la Photosynthèse est le processus utilisé par les plantes, les algues et certaines bactéries à exploiter l’énergie du soleil 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 de photosynthèse: la photosynthèse oxygénique et anoxygéniques ne la photosynthèse., Les principes généraux de la photosynthèse anoxygénique et oxygénique sont très similaires, mais la photosynthèse oxygénique est la plus courante et est observée chez les plantes, les algues et les cyanobactéries.

pendant la photosynthèse oxygénique, l’énergie lumineuse transfère les électrons de l’eau (H2O) au 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 avec les glucides.,

La photosynthèse oxygénique fonctionne comme un contrepoids à la respiration en absorbant le dioxyde de carbone produit par tous les organismes respiratoires et en réintroduisant 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 chez les bactéries telles que les bactéries violettes et les bactéries soufrées vertes, qui se trouvent principalement dans divers habitats aquatiques.,

« la photosynthèse anoxygénique ne produit pas d’oxygène — d’où le 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 odorant les œufs, produisant du soufre solide comme sous-produit. »

bien que les deux types de photosynthèse soient complexes et en plusieurs étapes, le processus global peut être résumé comme une équation chimique.,

La photosynthèse oxygénique 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 d’hydrate de carbone (C6H12O6, ou glucose) avec six molécules chacune d’oxygène et d’eau respirables.,

de même, les différentes réactions de photosynthèse anoxygénique peuvent être représentées sous la forme d’une seule formule généralisée:

CO2 + 2h2a + énergie lumineuse → + 2A + H2O

La lettre A de l’équation est une variable et H2A représente le donneur potentiel d’électrons., Par exemple, A peut représenter le 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

Voici les composants cellulaires essentiels à la photosynthèse.,

Pigments

Les Pigments sont des molécules qui donnent de la couleur aux plantes, aux algues et aux bactéries, mais ils sont également responsables de piéger efficacement la lumière du soleil. Les Pigments de différentes couleurs absorbent différentes longueurs d’onde de la lumière. Ci-dessous sont les trois principaux groupes.

• 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 photosynthétiques. Il existe également une variante bactérienne bien nommée bactériochlorophylle, qui absorbe la lumière infrarouge. Ce pigment est principalement présent dans les bactéries violettes et vertes, qui effectuent une photosynthèse anoxygénique.
• caroténoïdes: ces pigments de couleur rouge, orange ou jaune absorbent la lumière bleu-vert. 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.

les Plastes

Photosynthèse des organismes eucaryotes contiennent des organites appelés les plastes dans leur cytoplasme., Les plastides à double membrane dans les plantes et les algues sont appelés plastides primaires, tandis que la variété à membrane multiple trouvée dans le plancton est appelée plastides secondaires, selon un articledans la revue Nature Education par Cheong Xin Chan et Debashish Bhattacharya, chercheurs de L’Université Rutgers dans le New Jersey.

Les plastides 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, plus précisément 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 le transfert d’électrons a lieu., Les espaces vides entre les colonnes de grana constituent le stroma.

les chloroplastes sont semblables 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 des protéines essentielles à l’organite et à la photosynthèse. Comme les mitochondries, on pense également que les chloroplastes proviennent de cellules bactériennes primitives par le 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 chloroplastes montre qu’il était autrefois membre du groupe des cyanobactéries, « le seul groupe de bactéries qui peuvent accomplir la photosynthèse oxygénique., »

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 font encore 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 pigmentaires constitue des « antennes », selon un article de Wim Vermaas, professeur à L’Arizona State University., Ces structures capturent efficacement l’énergie lumineuse du soleil, sous forme de photons.

en fin de compte, l’énergie lumineuse doit être transférée à un complexe pigment-protéine capable de la convertir en énergie chimique, sous forme d’électrons. Chez 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 récepteur approprié.,

centres de réaction

Les pigments et les protéines, qui convertissent l’énergie lumineuse en énergie chimique et commencent le processus de transfert d’électrons, sont connus sous le nom de centres de réaction.

le processus photosynthétique

Les réactions de la photosynthèse végétale sont divisées en celles qui nécessitent la présence de la lumière du soleil et celles qui ne le font pas. Les deux types de réactions ont lieu dans les chloroplastes: réactions dépendantes de la lumière dans le thylakoïde et réactions indépendantes de la lumière dans le stroma.,

réactions dépendantes de la lumière (également appelées réactions lumineuses): lorsqu’un photon de lumière frappe le centre de la 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 vers sa maison d’origine », a déclaré Baum à Live Science. « Ce n’est pas facile à éviter, car la chlorophylle a maintenant un » trou d’électrons  » qui a tendance à tirer sur les électrons à proximité., »

L’électron libéré parvient à s’échapper en voyageant à travers une chaîne de transport d’électrons, qui génère l’énergie nécessaire pour produire de l’ATP (adénosine triphosphate, une source d’énergie chimique pour les cellules) et du NADPH. Le » trou d’électrons  » dans le pigment de chlorophylle original est rempli en prélevant un électron dans l’eau. En conséquence, l’oxygène est libéré dans l’atmosphère.

réactions indépendantes de la lumière (également appelées réactions sombres et connues sous le nom de cycle de Calvin): les réactions lumineuses produisent de l’ATP et du NADPH, qui sont les sources d’énergie riches qui conduisent les réactions sombres., Trois étapes de réaction chimique composent le cycle de Calvin: 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 « fixés” 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.

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 conçu un moyen d’étendre la production d’hydrogène des algues vertes jusqu’à trois jours, comme indiqué dans leur étude 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 capturer 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 combustibles ou en polymères en utilisant l’énergie de la lumière du soleil. L’équipe a publié sa conception en 2015 dans la revue Nano Letters.,

en 2016, les 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 utilisant la lumière du soleil, l’eau et le dioxyde de carbone. En général, les plantes ne sont capables d’exploiter qu’environ un pour cent de l’énergie solaire et de 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 des processus naturels, tels que la photosynthèse, aide les scientifiques à développer de nouvelles façons d’utiliser diverses sources d’énergie renouvelable. Étant donné que la lumière du soleil, les plantes et les bactéries sont omniprésentes, exploiter la puissance de la photosynthèse est une étape logique pour créer des combustibles propres et neutres en carbone.