Photosynthèse : comment les plantes transforment la lumière en vie

Chaque seconde, les plantes de la planète captent environ 4 000 tonnes de dioxyde de carbone et les transforment en matière organique. Cette usine chimique silencieuse, qui fonctionne depuis plus de trois milliards d'années, porte un nom : la photosynthèse. Sans elle, pas d'oxygène dans l'atmosphère, pas de nourriture dans nos assiettes, pas de combustibles fossiles sous nos pieds. Tout ce qui vit sur Terre dépend, directement ou indirectement, de ce mécanisme extraordinaire.

La photosynthèse peut se résumer en une équation chimique simple :

6 CO₂ + 6 H₂O + lumière → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Six molécules de dioxyde de carbone et six molécules d'eau, sous l'action de l'énergie lumineuse, produisent une molécule de glucose et six molécules d'oxygène. Cette équation, connue depuis les travaux de Jan Ingenhousz au XVIIIe siècle, masque une réalité biochimique d'une complexité remarquable.

L'énergie nécessaire à cette transformation provient du soleil. Les plantes n'utilisent qu'environ 1 à 2 % de l'énergie solaire qui atteint la surface terrestre, selon l'Encyclopédie de l'environnement. Mais cette fraction suffit à alimenter la quasi-totalité des chaînes alimentaires de la planète.

Anatomie du chloroplaste

La photosynthèse se déroule dans des organites cellulaires spécialisés : les chloroplastes. Chaque cellule d'une feuille en contient entre 20 et 100. Ces structures, d'environ 5 à 10 micromètres de diamètre, possèdent une organisation interne très élaborée :

• La membrane externe : enveloppe perméable qui délimite le chloroplaste
• La membrane interne : enveloppe sélective qui contrôle les échanges de molécules
• Le stroma : matrice aqueuse riche en enzymes où se déroule le cycle de Calvin
• Les thylakoïdes : système de membranes internes empilées en granas, siège de la phase lumineuse

C'est dans la membrane des thylakoïdes que se trouve la chlorophylle, le pigment vert responsable de la capture de la lumière. Selon le cours de biologie végétale de l'université, chaque chloroplaste contient des millions de molécules de chlorophylle organisées en complexes collecteurs de lumière appelés photosystèmes.

La chlorophylle : capteur solaire du vivant

La chlorophylle n'absorbe pas toutes les longueurs d'onde de la lumière visible de la même manière. Comme le précise l'encyclopédie Larousse, la chlorophylle a absorbe principalement dans le bleu (autour de 440 nm) et le rouge (autour de 680 nm). C'est précisément parce qu'elle réfléchit les longueurs d'onde vertes que les feuilles nous apparaissent vertes.

Mais la chlorophylle a n'agit pas seule. D'autres pigments dits "accessoires" élargissent le spectre d'absorption :

Cette diversité de pigments permet aux plantes de capter une gamme plus large du spectre lumineux et d'optimiser leur rendement photosynthétique.

Le fonctionnement des photosystèmes

La première étape de la photosynthèse, appelée phase lumineuse (ou phase photochimique), se déroule dans les membranes des thylakoïdes. Comme l'explique Planet-Vie (ENS), elle repose sur deux complexes protéiques majeurs : le photosystème II (PSII) et le photosystème I (PSI).

Le processus se déroule en plusieurs étapes enchaînées :

1. Absorption de la lumière : les pigments antennes du PSII captent des photons et transmettent leur énergie à un centre réactionnel contenant une paire de chlorophylles a spéciales (P680)
2. Photolyse de l'eau : le PSII utilise cette énergie pour arracher des électrons à des molécules d'eau. Cette réaction libère de l'oxygène (O₂), des protons (H⁺) et des électrons
3. Transport d'électrons : les électrons circulent le long d'une chaîne de transporteurs membranaires — plastoquinone, cytochrome b6f, plastocyanine — avant d'atteindre le PSI
4. Gradient de protons : ce transport crée un gradient de concentration en protons de part et d'autre de la membrane thylakoïdienne
5. Synthèse d'ATP : le gradient de protons alimente une enzyme, l'ATP synthase, qui produit de l'ATP (adénosine triphosphate) — la monnaie énergétique universelle du vivant
6. Production de NADPH : au niveau du PSI, un second photon excite les électrons, qui sont finalement transférés au NADP⁺ pour former du NADPH

Le bilan de la phase lumineuse

Au terme de cette phase, la lumière a été convertie en deux formes d'énergie chimique : l'ATP et le NADPH. L'oxygène libéré n'est qu'un sous-produit de la photolyse de l'eau — mais quel sous-produit : c'est grâce à cette réaction que l'atmosphère terrestre contient 21 % d'oxygène.

Trois étapes pour construire un sucre

La seconde phase, souvent appelée "phase sombre" ou "phase indépendante de la lumière", se déroule dans le stroma du chloroplaste. Contrairement à ce que son nom suggère, elle n'a pas besoin d'obscurité : elle peut fonctionner à la lumière, mais n'en dépend pas directement.

Cette phase correspond au cycle de Calvin, du nom du biochimiste américain Melvin Calvin qui en élucida les étapes dans les années 1950, un travail récompensé par le prix Nobel de chimie en 1961. D'après l'Encyclopédie de l'environnement, le cycle de Calvin se décompose en trois étapes :

1. La fixation du carbone (carboxylation)

L'enzyme clé du cycle, la RuBisCO (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygénase), fixe une molécule de CO₂ sur une molécule à cinq carbones, le ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP). Cette réaction produit deux molécules à trois carbones : l'acide 3-phosphoglycérique (3-PGA).

La RuBisCO est la protéine la plus abondante sur Terre. Elle représente à elle seule environ 25 % des protéines foliaires et constitue environ 50 % des protéines solubles d'une feuille.

2. La réduction

Les molécules de 3-PGA sont réduites en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P) grâce à l'ATP et au NADPH produits lors de la phase lumineuse. C'est lors de cette étape que l'énergie solaire, stockée sous forme chimique, est transférée au carbone fixé.

3. La régénération du RuBP

Sur six molécules de G3P produites par trois tours du cycle, cinq sont recyclées pour régénérer le ribulose-1,5-bisphosphate, permettant au cycle de se poursuivre. Une seule molécule de G3P quitte le cycle — c'est le gain net en carbone. Il faut donc six tours du cycle de Calvin pour produire une molécule de glucose à six carbones.

Le bilan du cycle de Calvin

Pour fixer six molécules de CO₂ et produire une molécule de glucose, le cycle de Calvin consomme 18 molécules d'ATP et 12 molécules de NADPH. Cette dépense énergétique considérable explique pourquoi les plantes ont besoin d'une quantité importante de lumière pour croître.

Un puits de carbone planétaire

La photosynthèse constitue le principal mécanisme de fixation du carbone atmosphérique par le vivant, un maillon essentiel du cycle du carbone. Selon les estimations scientifiques relayées par l'Encyclopédie de l'environnement, les organismes photosynthétiques fixent chaque année entre 115 et 120 milliards de tonnes de carbone à partir du CO₂ atmosphérique. Sur ce total, environ 60 milliards de tonnes sont fixées par la végétation terrestre et 60 milliards par le phytoplancton océanique.

Une étude plus récente, menée par une équipe de l'université Cornell et relayée par notre-planete.info, a réévalué cette productivité primaire brute à 157 milliards de tonnes de carbone par an — soit 31 % de plus que les estimations précédentes réalisées il y a quarante ans. Les plantes absorberaient donc bien plus de CO₂ qu'on ne le pensait.

Photosynthèse et changement climatique

Ce rôle de puits de carbone fait de la photosynthèse un acteur central dans la régulation du climat. Comme le souligne Futura Sciences, l'augmentation du CO₂ atmosphérique stimule temporairement la photosynthèse — un phénomène appelé "effet de fertilisation par le CO₂". Les plantes poussent plus vite quand il y a davantage de CO₂ disponible.

Mais cette compensation a ses limites. Plusieurs facteurs contraignent la capacité d'absorption des végétaux :

• La disponibilité en eau : la sécheresse force les stomates à se fermer, bloquant l'entrée du CO₂
• La température : au-delà de 35 à 40 °C, les enzymes de la photosynthèse (dont la RuBisCO) se dénaturent
• Les nutriments du sol : azote et phosphore limitent la croissance végétale, même avec un excès de CO₂
• La déforestation : la destruction des forêts tropicales réduit la surface photosynthétique planétaire, aggravant la crise de la biodiversité

Selon l'IPSL (Institut Pierre-Simon Laplace), les activités humaines ont profondément perturbé le cycle du carbone. Les émissions de CO₂ d'origine fossile (environ 37 milliards de tonnes par an) — dues aux gaz à effet de serre d'origine humaine — dépassent largement la capacité d'absorption supplémentaire des écosystèmes. Résultat : la concentration atmosphérique de CO₂ est passée de 280 ppm (ère préindustrielle) à plus de 420 ppm aujourd'hui.

Toutes les plantes ne réalisent pas la photosynthèse de la même manière. Trois stratégies distinctes ont évolué en réponse aux conditions environnementales.

Les plantes en C3

La majorité des plantes terrestres (environ 85 %) utilisent le cycle de Calvin classique. La RuBisCO fixe le CO₂ directement dans les cellules du mésophylle, produisant un composé à trois carbones (3-PGA). C'est le mécanisme le plus ancien et le plus répandu. Exemples : blé, riz, soja, arbres de nos forêts tempérées.

Inconvénient : par temps chaud et sec, la RuBisCO fixe de l'oxygène au lieu du CO₂ (photorespiration), ce qui gaspille de l'énergie et réduit le rendement de 20 à 30 %.

Les plantes en C4

Certaines plantes tropicales et subtropicales ont développé un mécanisme de concentration du CO₂. Une enzyme, la PEP carboxylase, fixe d'abord le CO₂ dans les cellules du mésophylle sous forme d'un composé à quatre carbones (oxaloacétate). Ce composé est ensuite transféré dans les cellules de la gaine périvasculaire, où le CO₂ est libéré en forte concentration pour alimenter le cycle de Calvin.

Cette stratégie élimine quasiment la photorespiration et confère un avantage considérable en conditions chaudes et ensoleillées. Exemples : maïs, canne à sucre, sorgho, mil.

Les plantes CAM

Les plantes à métabolisme acide crassulacéen (CAM) ont poussé l'adaptation encore plus loin. Elles ouvrent leurs stomates la nuit pour fixer le CO₂ (sous forme d'acide malique) et les ferment le jour pour limiter les pertes en eau. Le CO₂ est ensuite libéré en interne pendant la journée pour alimenter le cycle de Calvin.

Cette stratégie est idéale pour les milieux arides. Exemples : cactus, agaves, orchidées, ananas.

Les scientifiques cherchent depuis des décennies à reproduire la photosynthèse en laboratoire pour produire de l'énergie propre. L'enjeu est colossal : si l'on parvenait à capter et convertir l'énergie solaire avec l'efficacité de la photosynthèse — voire mieux —, on disposerait d'une source d'énergie quasi illimitée.

Plusieurs pistes de recherche sont explorées :

• Les cellules photoélectrochimiques : elles utilisent des catalyseurs inspirés des photosystèmes pour décomposer l'eau en hydrogène et oxygène sous l'effet de la lumière
• Les feuilles artificielles : des dispositifs qui imitent la structure d'une feuille pour produire directement des carburants liquides à partir de CO₂ et d'eau
• L'amélioration de la RuBisCO : des équipes de recherche tentent de modifier génétiquement cette enzyme pour réduire la photorespiration et augmenter les rendements agricoles

Ces travaux restent au stade expérimental, mais ils illustrent à quel point la photosynthèse continue d'inspirer l'innovation scientifique.

La photosynthèse est bien plus qu'une réaction chimique. C'est le processus fondamental qui rend la vie terrestre possible. En convertissant l'énergie lumineuse en énergie chimique, en fixant le carbone atmosphérique et en libérant l'oxygène que nous respirons, les organismes photosynthétiques assurent depuis des milliards d'années les conditions nécessaires à la vie.

Comprendre ce mécanisme — ses deux phases, ses acteurs moléculaires, ses variantes évolutives — permet aussi de mesurer l'ampleur du défi climatique : la photosynthèse absorbe une partie considérable de nos émissions de CO₂, mais cette capacité a des limites que le réchauffement, la déforestation et la dégradation des sols menacent directement. C'est l'un des services écosystémiques les plus fondamentaux que la nature nous rend.

• Encyclopédie de l'environnement — Lumière sur la photosynthèse
• Encyclopédie de l'environnement — Le chemin du carbone dans la photosynthèse
• Photosynthèse — Wikipédia
• Planet-Vie (ENS) — La photosynthèse : généralités
• IPSL — Un cycle du carbone perturbé par l'Homme
• Notre-planète.info — Les plantes absorbent plus de CO₂ que prévu
• Futura Sciences — Les plantes nous font gagner du temps contre le réchauffement
• Larousse — Photosynthèse