Cours – Une conversion naturelle de l’énergie solaire : la photosynthèse.

Introduction : 

Si dans le vivant, le premier maillon des écosystèmes correspond à des êtres autotrophes (qui élaborent leur matière organique à partir de matière minérale), il est très largement dépendant du Soleil, ne serait-ce que parce que la photosynthèse est un métabolisme qui est le plus représenté sur notre planète. Ainsi, cette photosynthèse permet l’élaboration de matière organique (du sucre) à partir de matière minérale (du CO2 et de l’eau) et ce, grâce à l’énergie solaire qui est transformée en énergie chimique. 

Photo de couverture :  d’après  www.anatomybox.com

Problèmes : Comment se répartit le vivant sur Terre et par rapport au rayonnement solaire ? Quelle est la part de rayonnement assimilée par les plantes ? Comment l’énergie lumineuse est captée par les plantes et est elle convertie en matière organique ? Comment cette matière organique peut être transformée en  énergie fossile ?

I- Le rayonnement solaire et les producteurs primaires

A- L’organisation du vivant et l’entrée d’énergie dans la biosphère

Doc 1 : Transfert de matière dans l’écosystème

Sur terre, la biosphère est composé d’êtres vivants. Le rayonnement solaire est la source d’énergie massivement utilisée par les plantes chlorophylliennes pour fabriquer leur matière organique à partir de matière minérale grâce à la photosynthèse (ce sont des êtres photo-autotrophes). Ces dernières constituent donc le premier maillon de fabrication de la matière organique, d’ailleurs on les qualifie pour cette raison de producteurs primaires. Cela signifie aussi que l’ensemble des autres êtres vivants dépendent de l’élaboration de cette première matière organique en l’utilisant pour fabriquer la leur (ce sont des êtres hétérotrophes). On les qualifie de consommateurs  (ils peuvent être primaires, secondaires tertiaires et même quaternaires) ou de producteurs secondaires. On se rend compte que l’entrée d’énergie solaire à l’échelle de la Terre dans la biosphère ne représente que 0,1% de la puissance solaire perçue et elle se fait par le biais des organismes chlorophylliens.

B- Notion de production primaire

La productivité primaire peut s’observer par satellite et elle dépend de la quantité d’énergie solaire reçue, ce qui est très net au niveau des continents, mais également de la ressource en matière minérale ce qui s’observe mieux au niveau des océans (embouchures de fleuves ou zones de up-welling).

 Complément : Up-welling : 

C’est une remontée d’eau profonde des fonds océaniques, faisant remonter une grande quantité de nutriments minéraux. De ce fait il y a une explosion de plancton en surface (phyto et zoo) à ces endroits. Par cette explosion de productivité primaire à ces endroits, les poissons sont nombreux et ces zones sont bien connues des pêcheurs.

phytoplancton d’après JBoscq

On distingue : 

la Production Primaire Brute (PPB) : énergie totale assimilée par les producteurs primaires par le biais de la photosynthèse ; On peut donc dire que c’est la quantité de carbone fixée dans la végétation par la photosynthèse.

la Production Primaire Nette (PPN) : quantité d’énergie accumulée dans la biomasse de la plante uniquement pour sa croissance et sa reproduction.

PPN = PPB – respiration

En unité de masse par unité de temps (généralement t/an, mais cela peut varier, tout dépend à quelle échelle on fait les calculs.

II- L’entrée de la matière organique dans la biosphère grâce à la photosynthèse.

A- Rayonnement solaire et photosynthèse.

La photosynthèse à l’échelle de la plante, s’effectue surtout dans la feuille, au niveau du parenchyme foliaire, dans la cellule chlorophyllienne et plus exactement au niveau du chloroplaste.

Rappel : équation bilan de la photosynthèse (NE PAS L’OUBLIER) :  

Chloroplaste

6 CO2 + 6 H2O ——————————> C6H12O6 + 6 O2 

Energie lumineuse

            Dioxyde de carbone   eau                                     glucose         dioxygène

Doc 2 : Devenir de l’énergie incidente sur une feuille

D’après le livre scolaire – 1ère enseignement scientifique

A l’échelle d’une feuille, 99% de l’énergie lumineuse est soit réfléchie, soit dissipée à travers les tissus (transmission) ou vers le sol, soit absorbés pour l’évapotranspiration, pour l’échauffement ou même la fluorescence des pigments photosynthétiques. Seul 1% de l’énergie lumineuse reçue à sa surface est prise par la photosynthèse.

B- Absorption des pigments photosynthétiques et photosynthèse

Dans le chloroplaste, les pigments photosynthétiques sont enchassés dans la membrane des thylakoïdes. Ces pigments sont dissociables par chromatographie. Quand on observe une solution de pigments photosynthétiques et les longueurs d’ondes de la lumière qui sont retenues par cette dernière, on parle de spectre d’absorption.  on se rend compte que l’intensité photosynthétique (ou activité) correspond parfaitement à ce spectre d’absorption.

Doc 3 : Spectre d’absorption des pigments photosynthétiques et intensité photosynthétique

d’après http://svt.ac-dijon.fr/schemassvt

Doc 4 : Cellule chlorophyllienne, chloroplaste et pigments photosynthétiques

C- Conversion d’énergie solaire en énergie chimique

La photosynthèse permet grâce à l’énergie lumineuse l’élaboration de glucose à partir de matière minérale.  Or le glucose est la première molécule permettant de générer de l’énergie chimique, grâce à la respiration ou la fermentation. De plus, ce glucose peut aussi être à l’origine de la fabrication d’autres molécules (lipides, acides nucléiques…)

Rappel : équations bilans de la respiration et de la fermentation (NE PAS L’OUBLIER) : 

III- La biomasse peut aussi être fossilisée avec le temps

Dans quelques cas particuliers et exceptionnels (forte productivité primaire, effondrement de terrain et anoxie, …), la biomasse de producteurs primaires peut être accumulée dans des sédiments. A l’air libre, cette biomasse serait dégradée par des décomposeurs. Mais en anoxie, et grâce à des microorganismes, la biomasse est transformée en kérogène. Ce processus est lent et peut mettre des millions d’années.

Par la suite, les sédiments s’enfoissent et ce kérogène est soumis à des température de plus en plus élevée tout en restant en milieu confiné. Il est alors transformé en combustibles fossiles : 

  • Si la biomasse a une origine océanique ou lacustre (phytoplancton) alors le kérogène donnera essentiellement du pétrole ou du gaz.
  • Si la biomasse est d’origine continentale (anciennes forêts primaires), alors le kérogène donnera surtout du charbon.

Définitions : Kérogène : Matière organique complexe contenue dans des sédiments et susceptible de donner, par pyrogénation, des hydrocarbures analogues à ceux d’un pétrole lourd, du gaz ou du charbon.

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