Photosynthèse : production de matière organique et dégagement d’O₂
La photosynthèse est l’une des réactions les plus importantes de la biosphère.
Elle est à l’origine de la quasi-totalité de la matière organique qui nourrit le vivant,
et de l’oxygène que tu respires. Sans la photosynthèse — réalisée par les plantes, les algues
et certaines bactéries — il n’existerait ni vie animale, ni atmosphère telle que nous la connaissons.
🎯 Objectifs de la leçon
- Écrire et interpréter l’équation de la photosynthèse
- Distinguer phase lumineuse et phase sombre
- Comprendre le rôle de l’O₂ produit et son origine
- Connaître les conditions nécessaires à la photosynthèse
📋 Plan
- L’équation bilan de la photosynthèse
- Les deux phases de la photosynthèse
- Facteurs influençant la photosynthèse
1. L’équation bilan de la photosynthèse
La photosynthèse est la transformation de matière minérale (CO₂ et H₂O) en matière organique (glucose)
grâce à l’énergie lumineuse. Cette réaction libère de l’oxygène comme sous-produit.
☀️ Équation bilan de la photosynthèse
6 CO₂ + 6 H₂O + énergie lumineuse → C₆H₁₂O₆ (glucose) + 6 O₂
→ La plante capte le CO₂ de l’air et l’eau du sol.
→ Elle produit du glucose (matière organique utilisée comme source d’énergie et de carbone).
→ Elle libère de l’O₂, issu de la décomposition des molécules d’eau.
💡 Comparaison avec la respiration cellulaire
La photosynthèse et la respiration cellulaire sont des réactions quasi-inverses :
- Photosynthèse : CO₂ + H₂O + lumière → glucose + O₂ (stocke de l’énergie)
- Respiration : glucose + O₂ → CO₂ + H₂O + ATP (libère de l’énergie)
La photosynthèse construit, la respiration démolit — ensemble, elles bouclent le cycle du carbone.
2. Les deux phases de la photosynthèse
La photosynthèse se déroule en deux grandes phases successives dans le chloroplaste.
| Phase | Lieu (dans le chloroplaste) | Ce qui entre | Ce qui sort |
|---|---|---|---|
| Phase lumineuse (ou phase photochimique) |
Thylakoïdes (membranes internes grana) | H₂O + lumière | O₂ (libéré dans l’atmosphère) + ATP + NADPH (molécules énergétiques) |
| Phase sombre (ou Cycle de Calvin) |
Stroma (milieu interne) | CO₂ + ATP + NADPH | Glucose (C₆H₁₂O₆) |
🔍 D’où vient l’O₂ produit ?
L’oxygène dégagé lors de la photosynthèse provient de la photolyse de l’eau (destruction des molécules d’eau par la lumière) :
2 H₂O → 4 H⁺ + 4 e⁻ + O₂. Ce n’est pas le CO₂ qui est « découpé » pour libérer l’O₂, mais bien les molécules d’eau.
Cette découverte, due à Cornelis van Niel dans les années 1930, était contre-intuitive mais a été confirmée
depuis par des expériences utilisant des isotopes marqués (¹⁸O).
3. Facteurs influençant la photosynthèse
La photosynthèse est sensible à plusieurs facteurs environnementaux. Son efficacité dépend de la disponibilité
de chacun de ses « ingrédients ».
| Facteur | Effet sur la photosynthèse | Exemple |
|---|---|---|
| Intensité lumineuse | Augmente avec la lumière jusqu’à un plateau (saturation lumineuse) | En forêt dense, les plantes du sous-bois ont une photosynthèse limitée |
| Concentration en CO₂ | Augmente avec le CO₂ jusqu’à saturation ; le CO₂ est souvent le facteur limitant | Dans les serres, on enrichit l’air en CO₂ pour booster la croissance |
| Température | Optimale entre 20–30 °C ; ralentit à basse T° (enzymes moins actives) ; s’arrête à haute T° (enzymes dénaturées) | La photosynthèse est quasi-nulle en hiver chez les arbres feuillus |
| Disponibilité en eau | Manque d’eau → fermeture des stomates → arrêt des échanges gazeux → baisse de photosynthèse | Pendant les canicules, les plantes ferment leurs stomates et leur photosynthèse chute |
🌍 Photosynthèse et bilan atmosphérique
La photosynthèse mondiale absorbe environ 120 milliards de tonnes de CO₂ par an,
soit plus de 10 fois les émissions humaines actuelles (~37 Gt/an).
Mais la respiration des plantes et des animaux en libère presque autant.
Le déséquilibre actuel est dû aux émissions fossiles qui s’ajoutent à ce cycle naturel,
saturant la capacité d’absorption de la biosphère.
🧠 À retenir absolument
- Équation : 6 CO₂ + 6 H₂O + lumière → glucose (C₆H₁₂O₆) + 6 O₂
- Lieu : dans les chloroplastes (thylakoïdes pour la phase lumineuse, stroma pour le cycle de Calvin).
- L’O₂ libéré vient de la photolyse de l’eau, pas du CO₂.
- La photosynthèse est stimulée par la lumière, le CO₂ et des températures modérées (20–30 °C), et freinée par le manque d’eau (fermeture des stomates).
❓ Questions fréquentes
Les algues font-elles de la photosynthèse ?
Oui ! Les algues (unicellulaires comme les diatomées ou pluricellulaires comme les algues brunes et rouges des côtes) réalisent la photosynthèse exactement comme les plantes terrestres. Le phytoplancton marin est même responsable d’environ 50 % de la photosynthèse mondiale et de la production de la moitié de l’O₂ atmosphérique. Les océans sont donc un poumon planétaire tout aussi important que les forêts.
Pourquoi le cycle de Calvin s’appelle-t-il « phase sombre » ?
La « phase sombre » ne signifie pas qu’elle se déroule dans l’obscurité ou uniquement la nuit ! Elle peut très bien avoir lieu à la lumière. Ce nom (ancien) voulait dire qu’elle ne nécessite pas directement la lumière pour fonctionner — elle utilise les molécules énergétiques (ATP et NADPH) produites par la phase lumineuse. On préfère aujourd’hui l’appeler « Cycle de Calvin » ou « phase de fixation du CO₂ ».
Peut-on faire de la photosynthèse avec de la lumière artificielle ?
Oui ! Les plantes répondent à la lumière selon sa longueur d’onde, pas selon sa source. Des lampes LED à spectre rouge et bleu permettent une photosynthèse très efficace — c’est le principe des cultures en serres LED et de l’agriculture verticale. Les plantes d’intérieur sous éclairage artificiel adéquat peuvent pousser normalement, sans lumière du jour.
Le glucose produit par la photosynthèse est-il stocké dans la plante ?
Le glucose est rapidement transformé en différentes formes de stockage ou utilisé immédiatement. Dans les feuilles, il est souvent converti en saccharose (sucre de table) pour être transporté via le phloème. Dans les organes de réserve (graines, tubercules, racines), il est polymérisé en amidon. Dans la cellulose des parois cellulaires, il forme les fibres végétales. Et partout dans la plante, il est respiré pour produire de l’ATP.
Comment sait-on que l’O₂ vient de l’eau et non du CO₂ ?
Grâce aux isotopes marqués. Si on fournit aux plantes de l’eau contenant de l’¹⁸O (oxygène lourd), l’O₂ dégagé est enrichi en ¹⁸O. Si on fournit du CO₂ marqué (C¹⁸O₂), l’O₂ dégagé ne contient pas d’¹⁸O. Ces expériences, réalisées dans les années 1940, ont définitivement établi que l’oxygène produit vient bien de la photolyse de l’eau.