La photosynthèse est le processus utilisé par les plantes, les algues et certaines bactéries pour exploiter l'énergie de la lumière solaire 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.
Pendant la photosynthèse oxygénée, l'énergie lumineuse transfère les électrons de l'eau (H2O) en 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 en même temps que les glucides.
La photosynthèse oxygénée sert de 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 vertes de soufre, 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 dégage une mauvaise odeur d'œufs, produisant du soufre solide comme sous-produit."
Bien que les deux types de photosynthèse soient des affaires complexes à 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) en utilisant l'énergie lumineuse. Le résultat final est la formation d'une seule molécule de glucides (C6H12O6ou glucose) ainsi que six molécules d'oxygène et d'eau respirables chacune.
De même, les différentes réactions de photosynthèse anoxygénique peuvent être représentées comme une seule formule généralisée:
CO2 + 2H2A + Énergie lumineuse → + 2A + H2O
La lettre A dans l'équation est une variable et H2A représente le donneur d'électrons potentiel. Par exemple, A peut représenter du soufre dans le sulfure d'hydrogène donneur d'électrons (H2S), ont expliqué Govindjee et John Whitmarsh, biologistes des plantes 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
Les éléments cellulaires suivants sont essentiels à la photosynthèse.
Pigments
Les pigments sont des molécules qui confèrent de la couleur aux plantes, aux algues et aux bactéries, mais ils sont également responsables du piégeage efficace de la lumière du soleil. Les pigments de différentes couleurs absorbent différentes longueurs d'onde de la 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 observé chez les bactéries violettes et vertes, qui effectuent une photosynthèse anoxygénique.
- Caroténoïdes: ces pigments rouges, orange ou jaunes absorbent la lumière vert bleuâtre. 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. On les voit dans les cyanobactéries et les algues rouges.
Plastides
Les organismes eucaryotes photosynthétiques contiennent des organites appelés plastes dans leur cytoplasme. Les plastes à double membrane dans les plantes et les algues sont appelés plastes primaires, tandis que la variété à membranes multiples trouvée dans le plancton est appelée plastes secondaires, selon un article paru dans la revue Nature Education par Cheong Xin Chan et Debashish Bhattacharya, chercheurs à l'Université Rutgers. dans le 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; en particulier 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 originaires de cellules bactériennes primitives au cours 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 à Live Science. Baum a expliqué que l'analyse des gènes des chloroplastes montre qu'il appartenait autrefois au 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 sont encore un sujet de débat.
Antennes
Les molécules pigmentaires sont associées aux 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.
En fin de compte, l'énergie lumineuse doit être transférée vers un complexe pigment-protéine qui peut la 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 réalisée lorsqu'un pigment de chlorophylle expulse un électron, qui peut ensuite passer à un récipient approprié.
Centres de réaction
Les pigments et les protéines, qui convertissent l'énergie lumineuse en énergie chimique et amorcent le processus de transfert d'électrons, sont appelés centres de réaction.
Le processus photosynthétique
Les réactions de la photosynthèse des plantes sont divisées en celles qui nécessitent la présence de la lumière solaire et celles qui n'en nécessitent pas. Les deux types de réactions se produisent dans les chloroplastes: les réactions dépendantes de la lumière dans le thylacoïde et les réactions indépendantes de la lumière dans le stroma.
Réactions dépendantes de la lumière (aussi appelé réactions lumineuses): lorsqu'un photon de lumière frappe 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 d'origine", a déclaré Baum à Live Science. "Cela n'est pas facile à éviter, car la chlorophylle a maintenant un" trou d'électrons "qui tend à tirer sur les électrons voisins."
L'électron libéré parvient à s'échapper en voyageant à travers une chaîne de transport d'électrons, qui génère l'énergie nécessaire à la production d'ATP (adénosine triphosphate, source d'énergie chimique pour les cellules) et de NADPH. Le "trou d'électrons" dans le pigment de chlorophylle d'origine est rempli en prenant un électron de l'eau. En conséquence, l'oxygène est libéré dans l'atmosphère.
Réactions indépendantes de la lumière (aussi appelé réactions sombres et connu 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 déclenchent les réactions sombres. Le cycle de Calvin comprend trois étapes de réaction chimique: la fixation, la réduction et la régénération du carbone. Ces réactions utilisent de l'eau et des catalyseurs. Les atomes de carbone du dioxyde de carbone sont «fixes», 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 de 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 et anaérobies (sans oxygène) puis exposées à la lumière.L'équipe a imaginé un moyen d'étendre la production d'hydrogène des algues vertes jusqu'à trois jours, comme indiqué dans leur Étude de 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 capter 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 de la lumière 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 combustibles liquides en 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. Vu que la lumière du soleil, les plantes et les bactéries sont omniprésentes, exploiter le pouvoir de la photosynthèse est une étape logique pour créer des carburants à combustion propre et neutres en carbone.
Ressources additionnelles:
