Chapitre 4 — La photosynthèse · Topic 1 · Leçon 1.1
Pourquoi les feuilles sont-elles vertes ? La réponse est dans leurs pigments : des molécules capables d’absorber certaines longueurs d’onde de la lumière et d’en réfléchir d’autres. Ce sont ces pigments — au premier rang desquels la chlorophylle — qui captent l’énergie solaire et lancent la photosynthèse. Cette leçon en décrit la nature, la diversité et la façon dont on peut les séparer et analyser leur spectre d’absorption.
🎯 Objectifs pédagogiques
À la fin de cette leçon, tu sauras :
- Nommer les principaux pigments chlorophylliens et leurs caractéristiques.
- Lire et interpréter un spectre d’absorption.
- Expliquer pourquoi les feuilles apparaissent vertes.
- Décrire le principe de la chromatographie sur couche mince.
🧭 Plan de la leçon
- Le chloroplaste, siège des pigments
- Les pigments chlorophylliens
- Les spectres d’absorption
- Séparer les pigments par chromatographie
1. Le chloroplaste, siège des pigments
La photosynthèse se déroule dans un organite spécialisé des cellules végétales : le chloroplaste. Il est délimité par une double membrane et contient à l’intérieur un réseau de sacs membranaires empilés appelés thylakoïdes, baignant dans un liquide dense, le stroma.
Les thylakoïdes sont le siège de la phase photochimique : c’est là que sont localisés les pigments photosynthétiques, enchâssés dans la membrane des thylakoïdes. Ces pigments forment des complexes protéiques appelés photosystèmes (PS I et PS II).
Pigment : molécule capable d’absorber certaines longueurs d’onde de la lumière visible. L’énergie lumineuse absorbée est convertie en énergie chimique utilisable par la cellule. Les pigments végétaux sont localisés dans les membranes des thylakoïdes du chloroplaste.
2. Les pigments chlorophylliens
On distingue deux grandes familles de pigments dans les chloroplastes :
Les chlorophylles — pigments verts, les plus abondants :
- Chlorophylle a : absorbe le bleu-violet (~430 nm) et le rouge (~680 nm). C’est le pigment central des photosystèmes, directement impliqué dans la conversion d’énergie.
- Chlorophylle b : absorbe le bleu (~450 nm) et le rouge-orangé (~640 nm). Pigment accessoire qui transfère l’énergie à la chlorophylle a.
Les caroténoïdes — pigments jaune-orangé accessoires :
- Carotènes et xanthophylles (lutéine, zéaxanthine) : absorbent le bleu et le bleu-violet (~400–500 nm). Ils transfèrent l’énergie aux chlorophylles et protègent celles-ci d’un excès de lumière (photoprotection).
- En automne, quand la chlorophylle se dégrade, les caroténoïdes restent et donnent aux feuilles leurs couleurs jaunes et orangées.
Les pigments végétaux ne sont pas que décoratifs ! La lutéine (un caroténoïde) est aussi présente dans la rétine humaine où elle protège les photorécepteurs de la lumière intense. Les caroténoïdes donnent aussi leur couleur aux carottes, tomates (lycopène) et flamants roses (qui les ingèrent via leur alimentation à base de crustacés).
3. Les spectres d’absorption
Un spectre d’absorption représente, pour chaque longueur d’onde de la lumière visible (400–700 nm), la fraction de lumière absorbée par un pigment. Plus l’absorbance est élevée, plus le pigment capte cette couleur.
Les chlorophylles présentent deux pics d’absorption majeurs :
- Dans le bleu-violet (430–450 nm)
- Dans le rouge (640–680 nm)
Le vert (~500–560 nm) n’est pratiquement pas absorbé par les chlorophylles — il est réfléchi. C’est pourquoi les feuilles nous apparaissent vertes : notre œil perçoit la lumière verte réfléchie.
Le spectre d’action de la photosynthèse (taux de photosynthèse en fonction de la longueur d’onde) est très proche du spectre d’absorption des chlorophylles : c’est une preuve directe que ce sont bien les chlorophylles qui captent la lumière utile à la photosynthèse.
⚠️ Spectre d’absorption ≠ spectre d’action. Le spectre d’absorption mesure quelles longueurs d’onde sont absorbées par un pigment pur. Le spectre d’action mesure quelles longueurs d’onde sont réellement efficaces pour déclencher la photosynthèse dans une feuille entière. Ils se ressemblent mais ne sont pas identiques (les pigments accessoires ajoutent des plages efficaces).
4. Séparer les pigments par chromatographie
La chromatographie sur couche mince (CCM) est la technique utilisée pour séparer et identifier les différents pigments d’un extrait de feuille. Son principe repose sur deux phases :
Phase stationnaire : une plaque de silice (la couche mince) sur laquelle l’extrait de pigments est déposé à la base.
Phase mobile : un solvant organique (éluant) qui monte par capillarité le long de la plaque. Chaque pigment migre à une vitesse différente selon son affinité relative pour la silice (polaire, retient les pigments polaires) et pour le solvant (entraîne les pigments apolaires).
Résultat : on obtient plusieurs taches de couleurs différentes, séparées verticalement. De bas en haut, on retrouve généralement : chlorophylle b (verte, polaire, peu mobile) → chlorophylle a (verte, moins polaire) → xanthophylles (jaunes) → carotènes (orangés, apolaires, les plus mobiles).
Le rapport frontal (Rf) caractérise chaque pigment : Rf = distance parcourue par le pigment ÷ distance parcourue par le front du solvant. Il est constant pour un pigment donné dans les mêmes conditions.
🧠 À retenir absolument
- Les pigments photosynthétiques sont localisés dans les thylakoïdes du chloroplaste.
- Pigments principaux : chlorophylle a (rouge + bleu), chlorophylle b (rouge-orangé + bleu), caroténoïdes (bleu-violet).
- Les feuilles sont vertes car les chlorophylles réfléchissent le vert au lieu de l’absorber.
- Le spectre d’absorption montre deux pics pour les chlorophylles : bleu (~430–450 nm) et rouge (~640–680 nm).
- La chromatographie sépare les pigments selon leur polarité et leur mobilité dans un solvant.
❓ Questions fréquentes
Pourquoi les plantes n’utilisent-elles pas la lumière verte, qui est pourtant très abondante dans la lumière solaire ?
Les chlorophylles ont évolué pour absorber principalement le bleu et le rouge. La lumière verte est réfléchie, non utilisée. C’est une question évolutive ouverte — certains scientifiques pensent que les premières algues photosynthétiques ont évolué dans des environnements où d’autres micro-organismes absorbaient déjà le vert, et qu’il était donc plus « rentable » d’absorber d’autres longueurs d’onde. Les caroténoïdes « récupèrent » une partie du bleu intermédiaire que les chlorophylles manquent.
Pourquoi les feuilles changent-elles de couleur en automne ?
En automne, la diminution de la lumière et du froid déclenchent la dégradation de la chlorophylle (qui est coûteuse à maintenir). Les caroténoïdes (jaunes et orangés), plus stables, persistent et révèlent leurs couleurs. Certaines plantes synthétisent aussi des anthocyanes (rouge vif) lors de cette phase. La couleur de chaque feuille est donc le résultat du rapport chlorophylle/caroténoïdes/anthocyanes à ce moment.
Quelle est la différence entre un pigment et une enzyme ?
Un pigment absorbe la lumière et transfère de l’énergie. Une enzyme catalyse des réactions chimiques sans absorber de lumière. Dans la photosynthèse, les deux interviennent : les pigments captent la lumière (phase photochimique), et les enzymes (notamment la RuBisCO) fixent le CO₂ en molécules organiques (phase biochimique, cycle de Calvin).
Un spectre d’absorption peut-il être différent selon l’espèce végétale ?
Oui, légèrement. Toutes les plantes terrestres possèdent chlorophylle a et b, avec des spectres très semblables. Mais certaines algues (rouges, brunes) ont des pigments accessoires différents (phycoérythrine, fucoxanthine) qui leur permettent de capter des longueurs d’onde spécifiques — utile en milieu aquatique où la lumière rouge ne pénètre pas en profondeur.