Le chloroplaste et ses deux phases.
- La chlorophylle : capter la lumière solaire.
- Bilan énergétique : un anabolisme remarquable.
- Argument scientifique : Priestley (1771) et van Ingenhousz (1779).
1. Qu’est-ce que la photosynthèse ?
La photosynthèse est la réaction par laquelle les organismes
photoautotrophes fabriquent de la matière organique à partir de
matière minérale simple (CO₂ et H₂O), en utilisant l’énergie lumineuse. Les
organismes concernés sont les plantes, les algues et certaines
bactéries (cyanobactéries).
6 CO₂ + 6 H₂O + énergie lumineuse → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
Lecture : six molécules de dioxyde de carbone + six molécules d’eau + lumière donnent une
molécule de glucose + six molécules de dioxygène. La lumière est un réactif
indispensable, pas un simple catalyseur.
La photosynthèse est à la base de presque toutes les chaînes alimentaires :
les producteurs primaires (plantes, algues) fabriquent la matière organique que tous les organismes
hétérotrophes consomment ensuite, directement ou indirectement. Sans photosynthèse, la quasi-totalité
de la vie terrestre s’effondrerait.
2. Où se déroule la photosynthèse ? Les chloroplastes
La photosynthèse se déroule exclusivement dans les chloroplastes, des organites
présents dans les cellules végétales et algales. Les cellules animales et fongiques n’en possèdent
pas.
Structure du chloroplaste :
- Double enveloppe : une membrane externe et une membrane interne délimitent
l’organite et contrôlent les échanges de molécules entre le chloroplaste et le cytoplasme. - Thylakoïdes : sacs membraneux aplatis, empilés en grana. Leur très
grande surface membranaire accueille les molécules de chlorophylle et les complexes protéiques de
la chaîne photosynthétique. - Stroma : liquide interne riche en enzymes qui baigne les thylakoïdes. C’est
le siège du cycle de Calvin où le CO₂ est fixé pour former le glucose.
Les deux grandes phases de la photosynthèse :
| Phase | Localisation | Réactifs | Produits |
|---|---|---|---|
| Lumineuse | Thylakoïdes | H₂O + lumière | ATP, NADPH, O₂ |
| Carbonée (Calvin) | Stroma | CO₂ + ATP + NADPH | Glucose |
La phase lumineuse fournit l’énergie (ATP) et le pouvoir réducteur (NADPH) nécessaires au cycle
de Calvin. Les deux phases sont donc couplées : sans lumière, le cycle de Calvin
s’arrête faute de combustible.
3. La chlorophylle : capter la lumière
La chlorophylle est le pigment photosynthétique principal, intégré aux membranes
des thylakoïdes. Elle absorbe préférentiellement les longueurs d’onde rouge
(~660 nm) et bleue (~430 nm) du spectre visible, et réfléchit
le vert — d’où la couleur verte des feuilles et tiges végétales.
Il existe plusieurs types de chlorophylles (a et b) et des pigments accessoires
(caroténoïdes, xanthophylles) qui absorbent d’autres longueurs d’onde et transmettent l’énergie
captée à la chlorophylle a. Ces pigments expliquent aussi les couleurs automnales : lorsque la
chlorophylle se dégrade en automne, les caroténoïdes (jaunes et orangés) deviennent visibles dans
les feuilles.
Le charbon et le pétrole sont de la photosynthèse fossilisée ! Il y a des
centaines de millions d’années, d’immenses forêts et des algues ont stocké l’énergie solaire dans
leur matière organique grâce à la photosynthèse. Après leur mort et des millions d’années de
pression et de chaleur, cette matière s’est transformée en combustibles fossiles. En brûlant du
pétrole, on libère donc de l’énergie solaire ancienne — et on remet dans l’atmosphère le CO₂
que ces organismes avaient extrait il y a des dizaines ou centaines de millions d’années.
4. Bilan énergétique : un anabolisme remarquable
La photosynthèse est un anabolisme : elle construit des molécules organiques
complexes (le glucose, C₆H₁₂O₆) à partir de molécules minérales simples (CO₂, H₂O), en stockant
l’énergie solaire sous forme d’énergie chimique dans les liaisons carbone-carbone.
Le rendement photosynthétique est d’environ 5 % seulement.
Ce rendement est limité par plusieurs facteurs :
- L’intensité lumineuse (facteur limitant principal en milieu ombragé).
- La concentration en CO₂ atmosphérique (~0,04 % actuellement).
- La température (les enzymes du cycle de Calvin ont un optimum vers 25–30 °C).
- La disponibilité en eau (une plante en stress hydrique ferme ses stomates et
arrête les échanges gazeux).
Malgré ce rendement modeste, la photosynthèse mondiale produit environ
120 milliards de tonnes de matière organique par an, faisant des organismes
photosynthétiques les piliers énergétiques de toute la biosphère.
5. Argument scientifique : Priestley (1771) et van Ingenhousz (1779)
Comment les scientifiques ont-ils prouvé expérimentalement que les plantes renouvellent l’air
et que cela nécessite la lumière et la chlorophylle ?
Question de départ : Les plantes renouvellent-elles l’air vicié par
la combustion, et si oui, dans quelles conditions précises ?
Protocole : Priestley (1771) place une bougie éteinte et une branche
de menthe dans un bocal hermétique : après quelques jours, la bougie peut à nouveau brûler.
Van Ingenhousz (1779) reprend l’idée et fait varier deux paramètres : la lumière (plantes à la
lumière vs. à l’obscurité) et la nature de la partie végétale testée (parties vertes vs. parties
non vertes : fleurs, racines).
Résultats observés : Des bulles (identifiées plus tard comme O₂) ne sont
produites que sur les parties vertes (feuilles, tiges vertes) et uniquement à la
lumière. À l’obscurité ou sur des parties non vertes, aucune bulle n’est observée.
Conclusion : La production de dioxygène qui « renouvelle l’air » nécessite
impérativement la chlorophylle (présente dans les parties vertes) et l’énergie lumineuse. Ces deux
expériences constituent la première démonstration expérimentale de la photosynthèse, confirmant
qu’il s’agit d’un phénomène biologique photo-dépendant.
Version courte, réutilisable en devoir surveillé (moins de 100 mots) :
« La photosynthèse est la réaction par laquelle les photoautotrophes (plantes, algues,
cyanobactéries) synthétisent du glucose à partir de CO₂, d’eau et de lumière, dans les
chloroplastes. Équation : 6 CO₂ + 6 H₂O + lumière → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. La phase lumineuse
(thylakoïdes) produit ATP, NADPH et O₂ ; le cycle de Calvin (stroma) fixe le CO₂ pour former
le glucose. C’est un anabolisme convertissant l’énergie solaire en énergie chimique. »
🧠 À retenir absolument
- Équation : 6 CO₂ + 6 H₂O + lumière → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.
- Siège : chloroplaste — phase lumineuse dans les thylakoïdes, cycle de
Calvin dans le stroma. - La chlorophylle absorbe le rouge et le bleu, et réfléchit le vert.
- C’est un anabolisme : matière organique construite à partir de matière
minérale + énergie lumineuse. - Van Ingenhousz (1779) : la production d’O₂ exige parties vertes
ET lumière.
❓ Questions fréquentes
Pourquoi les feuilles sont-elles vertes ?
La chlorophylle absorbe la lumière rouge et bleue pour réaliser la photosynthèse, mais elle
réfléchit la lumière verte. Notre œil perçoit cette lumière réfléchie, d’où la
couleur verte. Paradoxalement, le vert est la longueur d’onde la moins utile pour la photosynthèse !
Le dioxygène que nous respirons vient-il vraiment de la photosynthèse ?
Oui, à plus de 99 % ! L’oxygène atmosphérique est le sous-produit de la photolyse de l’eau
lors de la phase lumineuse. Avant l’apparition des cyanobactéries photosynthétiques (il y a
~2,7 milliards d’années), l’atmosphère terrestre contenait très peu de dioxygène libre.
Les plantes réalisent-elles aussi la respiration cellulaire ?
Oui, en permanence ! Les plantes réalisent la photosynthèse (uniquement à la lumière) et la
respiration cellulaire (jour et nuit). La nuit, seule la respiration fonctionne : les plantes
consomment de l’O₂ et rejettent du CO₂. Sur 24 h au soleil, une plante produit globalement
bien plus d’O₂ qu’elle n’en consomme.
Quelle est la différence entre la phase lumineuse et le cycle de Calvin ?
La phase lumineuse (thylakoïdes) capte l’énergie solaire et la convertit en ATP et NADPH,
en dégageant O₂ par photolyse de l’eau. Le cycle de Calvin (stroma) utilise cet ATP et ce NADPH
pour fixer le CO₂ atmosphérique et fabriquer le glucose. Les deux phases sont couplées et
interdépendantes.
Pourquoi le rendement photosynthétique est-il seulement de 5 % ?
Plusieurs pertes s’accumulent : une partie de la lumière est réfléchie ou traverse la feuille
sans être absorbée ; l’énergie absorbée est dissipée en chaleur lors des transferts électroniques ;
et les réactions enzymatiques du cycle de Calvin ont leur propre rendement limité. De plus, la
plante consomme elle-même une partie du glucose produit pour sa propre respiration cellulaire.
🚀 Pour aller plus loin
Tu veux approfondir les autres voies métaboliques ou comprendre la photosynthèse dans son
contexte plus large ?
- Leçon 2.2 — La respiration cellulaire : utiliser la matière pour produire l’énergie
- Leçon 1.2 — Autotrophie et hétérotrophie : deux stratégies nutritionnelles
- Leçon 3.1 — Les enzymes : des catalyseurs biologiques au cœur du métabolisme
Sources scientifiques : Campbell & Reece,
Biologie (10e éd., De Boeck) ; Alberts et al., Molecular Biology of the Cell
(6e éd.) ; Taiz & Zeiger, Plant Physiology (6e éd.).
Contenu pédagogique original — Réussir SVT. L’équipe Réussir SVT.