La photosynthèse expliquée simplement : lumière, eau, CO2 et sucre

La photosynthèse est la réaction par laquelle une plante fabrique son propre sucre avec trois ingrédients : la lumière du soleil, l'eau puisée par les racines et le dioxyde de carbone (CO2) de l'air. Elle rejette de l'oxygène au passage. Le bilan s'écrit en une ligne : six molécules de CO2 et six molécules d'eau, avec de l'énergie lumineuse, donnent une molécule de glucose et six molécules d'oxygène.

Ce sucre sert ensuite de carburant et de matériau de construction à la plante. Et comme les animaux mangent des plantes, ou mangent des animaux qui en ont mangé, presque toute la vie sur terre repose sur cette réaction. Elle fait partie des sujets de notre rubrique Le vivant, et ce qui suit la reprend étape par étape.

Les ingrédients et les produits

Je présente souvent la photosynthèse en atelier comme une recette de cuisine, avec ce qui entre et ce qui sort. Le tableau suivant reprend le bilan global, tel qu'on le trouve dans tous les manuels de biologie.

La lumière

La lumière fournit l'énergie. Sans elle, la réaction ne démarre pas : une plante laissée dans un placard jaunit, s'étiole et finit par épuiser ses réserves. La lumière est captée par des pigments, au premier rang desquels la chlorophylle.

L'eau, puisée par les racines

L'eau monte des racines jusqu'aux feuilles par des vaisseaux. Une petite partie seulement sert à la photosynthèse ; la plus grande part s'évapore par les feuilles. C'est d'ailleurs cette évaporation qui aide à tirer l'eau vers le haut. Les racines sont souvent aidées dans leur travail par des champignons, comme le décrit notre article sur les mycorhizes.

Le CO2, entré par les stomates

Le dioxyde de carbone entre par les stomates, de minuscules ouvertures percées surtout sous les feuilles. Chaque stomate est bordé de deux cellules qui s'écartent ou se resserrent. La lumière favorise leur ouverture. Quand il fait très sec, la plante les ferme pour économiser l'eau, ce qui freine aussi l'entrée du CO2 : une plante assoiffée fabrique moins de sucre.

Ce qui se passe dans la feuille

La photosynthèse a lieu dans les chloroplastes, de petits compartiments verts présents par dizaines dans chaque cellule de feuille. À l'intérieur, la réaction se déroule en deux temps.

La phase lumineuse

Dans des empilements de membranes appelés thylakoïdes, la chlorophylle capte l'énergie de la lumière. Cette énergie sert à casser des molécules d'eau. Leurs atomes d'oxygène s'assemblent deux par deux et partent dans l'air : c'est l'oxygène que nous respirons. Le reste de l'énergie est stocké dans des molécules transporteuses, une sorte de batterie chimique qui va servir à l'étape suivante.

Un point surprend souvent : l'oxygène rejeté vient de l'eau, et non du CO2. Des expériences menées au XXe siècle avec des isotopes de l'oxygène, des atomes « marqués » que l'on peut suivre, l'ont établi.

Le cycle de Calvin

La seconde phase n'a pas besoin directement de lumière. Elle utilise l'énergie stockée pendant la première pour fixer le carbone du CO2 et l'assembler en sucres. Une enzyme, la Rubisco, attrape le CO2 et l'accroche à une molécule déjà présente ; une série de réactions en boucle produit ensuite des sucres à trois atomes de carbone, à partir desquels la plante fabrique le glucose et tout le reste. Ce cycle porte le nom du chimiste américain Melvin Calvin, qui l'a décrit avec son équipe au milieu du XXe siècle.

Pourquoi les feuilles sont vertes

La lumière du soleil contient toutes les couleurs. La chlorophylle absorbe surtout le bleu et le rouge, et utilise beaucoup moins le vert, qui est renvoyé ou traverse la feuille. C'est ce vert qui arrive jusqu'à nos yeux.

D'autres pigments travaillent à côté de la chlorophylle, en particulier les caroténoïdes, jaunes et orangés. Ils sont masqués par le vert pendant l'été. À l'automne, quand l'arbre cesse de renouveler sa chlorophylle, ces couleurs apparaissent : c'est l'histoire racontée dans notre article sur les feuilles qui changent de couleur en automne.

J'ai montré ces pigments en atelier par une chromatographie toute simple : des feuilles d'épinard écrasées, un peu d'alcool, une bande de papier filtre. En remontant le papier, le mélange se sépare en bandes vertes et jaunes. Les enfants découvrent que le vert d'une feuille cache plusieurs couleurs.

Où va le sucre fabriqué

Le glucose ne s'accumule pas tel quel. La plante le transforme selon ses besoins.

Une partie est brûlée tout de suite par la respiration, qui fournit l'énergie nécessaire à la vie des cellules. Les plantes respirent comme nous, jour et nuit, en consommant de l'oxygène et en rejetant du CO2. En journée, la photosynthèse va beaucoup plus vite que la respiration, et le bilan est une production nette d'oxygène. La nuit, seule la respiration continue.

Une autre partie est stockée sous forme d'amidon, dans les feuilles, les racines, les tubercules ou les graines. La pomme de terre et le grain de blé sont de grands réservoirs d'amidon. Pour voyager dans la plante, le sucre circule sous forme de saccharose, le même sucre que celui de nos morceaux.

Le reste sert de matériau de construction. La cellulose des parois végétales, le bois des arbres, sont faits de chaînes de glucose. Le sucre nourrit aussi les insectes qui butinent : le nectar que viennent chercher les abeilles, décrit dans notre article sur la pollinisation, est un produit de la photosynthèse.

La masse d'un arbre vient donc surtout de l'air. Au XVIIe siècle, le médecin flamand Jan Baptist van Helmont avait fait pousser un saule dans un pot de terre pesée, pendant cinq ans, en ne l'arrosant qu'avec de l'eau. L'arbre avait pris beaucoup de poids, la terre presque rien. Il en avait conclu que tout venait de l'eau ; on sait aujourd'hui que le carbone, qui forme la plus grande part de la matière sèche, vient du CO2 de l'air.

Qui fait la photosynthèse, sur terre et dans l'océan

Les plantes à fleurs, les fougères et les mousses la pratiquent sur terre. Dans l'eau, ce sont les algues et une foule d'organismes microscopiques regroupés sous le nom de phytoplancton, parmi lesquels des cyanobactéries.

Leur part est considérable. La revue Sciences Ouest, éditée par l'Espace des sciences de Rennes, rapporte dans un dossier réalisé avec des chercheurs du laboratoire LEMAR (CNRS) que le phytoplancton produit environ 50 % de l'oxygène disponible dans l'atmosphère. Les estimations varient selon les méthodes, mais l'ordre de grandeur est admis.

La photosynthèse retire aussi du CO2 de l'atmosphère. Une partie y retourne quand les plantes respirent, se décomposent ou brûlent ; une autre reste stockée longtemps dans le bois, les sols ou les sédiments marins. C'est l'un des rouages du cycle du carbone, lié à l'effet de serre.

Comment on l'a découverte

Après van Helmont, deux expériences du XVIIIe siècle ont fait avancer la question. En 1771, le chimiste anglais Joseph Priestley montre qu'une branche de menthe placée sous une cloche « répare » l'air vicié par une bougie. En 1779, le médecin néerlandais Jan Ingenhousz établit que les plantes ne le font qu'à la lumière, et seulement par leurs parties vertes.

Le mécanisme intime, avec ses deux phases et ses molécules, n'a été démêlé qu'au XXe siècle. Ce qui me plaît dans cette histoire, c'est qu'elle part d'un pot de terre et d'une branche de menthe, deux choses que l'on trouve dans n'importe quel jardin.