Comment fonctionne la photosynthèse : la lumière changée en sucre

Une feuille d’août, en plein soleil, ne fait rien de visible. Elle mène pourtant l’une des opérations chimiques les plus importantes de la planète : elle prend du gaz carbonique dans l’air, de l’eau dans le sol, et en fait du sucre, en rejetant de l’oxygène au passage. On résume souvent la photosynthèse en une équation apprise au collège ; elle se comprend mieux comme une chaîne de montage en deux ateliers. Voici ce qui entre dans la feuille, ce qui en sort, comment la lumière devient énergie chimique, et pourquoi ce procédé vieux de plusieurs milliards d’années reste peu efficace.

Ce qui entre, ce qui sort

La ressource consacrée à la photosynthèse par Planet-Vie, le site de biologie de l’ENS, le rappelle : les plantes sont capables d’utiliser l’énergie de la lumière pour fabriquer des molécules organiques à partir de composés minéraux. Le gaz carbonique entre par les stomates, ces minuscules pores des feuilles ; l’eau monte des racines par la sève brute ; la lumière est captée par les pigments. En sortent des glucides, et de l’oxygène.

D’où vient cet oxygène ? On a longtemps cru qu’il était arraché au gaz carbonique. Des expériences menées avec de l’oxygène 18, un isotope que l’on peut suivre à la trace, ont montré qu’il provient de l’eau. La plante casse des molécules d’eau, garde leurs électrons et leurs protons, et relâche l’oxygène comme un déchet. L’air que nous respirons est, pour une large part, le résidu de cette opération.

Premier atelier : capter la lumière et casser l’eau

Tout se passe dans les chloroplastes, de petits compartiments verts logés dans les cellules de la feuille. Ils renferment un empilement de membranes, les thylakoïdes, où se tient le premier atelier.

Là, la chlorophylle absorbe la lumière, surtout, précise Planet-Vie, dans le bleu et dans le rouge, tandis que le vert est en grande partie renvoyé : d’où la couleur des feuilles. D’autres pigments, les caroténoïdes, jaunes et orangés, élargissent la gamme de lumière captée et protègent l’appareil des excès de soleil ; ce sont eux qui apparaissent quand la chlorophylle se retire, comme nous l’expliquions à propos des feuilles qui changent de couleur en automne.

L’énergie captée alimente deux grands complexes moléculaires, les photosystèmes I et II, découverts dans les années 1960. Comme le rappelle un article du Journal du CNRS consacré à cette réaction méconnue, le photosystème I compte à lui seul plus de 100 composants différents. Le photosystème II arrache des électrons à l’eau, d’où la libération d’oxygène ; ces électrons circulent ensuite d’un complexe à l’autre, et leur passage sert à fabriquer deux molécules riches en énergie, l’ATP et le NADPH. La lumière est devenue de l’énergie chimique utilisable par la cellule.

Second atelier : fixer le carbone de l’air

Le second atelier se tient dans le stroma, le liquide qui baigne les thylakoïdes. Il n’utilise pas directement la lumière, mais consomme l’ATP et le NADPH du premier. Dès 1932, Robert Emerson et William Arnold avaient montré l’existence de ces deux types de réactions : les unes rapides et liées à la lumière, les autres plus lentes.

Au cœur de ce second atelier, une enzyme, la Rubisco, accroche le gaz carbonique à une molécule déjà présente dans la cellule. Une série de réactions en boucle, le cycle de Calvin, du nom du chimiste américain Melvin Calvin, transforme ensuite ce carbone en sucres. Ceux-ci deviennent de l’amidon de réserve, de la cellulose pour les parois, ou partent nourrir racines, fruits et graines.

Une invention bactérienne au rendement modeste

La photosynthèse n’a pas été inventée par les plantes. Selon le CNRS, elle est apparue il y a plus de 3,5 milliards d’années, chez des bactéries. Les chloroplastes eux-mêmes en descendent : le CEA rappelle qu’ils proviennent d’une endosymbiose survenue il y a plus d’un milliard d’années entre une cellule et une bactérie qu’elle a hébergée au lieu de la digérer. Cette alliance a donné les algues puis les plantes, qui, avec le plancton des océans, assurent la production d’oxygène comptée parmi les grands services rendus par la biodiversité.

La machine n’est pas pour autant un modèle d’efficacité. Le CNRS souligne que les plantes n’utilisent qu’une petite partie de l’énergie lumineuse disponible, le reste étant dissipé sous forme de chaleur. La Rubisco est lente et fixe parfois de l’oxygène à la place du gaz carbonique, une erreur qui coûte de l’énergie. Des plantes des milieux chauds comme le maïs, ou arides comme les cactus, ont développé des variantes qui concentrent le gaz carbonique autour de l’enzyme ou n’ouvrent leurs stomates que la nuit. Améliorer ce rendement reste un grand chantier de la recherche végétale.

C’est aussi la photosynthèse qui permet à la vie de reconquérir les terrains nus : sur les coulées de lave refroidies d’un volcan, les premiers colonisateurs sont des lichens, associations d’un champignon et d’une algue qui photosynthétise pour deux. Lors de votre prochaine promenade, comparez une feuille exposée au soleil et une autre à l’ombre du même arbre : la première, plus épaisse, est taillée pour la pleine lumière, la seconde, plus fine et souvent plus large, pour en attraper les restes.