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Une conversion biologique : la photosynthèse

Première · Enseignement scientifique · Le Soleil, notre source d'énergie

Le Soleil, notre source d'énergie

La photosynthèse : de la lumière à la matière organique

Le rayonnement solaire n'est pas seulement une source de chaleur : c'est aussi la source d'énergie de presque toute la vie sur Terre. Les végétaux chlorophylliens, les algues et certaines bactéries savent capter cette énergie lumineuse et l'utiliser pour fabriquer de la matière organique à partir de matière minérale. Ce sont les producteurs primaires : tout le reste du vivant en dépend, directement ou indirectement.

Les pigments chlorophylliens et la lumière absorbée

Toute la lumière n'est pas utilisée de la même façon. Les pigments chlorophylliens (chlorophylles a et b, caroténoïdes) absorbent surtout les radiations bleues (autour de 450 nm) et rouges (autour de 660 nm). Les radiations vertes, elles, sont très peu absorbées : elles sont réfléchies et transmises. C'est pour cette raison que les feuilles nous paraissent vertes — non pas parce qu'elles produisent du vert, mais parce qu'elles ne le gardent pas.

RadiationLongueur d'ondeAbsorption par la chlorophylleEfficacité photosynthétique
Bleuenviron 450 nmForteÉlevée
Vertenviron 550 nmFaibleFaible (lumière réfléchie)
Rougeenviron 660 nmForteÉlevée
Infrarougeau-delà de 700 nmQuasi nulleNulle

Le Soleil, notre source d'énergie

Rendement, biomasse et combustibles fossiles

La photosynthèse alimente toute la biosphère, mais avec un rendement très faible : sur toute l'énergie solaire qui atteint la surface de la Terre, seule une infime fraction finit stockée dans de la matière organique. Une part encore plus petite de cette matière échappe à la décomposition, s'enfouit et se transforme, sur des millions d'années, en combustibles fossiles.

Un rendement de conversion très faible. Le rendement d'une conversion d'énergie est le rapport entre l'énergie utile obtenue et l'énergie fournie :
rendement = énergie stockée / énergie reçue. C'est un nombre sans unité, que l'on exprime souvent en pourcentage.
À l'échelle de la planète, ce rendement est de l'ordre de 0,1 % : l'essentiel de l'énergie solaire est réfléchi, absorbé sous forme de chaleur, ou arrive sur des surfaces sans végétation (océans profonds, déserts, glaces).

De la biomasse aux combustibles fossiles

En temps normal, la matière organique morte est entièrement décomposée par les micro-organismes, qui la reminéralisent en CO2 et en eau. Le carbone repart alors dans l'atmosphère. Mais dans des conditions particulières, une petite fraction échappe à cette décomposition : elle est enfouie et se transforme lentement en charbon, pétrole ou gaz naturel.

CombustibleMatière organique d'origineMilieu de formationÉpoque / durée typique
CharbonVégétaux continentaux (fougères arborescentes, prêles géantes)Marécages continentauxSurtout au Carbonifère, il y a environ 300 millions d'années
PétrolePlancton marin (phytoplancton, zooplancton)Fonds marins peu oxygénésEnfouissement de quelques dizaines à centaines de millions d'années
Gaz naturelMême origine que le pétroleEnfouissement plus profond et plus chaudIdem, à des profondeurs supérieures

Exercices corrigés

  1. Quelle est l'équation bilan de la photosynthèse ?

    • A.C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
    • B.6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2Bonne réponse
    • C.6 O2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 CO2
    • D.CO2 + H2O → C6H12O6 + O2

    Réponse : B — 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2

    La photosynthèse part de matière minérale (dioxyde de carbone et eau) pour produire de la matière organique (le glucose) et du dioxygène : 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2. La première option est exactement la réaction inverse, celle de la respiration cellulaire — le piège le plus courant du chapitre. La dernière n'est pas équilibrée : il faut bien 6 carbones pour former une molécule de glucose qui en contient 6.

  2. Pourquoi les feuilles des végétaux nous apparaissent-elles vertes ?

    • A.Parce que la chlorophylle absorbe très fortement la lumière verte
    • B.Parce que la photosynthèse fabrique un pigment vert à partir du CO2
    • C.Parce que les feuilles émettent leur propre lumière verte
    • D.Parce que la chlorophylle absorbe peu le vert, qui est donc réfléchi et transmisBonne réponse

    Réponse : D — Parce que la chlorophylle absorbe peu le vert, qui est donc réfléchi et transmis

    La couleur que l'on perçoit est celle qui n'est PAS absorbée. Les pigments chlorophylliens absorbent efficacement le bleu et le rouge, mais laissent repartir le vert, qui atteint alors notre œil. Répondre que la chlorophylle absorbe le vert est le contresens le plus fréquent du chapitre, et conduirait d'ailleurs à des feuilles perçues comme rouges ou noires. Une feuille ne produit pas de lumière : elle en renvoie seulement une partie.

  3. De quoi les combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz) sont-ils issus ?

    • A.De roches volcaniques transformées par la chaleur
    • B.De minéraux du manteau remontés en surface
    • C.De matière organique produite par la photosynthèse, puis enfouieBonne réponse
    • D.De la cristallisation lente du carbone dans la croûte terrestre

    Réponse : C — De matière organique produite par la photosynthèse, puis enfouie

    Les combustibles fossiles sont d'anciens êtres vivants : de la biomasse issue de la photosynthèse qui a échappé à la décomposition, puis a été enfouie et transformée sous l'effet de la pression et de la température. C'est ce qui explique qu'en les brûlant on libère de l'énergie solaire captée il y a des millions d'années. Ils n'ont donc rien de volcanique ni de minéral d'origine : leur carbone est bien du carbone d'origine biologique.

  4. Quel est l'ordre de grandeur du rendement de la photosynthèse à l'échelle de la planète ?

    • A.Environ 0,1 %Bonne réponse
    • B.Environ 10 %
    • C.Environ 50 %
    • D.Environ 90 %

    Réponse : A — Environ 0,1 %

    Sur toute l'énergie solaire reçue par la Terre, environ un millième seulement, soit de l'ordre de 0,1 %, finit stocké dans la matière organique. L'essentiel est réfléchi, converti en chaleur, ou tombe sur des surfaces peu ou pas végétalisées. Ce rendement paraît dérisoire, et pourtant il suffit à alimenter toute la biosphère, car la puissance solaire reçue est colossale. Les valeurs de 50 ou 90 % correspondraient à un rendement de machine thermique très performante, ce qui n'a aucun sens ici.

  5. Quelle association est correcte ?

    • A.Charbon : plancton marin — Pétrole : végétaux continentaux
    • B.Charbon : dinosaures — Pétrole : algues d'eau douce
    • C.Charbon et pétrole ont exactement la même origine
    • D.Charbon : végétaux continentaux — Pétrole : plancton marinBonne réponse

    Réponse : D — Charbon : végétaux continentaux — Pétrole : plancton marin

    Le charbon s'est formé à partir de forêts marécageuses continentales, en particulier au Carbonifère il y a environ 300 millions d'années, d'où son nom. Le pétrole et le gaz naturel proviennent eux du plancton accumulé au fond de mers peu oxygénées. Les deux ne sont donc pas d'origine identique : l'un est continental, l'autre marin. L'histoire des dinosaures transformés en pétrole est une légende tenace, mais rien de plus.

  6. D'après l'équation bilan de la photosynthèse, combien de moles de glucose et de dioxygène obtient-on à partir de 12 moles de CO2 (l'eau étant en excès) ?

    • A.12 moles de glucose et 12 moles de O2
    • B.1 mole de glucose et 6 moles de O2
    • C.6 moles de glucose et 6 moles de O2
    • D.2 moles de glucose et 12 moles de O2Bonne réponse

    Réponse : D — 2 moles de glucose et 12 moles de O2

    L'équation 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2 se lit en proportions : 6 moles de CO2 donnent 1 mole de glucose et 6 moles de O2. Avec 12 moles de CO2, on a exactement le double, donc 2 moles de glucose et 12 moles de dioxygène. Un bon réflexe de vérification est de compter les atomes de carbone : les 12 carbones du CO2 se retrouvent bien dans 2 molécules de glucose qui en contiennent 6 chacune.

  7. Une plante produit 3,0 moles de glucose. Quelle masse de matière organique cela représente-t-il ? (Masses molaires en g/mol : C = 12 ; H = 1 ; O = 16.)

    • A.60 g
    • B.180 g
    • C.540 gBonne réponse
    • D.108 g

    Réponse : C — 540 g

    Il faut d'abord calculer la masse molaire du glucose C6H12O6 : 6 × 12 = 72 pour le carbone, 12 × 1 = 12 pour l'hydrogène et 6 × 16 = 96 pour l'oxygène, soit un total de 72 + 12 + 96 = 180 g/mol. Ensuite, la masse s'obtient par m = n × M = 3,0 × 180 = 540 g. Répondre 180 g revient à donner la masse d'une seule mole en oubliant de multiplier par la quantité de matière — l'erreur la plus fréquente sur ce type de question.

  8. Sur un même graphique, le spectre d'absorption des pigments chlorophylliens et le spectre d'action de la photosynthèse se superposent presque parfaitement. Que peut-on en conclure ?

    • A.Que la photosynthèse est indépendante de la longueur d'onde de la lumière
    • B.Que ce sont bien les pigments chlorophylliens qui captent la lumière utilisée par la photosynthèseBonne réponse
    • C.Que les pigments produisent directement le glucose sans intervention de la lumière
    • D.Que le spectrophotomètre et la sonde à dioxygène mesurent la même grandeur physique

    Réponse : B — Que ce sont bien les pigments chlorophylliens qui captent la lumière utilisée par la photosynthèse

    Les deux courbes mesurent des choses différentes : l'une la lumière absorbée par les pigments, l'autre l'intensité réelle de la photosynthèse. Le fait qu'elles présentent les mêmes maximums, dans le bleu et le rouge, et le même minimum dans le vert établit un lien de cause à effet : la photosynthèse est d'autant plus intense que les pigments absorbent. C'est le raisonnement à connaître pour l'épreuve. Si la photosynthèse était indépendante de la longueur d'onde, le spectre d'action serait une droite horizontale.

  9. Un élève écrit : « La nuit, les plantes respirent ; le jour, elles font la photosynthèse à la place de la respiration. » Que corriges-tu ?

    • A.Rien, la phrase est exacte : les plantes alternent simplement entre la respiration la nuit et la photosynthèse le jour, sans que les deux processus coexistent jamais
    • B.Les plantes respirent en permanence, jour et nuit ; le jour, la photosynthèse s'y ajoute et dépasse largement la respiration, d'où un dégagement net de dioxygèneBonne réponse
    • C.Les plantes ne respirent jamais, seuls les animaux respirent : elles se contentent de capter la lumière du soleil pour fabriquer leur matière organique
    • D.Les plantes font la photosynthèse uniquement la nuit, au moment où elles ne sont pas éblouies par la lumière directe du soleil

    Réponse : B — Les plantes respirent en permanence, jour et nuit ; le jour, la photosynthèse s'y ajoute et dépasse largement la respiration, d'où un dégagement net de dioxygène

    La respiration cellulaire est un processus permanent chez les végétaux comme chez tous les êtres vivants : leurs mitochondries fonctionnent en continu pour libérer l'énergie dont les cellules ont besoin. Le jour, la photosynthèse vient s'ajouter à la respiration, et comme elle est bien plus intense, le bilan observé est une consommation nette de CO2 et un dégagement net de O2. La nuit, seule la respiration subsiste, et le bilan s'inverse. C'est aussi ce qui distingue la production primaire brute, c'est-à-dire toute la photosynthèse, de la production primaire nette, une fois la respiration déduite.

  10. La matière organique à l'origine d'un gisement de pétrole s'est accumulée sur environ 10 puissance 8 années. L'humanité aura consommé l'essentiel des réserves en environ 2 × 10 puissance 2 années. Quel est le rapport entre ces deux durées ?

    • A.Environ 5 × 10 puissance 3
    • B.Environ 2 × 10 puissance 6
    • C.Environ 5 × 10 puissance 5Bonne réponse
    • D.Environ 5 × 10 puissance 10

    Réponse : C — Environ 5 × 10 puissance 5

    On divise la durée de formation par la durée de consommation : 10 puissance 8 divisé par 2 × 10 puissance 2. Le calcul se fait en deux temps : 1 divisé par 2 donne 0,5, et 10 puissance 8 divisé par 10 puissance 2 donne 10 puissance 6. Le produit vaut 0,5 × 10 puissance 6, soit 5 × 10 puissance 5, c'est-à-dire environ 500 000. Le stock a donc mis un demi-million de fois plus de temps à se constituer qu'il n'en faut pour l'épuiser. Le résultat de 5 × 10 puissance 10 vient d'une multiplication des puissances au lieu d'une soustraction des exposants.

  11. Dans quel organite de la cellule végétale se déroule la photosynthèse ?

    • A.La mitochondrie
    • B.Le noyau
    • C.Le chloroplasteBonne réponse
    • D.La vacuole

    Réponse : C — Le chloroplaste

    Le chloroplaste est l'organite qui contient les pigments chlorophylliens : c'est là que l'énergie lumineuse est captée puis convertie en énergie chimique. La mitochondrie est le siège de la respiration cellulaire, une autre conversion d'énergie, qui existe d'ailleurs aussi chez les végétaux. Le noyau contient l'information génétique, et la vacuole sert surtout de réserve d'eau et de solutés.

  12. Quel gaz est libéré par la photosynthèse ?

    • A.Le dioxygèneBonne réponse
    • B.Le dioxyde de carbone
    • C.Le diazote
    • D.Le méthane

    Réponse : A — Le dioxygène

    La photosynthèse libère du dioxygène (O2) : c'est même la manière la plus simple de mesurer son intensité en laboratoire, avec une sonde à O2. Le dioxyde de carbone est au contraire consommé, c'est un réactif. Le diazote de l'air n'intervient pas dans cette réaction, et le méthane est produit par certains micro-organismes dans des milieux privés de dioxygène, ce qui n'a rien à voir.

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