De la conversion biologique de l'énergie solaire par la photosynthèse à l'énergie nécessaire à tous les êtres vivants

Cours complet · enseignement scientifique (première), chapitre 6 · première, enseignement scientifique

Travailler ce chapitre sur Adloun Exercices corrigés de ce chapitre

6.1 Introduction : d'où vient l'énergie qui vous fait vivre ?

Vous dépensez, aujourd'hui, environ deux mille cinq cents kilocalories. Cette énergie vous a été fournie par ce que vous avez mangé. Et ce que vous avez mangé vient d'une plante, ou d'un animal qui a mangé une plante, ou d'un animal qui a mangé un animal qui a mangé une plante. Remontez la chaîne : elle s'arrête toujours au même endroit, une feuille verte au soleil.

Ce n'est pas une figure de style, c'est un fait de comptabilité énergétique. À l'exception de quelques écosystèmes très particuliers — les sources hydrothermales des grands fonds, certaines communautés microbiennes souterraines —, toute l'énergie qui circule dans le monde vivant a été captée par un organisme chlorophyllien. La photosynthèse est le goulot par lequel l'énergie solaire entre dans la biosphère.

La question de ce chapitre est donc double, et le titre officiel du programme la formule exactement : comment l'énergie solaire est-elle convertie en matière organique, et comment cette matière organique redevient-elle de l'énergie utilisable par un être vivant ? Autrement dit : de la feuille à l'assiette, puis de l'assiette au muscle.

Deux surprises attendent en chemin.

La photosynthèse est d'un très mauvais rendement. À l'échelle de la planète, elle ne conserve qu'environ un millième de l'énergie solaire reçue. Le programme dit « une infime partie » ; nous le chiffrerons. Et pourtant ce millième suffit à faire vivre l'ensemble de la biosphère depuis plus de deux milliards d'années.
Votre corps est une machine thermique très ordinaire. Au repos, vous dissipez environ $80$ watts — la puissance d'une vieille ampoule. L'énergie de vos aliments se compte en joules comme celle d'un moteur, et la respiration cellulaire est, du point de vue du bilan, une combustion. Lavoisier l'avait établi dès $1783$ , avec un cochon d'Inde et un calorimètre à glace.

iRemarqueUn chapitre qui traverse trois disciplines

Sciences de la vie (la photosynthèse, la nutrition, la santé), chimie (les équations de transformation, les molécules organiques), physique et mathématiques (les bilans d'énergie, les pourcentages, les ordres de grandeur). Le programme de $2023$ a délibérément fusionné en un seul sous-thème l'ancienne partie sur la photosynthèse et l'ancienne partie sur le bilan thermique du corps humain. Le lien entre les deux est justement ce que ce chapitre doit rendre évident : c'est la même énergie, et c'est le même joule.

6.2 La photosynthèse : convertir de la lumière en matière

6.2.1 Ce que fait une feuille

Une plante verte, exposée à la lumière, fabrique de la matière organique à partir de matière minérale. Elle ne prélève rien d'organique dans son environnement : ni sucre, ni protéine, ni graisse. Elle prend de l'eau, des ions minéraux, du dioxyde de carbone de l'air, et de la lumière — et elle produit du glucose, puis tout le reste.

Définition 6.1Photosynthèse

La photosynthèse est la conversion, par les organismes chlorophylliens, de l'énergie lumineuse en énergie chimique, permettant la synthèse de matière organique à partir de matière minérale (dioxyde de carbone, eau, ions). Elle libère du dioxygène. On la résume par l'équation $6 CO X_{2} + 6 H X_{2} O C X_{6} H X_{12} O X_{6} + 6 O X_{2}$ où $C X_{6} H X_{12} O X_{6}$ désigne le glucose. Cette transformation ne se produit qu'en présence de lumière et ne s'observe que dans les parties vertes des végétaux, ainsi que chez les algues et certaines bactéries.

Définition 6.2Matière organique, matière minérale

La matière organique est constituée de molécules carbonées produites par les êtres vivants : glucides, lipides, protides, acides nucléiques. La matière minérale regroupe l'eau, le dioxyde de carbone, le dioxygène et les ions ( $NO X_{3} X^{-}$ , $PO X_{4} X^{3 -}$ , $K X^{+}$ , $Mg X^{2 +}$ …). Fabriquer de l'organique à partir de minéral est le propre des organismes autotrophes ; devoir se procurer de l'organique déjà fait est le lot des hétérotrophes, dont nous sommes.

Le bilan de la photosynthèse dans une feuille. Tout ce qui

entre est minéral ; ce qui sort est organique. L'énergie lumineuse n'apparaît pas dans l'équation chimique : elle est stockée dans les liaisons des molécules produites, et c'est précisément ce stockage qui rend la suite du chapitre possible.</div>

Proposition 6.3La photosynthèse convertit l'énergie solaire en matière

organique</div><div class='text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text'> L'utilisation par les organismes chlorophylliens d'une infime partie de l'énergie solaire reçue par la Terre fournit l'énergie nécessaire à la synthèse de matière organique à partir de matière minérale (eau, ions, dioxyde de carbone) : c'est la photosynthèse.

Trois éléments dans cette phrase, tous à retenir : ce sont les organismes chlorophylliens qui le font ; la matière de départ est minérale ; et la part d'énergie solaire utilisée est infime. Le paragraphe suivant chiffre ce dernier point, qui est le plus surprenant des trois.

iRemarqueD'où vient le dioxygène rejeté ? Une question tranchée par un

isotope<div style='margin-top:8px' class='text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text'> L'équation $6 CO X_{2} + 6 H X_{2} O C X_{6} H X_{12} O X_{6} + 6 O X_{2}$ est équilibrée, mais elle ne dit pas d'où viennent les atomes d'oxygène du dioxygène : du $CO X_{2}$ ou de l'eau ? Les deux hypothèses ont coexisté pendant un siècle.

En $1937$ , le Britannique Robert Hill montre que des chloroplastes isolés, éclairés, dégagent du dioxygène sans aucun dioxyde de carbone dans le milieu, pourvu qu'on leur fournisse un accepteur d'électrons. Le dioxygène ne peut donc pas venir du $CO X_{2}$ . La preuve directe arrive en $1941$ : Samuel Ruben, Merle Randall, Martin Kamen et James Hyde fournissent à des algues de l'eau enrichie en oxygène $18$ , un isotope lourd, et retrouvent cet oxygène $18$ dans le dioxygène dégagé. L'oxygène de l'air que vous respirez vient de l'eau.

Conséquence : l'équation rigoureuse s'écrit $6 CO X_{2} + 12 H X_{2} O C X_{6} H X_{12} O X_{6} + 6 O X_{2} + 6 H X_{2} O,$ douze molécules d'eau consommées et six reformées. On garde en général la forme simplifiée, qui est juste au sens du bilan de matière, en sachant qu'elle masque le mécanisme.

6.2.2 Capter la lumière : les pigments et le spectre d'action

Une feuille est verte. Ce n'est pas un détail décoratif : cela signifie qu'elle renvoie le vert, donc qu'elle ne l'utilise pas — ou peu. Les pigments chlorophylliens absorbent surtout le bleu et le rouge.

Définition 6.4Pigment chlorophyllien

Un pigment est une molécule qui absorbe certaines longueurs d'onde de la lumière visible. Les feuilles en contiennent plusieurs : la chlorophylle $a$ (le pigment central, présent chez tous les organismes photosynthétiques produisant du dioxygène), la chlorophylle $b$ , et des caroténoïdes jaunes et orangés. Ces derniers deviennent visibles à l'automne, quand la chlorophylle, plus fragile, se dégrade la première : les couleurs d'automne ne sont pas fabriquées, elles sont démasquées.

Spectres d'absorption des chlorophylles et spectre d'action de

la photosynthèse. Les trois courbes ont deux maximums communs, dans le bleu et dans le rouge, et un minimum dans le vert : la lumière verte est peu absorbée, donc renvoyée — c'est pourquoi les feuilles nous paraissent vertes. Le spectre d'action ne descend cependant jamais à zéro : une plante éclairée en vert pousse, plus lentement.</div>

iRemarqueL'expérience d'Engelmann, un chef-d'œuvre d'économie de

moyens<div style='margin-top:8px' class='text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text'> En $1882$ , l'Allemand Theodor Wilhelm Engelmann veut savoir quelles couleurs servent à la photosynthèse. Il n'a ni spectrophotomètre, ni capteur de dioxygène. Il place sous son microscope une algue filamenteuse verte, projette sur elle un spectre obtenu par un prisme — de sorte que chaque portion du filament reçoive une couleur différente — et ajoute dans la préparation des bactéries mobiles qui ont besoin d'oxygène pour se déplacer. Les bactéries se rassemblent là où il y a le plus de dioxygène, c'est-à-dire là où la photosynthèse est la plus active. Elles s'accumulent dans le bleu et dans le rouge, et désertent le vert.

Le détecteur, ici, est vivant. C'est un modèle du genre : mesurer une grandeur que l'on ne sait pas mesurer en la remplaçant par un effet qu'on sait observer.

6.2.3 « Une infime partie » : le chiffrer

Le programme emploie l'expression « une infime partie ». Ce n'est pas une prudence de langage : c'est un fait quantitatif, et il vaut la peine d'être établi.

Partons du chapitre précédent. La Terre absorbe environ $1, 2 \times 1 0^{17}$ W d'énergie solaire, soit sur une année $1, 2 \times 1 0^{17} \times 3, 15 \times 1 0^{7} \approx 3, 8 \times 1 0^{24} J .$ La production primaire nette de la planète — la masse de matière organique effectivement produite par les organismes chlorophylliens, une fois déduite leur propre respiration — est estimée à environ $105$ milliards de tonnes de carbone par an, dont un peu plus de la moitié sur les continents et le reste dans les océans. Cela correspond à environ $230$ milliards de tonnes de matière sèche, et, à raison de quelque $17$ kJ par gramme, à $4 \times 1 0^{21} J par an.$

Le rapport des deux vaut $\frac{4 \times 1 0 ^{21}}{3 , 8 \times 1 0 ^{24}} \approx 1, 1 \times 1 0^{- 3},$ soit environ un millième — $0, 1 %$ . Voilà ce que « infime » veut dire.

Le devenir de l'énergie solaire jusqu'à la biosphère, en

joules par an. À chaque étage, l'essentiel est perdu pour le vivant. Ce qui subsiste — de l'ordre du millième de l'énergie absorbée — fait vivre la totalité des êtres vivants de la planète.</div>

Méthode : Recenser, extraire et organiser des informations pour prendre
conscience de l'importance planétaire de la photosynthèse</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text"> Face à un dossier documentaire (textes, cartes satellitaires, tableaux de production primaire), procéder ainsi.

Repérer la grandeur employée et son unité. Les documents mélangent volontiers des tonnes de carbone, des tonnes de matière sèche, des joules, des grammes par mètre carré et par an. Ce ne sont pas les mêmes choses. Une tonne de carbone correspond environ à $2, 2$ tonnes de matière organique sèche.
Ramener tout à une même unité avant de comparer quoi que ce soit, et l'écrire.
Distinguer un stock d'un flux. « $450$ milliards de tonnes de carbone dans la biomasse végétale » est un stock ; « $105$ milliards de tonnes de carbone par an » est un flux. Les additionner n'a aucun sens.
Comparer à un repère connu : la production primaire annuelle, la consommation mondiale d'énergie, la masse de $CO X_{2}$ émise par les activités humaines. C'est la comparaison qui fait comprendre, pas le nombre brut.
Conclure par une phrase quantifiée, du type : « la photosynthèse ne conserve qu'environ un millième de l'énergie solaire absorbée, et cela suffit à alimenter toute la biosphère ».

$\leftrightarrow$ Proportions et pourcentages, grandeurs et mesures : voir le chapitre « Analyse de l'information chiffrée » de la partie mathématique.

Exemple 6.5Trois comparaisons qui situent la photosynthèse

Contre l'humanité. L'énergie stockée chaque année par la photosynthèse, $4 \times 1 0^{21}$ J, vaut environ six fois la consommation mondiale d'énergie primaire, qui est de l'ordre de $6 \times 1 0^{20}$ J par an. La biosphère « travaille » à une puissance quelques fois supérieure à celle de toute notre industrie.
Contre le rendement théorique. Le rendement maximal théorique de la photosynthèse, compte tenu de la fraction utilisable du spectre solaire et du coût des réactions, est d'environ $4, 6 %$ chez la plupart des plantes. Au champ, une culture bien conduite atteint $1$ à $2 %$ . La moyenne planétaire, $0, 1 %$ , est très inférieure : parce que les déserts, les zones glacées et le plein océan produisent peu, et parce que l'eau, les nutriments ou la température manquent presque partout à un moment de l'année.
Contre le temps. Il faut environ un an à la biosphère pour fixer $105$ milliards de tonnes de carbone. Les activités humaines en réémettent aujourd'hui de l'ordre de $10$ milliards par an sous forme de $CO X_{2}$ fossile — soit à peu près un dixième, mais prélevé sur un stock que la photosynthèse a mis des centaines de millions d'années à constituer. C'est l'objet du chapitre suivant.

6.3 La photosynthèse nourrit presque toute la vie

6.3.1 Producteurs, consommateurs, décomposeurs

Proposition 6.6La photosynthèse est à la base de la nutrition du vivant

La photosynthèse permet la nutrition de presque toutes les formes de vie de la planète Terre.

Les organismes chlorophylliens sont les producteurs primaires : ils font entrer la matière et l'énergie dans la biosphère. Tous les autres en dépendent, directement (les herbivores) ou indirectement (les carnivores, les décomposeurs, nous). Le mot « presque » du programme n'est pas de trop : il existe des écosystèmes qui n'en dépendent pas — ceux des sources hydrothermales profondes, où des bactéries tirent leur énergie de l'oxydation de composés soufrés, sans lumière. Ils sont rares, et le programme les laisse de côté.

Définition 6.7Réseau trophique, niveau trophique

Un réseau trophique décrit qui mange qui dans un écosystème. On y distingue des niveaux trophiques : les producteurs primaires (végétaux, algues, phytoplancton), les consommateurs de premier ordre (herbivores), de deuxième ordre (carnivores), et ainsi de suite, ainsi que les décomposeurs, qui recyclent la matière morte en matière minérale.

Le flux d'énergie dans un réseau trophique. Les rectangles

sont proportionnels aux valeurs — celui des super-prédateurs, mille fois plus court que le premier, se confond avec l'axe. Chaque passage d'un niveau au suivant divise l'énergie disponible par environ dix : une pyramide très pentue, qui limite la longueur des chaînes alimentaires.</div>

iRemarqueSciences, société et environnement : le phytoplancton

La moitié environ de la production primaire mondiale est le fait du phytoplancton, ces algues microscopiques dérivant dans les couches éclairées de l'océan. Elles ne représentent pourtant qu'une fraction infime de la biomasse photosynthétique de la planète — de l'ordre du pour cent. La raison est une différence de rythme : un chêne met un siècle à constituer sa masse, le phytoplancton se renouvelle en quelques jours. Peu de matière, mais qui tourne très vite.

Un déclin du phytoplancton aurait donc des conséquences considérables : sur la production de dioxygène, sur la base de toutes les chaînes alimentaires marines, et sur la « pompe biologique » qui entraîne du carbone vers les profondeurs. En $2010$ , une étude publiée dans Nature par Daniel Boyce, Marlon Lewis et Boris Worm a estimé ce déclin à environ $1 %$ par an depuis $1899$ . Le résultat a été vivement contesté dès l'année suivante, dans la même revue : les critiques portaient sur l'hétérogénéité des méthodes de mesure entre le début du XX^e siècle et l'ère satellitaire, susceptible de créer une tendance artificielle. Le débat n'est pas clos. Il faut le présenter comme tel : la question est importante, les données anciennes sont fragiles, et la prudence n'est pas de l'indifférence.

6.4 Libérer l'énergie : de la matière organique au travail biologique

6.4.1 La respiration cellulaire

Fabriquer de la matière organique met de l'énergie en réserve. Encore faut-il savoir la reprendre. C'est le rôle de la respiration cellulaire, qui se produit dans presque toutes les cellules — y compris celles des plantes, jour et nuit.

Proposition 6.8Les molécules organiques libèrent de l'énergie

Les molécules organiques peuvent être transformées pour libérer l'énergie nécessaire au fonctionnement des êtres vivants.

La transformation principale est la respiration cellulaire : $C X_{6} H X_{12} O X_{6} + 6 O X_{2} 6 CO X_{2} + 6 H X_{2} O$ qui libère environ $2800$ kJ par mole de glucose, soit $15, 6$ kJ par gramme. Cette énergie sert à trois choses : le travail mécanique (les muscles), le travail chimique (fabriquer les molécules de l'organisme), et le maintien de la température corporelle. Ce qui n'est pas utilisé part en chaleur.

iRemarqueLa respiration est une combustion, au bilan près

Comparez les deux équations : la respiration est exactement l'inverse de la photosynthèse. Et elle est aussi, chimiquement, la même chose que la combustion du sucre dans une flamme : mêmes réactifs, mêmes produits, même énergie libérée. Ce qui change, c'est la manière : la cellule procède par une longue série d'étapes catalysées par des enzymes, à $37^{\circ}$ C, en récupérant l'énergie par petits paquets, tandis que la flamme fait tout d'un coup à plusieurs centaines de degrés. Le bilan énergétique, lui, est rigoureusement identique — et c'est ce qui permet de mesurer l'énergie d'un aliment en le brûlant dans une bombe calorimétrique.

Photosynthèse et respiration, les deux faces d'un même cycle.

La distinction entre le cycle fermé de la matière et le flux ouvert de l'énergie est l'idée la plus importante de ce chapitre : elle explique à la fois pourquoi les atomes de carbone de votre corps ont déjà servi mille fois, et pourquoi le Soleil doit continuer de briller.</div>

6.4.2 Le corps humain, converti en watts

Définition 6.9Métabolisme de base

Le métabolisme de base est la puissance minimale que l'organisme dissipe au repos complet, à jeun et à température ambiante confortable, pour entretenir ses fonctions vitales : respiration, circulation, activité du cerveau, renouvellement des cellules, maintien de la température. Il représente environ $60$ à $70 %$ de la dépense énergétique quotidienne d'une personne peu active.

Exemple 6.10Un être humain fait

80

watts

Un adulte de $70$ kg a un métabolisme de base de l'ordre de $1700$ kcal par jour. Convertissons. $1700 kcal = 1700 \times 4, 18 = 7, 1 \times 1 0^{3} kJ = 7, 1 \times 1 0^{6} J .$ Rapporté aux $86400$ secondes d'une journée : $P = \frac{7 , 1 \times 1 0 ^{6}}{86 400} \approx 82 W .$ Une classe de trente élèves chauffe donc sa salle à raison de $2, 5$ kW, avant même que le radiateur ne s'allume — et davantage encore si l'on bouge. Les architectes en tiennent compte pour dimensionner la ventilation des amphithéâtres.

6.5 L'alimentation : ce qui entre, ce qui sort

6.5.1 Compter l'énergie d'un aliment

Proposition 6.11L'alimentation, apport de molécules organiques

L'alimentation apporte ces molécules organiques. L'équilibre alimentaire est un élément essentiel à une bonne santé.

Manger, c'est se procurer à la fois de l'énergie (apportée par les glucides, les lipides, les protides et l'alcool) et des matériaux : des acides aminés indispensables, des acides gras essentiels, des vitamines, des minéraux, de l'eau, des fibres. L'équilibre alimentaire est double : équilibre quantitatif — autant d'énergie apportée que dépensée — et équilibre qualitatif — les bons nutriments, dans les bonnes proportions. On peut parfaitement satisfaire le premier et manquer gravement au second.

Définition 6.12Kilocalorie, kilojoule

L'énergie des aliments s'exprime en kilojoules (kJ), unité légale, et en kilocalories (kcal), unité d'usage. La conversion est $1 kcal = 4, 18 kJ, 1 kJ \approx 0, 239 kcal .$ Attention : la « calorie » des emballages alimentaires est en réalité une kilocalorie. Un yaourt « à $60$ calories » en contient $60000$ au sens strict du mot. L'usage est fautif mais universel ; l'étiquetage européen impose d'ailleurs d'afficher les deux unités.

◆Théorème 6.13Valeurs énergétiques des nutriments

L'énergie libérée par la transformation des nutriments dans l'organisme est proportionnelle à leur masse, avec des coefficients établis expérimentalement par Wilbur Atwater à la fin du XIX^e siècle :

Nutriment	kJ $\cdot$ g $^{- 1}$	kcal $\cdot$ g $^{- 1}$
Glucides	$17$	$4$
Protides	$17$	$4$
Lipides	$38$	$9$
Alcool	$29$	$7$
Fibres	$8$	$2$

L'énergie totale d'un aliment se calcule donc par $E = 17 m_{glucides} + 17 m_{protides} + 38 m_{lipides} (en kJ, masses en g) .$ Retenir surtout que les lipides apportent plus de deux fois plus d'énergie, à masse égale, que les glucides et les protides.

Méthode : Utiliser des données quantitatives sur l'apport énergétique
d'aliments dans un bilan d'énergie</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text"> Un bilan énergétique se conduit toujours en deux colonnes.

Colonne « apports ». Pour chaque aliment, lire la valeur énergétique pour $100$ g sur l'étiquette, puis appliquer une proportionnalité à la masse réellement consommée : $E = E_{100} \times \frac{m}{100} .$ Additionner. Ne pas oublier les boissons.
Colonne « dépenses ». Additionner le métabolisme de base (environ $1$ kcal par kilogramme et par heure, soit $24 \times m$ kcal par jour) et le coût des activités, calculé par $E_{activit e ˊ} = P \times Δ t,$ où $P$ est la dépense horaire lue dans un tableau et $Δ t$ la durée.
Homogénéiser les unités avant de soustraire : tout en kcal, ou tout en kJ. C'est là que se perdent la moitié des points.
Faire la différence et l'interpréter : apports $>$ dépenses $\Rightarrow$ stockage (essentiellement en graisses) ; apports $<$ dépenses $\Rightarrow$ puisage dans les réserves. Un écart de quelques pour cent est normal d'un jour à l'autre ; c'est la moyenne sur plusieurs semaines qui compte.
Contrôler l'ordre de grandeur : les besoins journaliers d'un adolescent se comptent en milliers de kilocalories, pas en centaines ni en dizaines de milliers.

$\leftrightarrow$ Proportions et pourcentages, grandeurs et mesures, grandeurs quotients (kJ par gramme, kcal par heure).

Le programme demande d'établir un bilan « correspondant à des activités variées ». Voici les ordres de grandeur usuels, pour une personne de $70$ kg : ils sont approximativement proportionnels à la masse, ce qui permet de les transposer.

Activité	kcal $\cdot$ h $^{- 1}$	kJ $\cdot$ h $^{- 1}$
Sommeil	$70$	$290$
Assis, lecture, cours	$95$	$400$
Debout, tâches ménagères légères	$130$	$540$
Marche tranquille ( $4$ km $\cdot$ h $^{- 1}$ )	$200$	$840$
Marche soutenue ( $6$ km $\cdot$ h $^{- 1}$ )	$290$	$1200$
Natation de loisir	$440$	$1840$
Sports collectifs (basket, football)	$480$	$2000$
Vélo ( $20$ km $\cdot$ h $^{- 1}$ )	$590$	$2470$
Course à pied ( $10$ km $\cdot$ h $^{- 1}$ )	$720$	$3010$

iRemarqueTrois précautions sur ce tableau

Une. Ces valeurs incluent le métabolisme de base pendant la durée de l'activité : les additionner naïvement au métabolisme de base d'une journée entière conduit à le compter deux fois pendant ces heures-là. L'erreur est modeste — de l'ordre de $70$ kcal par heure d'activité — mais il faut savoir qu'on la commet. Deux. Elles sont proportionnelles à la masse : une personne de $50$ kg dépense environ $50/70$ des valeurs indiquées. Trois. Elles varient beaucoup d'un individu à l'autre, avec l'entraînement et la technique. Un nageur expérimenté dépense moins qu'un débutant pour parcourir la même distance. Un tableau de ce type sert à estimer un ordre de grandeur, jamais à mesurer.

Un bilan énergétique journalier équilibré. À gauche ce qui

entre, à droite ce qui sort. Les deux colonnes ont la même hauteur : c'est la définition même de l'équilibre quantitatif. Noter la part écrasante du métabolisme de base, que l'on ne « choisit » pas.</div>

Exemple 6.14Deux petits-déjeuners

Petit-déjeuner A : $60$ g de pain ( $255$ kcal), $10$ g de beurre ( $75$ kcal), $200$ mL de lait demi-écrémé ( $92$ kcal), une orange ( $45$ kcal). Total : $467$ kcal.

Petit-déjeuner B : $60$ g de céréales fourrées au chocolat ( $270$ kcal), $200$ mL de lait ( $92$ kcal), un verre de jus d'orange ( $90$ kcal). Total : $452$ kcal.

Quantitativement, les deux se valent — $15$ kcal d'écart, moins de $4 %$ . Qualitativement, ils diffèrent beaucoup : le second apporte près de trois fois plus de sucres libres et beaucoup moins de fibres, et le fruit pressé a perdu la plus grande partie des siennes. Le bilan énergétique ne dit donc pas tout ; il ne dit que la moitié.

6.5.2 L'équilibre qualitatif

Méthode : Mettre en évidence des aspects qualitatifs de l'équilibre
alimentaire</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text"> Au-delà du total en kilocalories, quatre vérifications.

La répartition entre les trois grands nutriments. Les références françaises (Anses) situent l'apport en lipides entre $35$ et $40 %$ de l'apport énergétique total, les glucides entre $40$ et $55 %$ , les protides entre $10$ et $20 %$ . Pour vérifier, convertir chaque masse en énergie avec les coefficients $17$ / $17$ / $38$ , puis calculer les pourcentages.
Les nutriments non énergétiques. Vitamines, calcium, fer, iode, fibres ( $30$ g par jour), eau ( $1$ à $1, 5$ L de boisson). Ils n'apportent aucune énergie et sont pourtant indispensables : leur carence provoque des maladies, quel que soit le nombre de calories ingérées.
Les nutriments à limiter. Sel (moins de $5$ g par jour selon l'Organisation mondiale de la santé), sucres libres, acides gras saturés, alcool.
La diversité et la régularité. Aucun aliment n'apporte tout ; c'est la variété qui assure la couverture. Les repères du Programme national nutrition santé — au moins cinq fruits et légumes par jour, des légumes secs deux fois par semaine, du poisson deux fois par semaine, une poignée de fruits à coque, moins de $500$ g de viande rouge et moins de $150$ g de charcuterie par semaine, au moins trente minutes d'activité physique quotidienne — sont une traduction pratique de ces contraintes.

Le raisonnement à tenir : un apport peut être suffisant en énergie et déficient en micronutriments (c'est le cas de nombreux régimes très transformés), ou l'inverse. Les deux dimensions se contrôlent séparément.

$\leftrightarrow$ Proportions, pourcentages : calculer la part de chaque nutriment dans l'apport énergétique total est un exercice de pourcentage de répartition.

iRemarque« Manger équilibré » n'est pas « manger la même chose »

Les besoins varient avec l'âge, le sexe, la masse, l'activité, l'état de santé, la grossesse. Un adolescent de seize ans en pleine croissance et pratiquant un sport peut avoir besoin de $3000$ kcal par jour, une personne âgée sédentaire de $1800$ . Les besoins en calcium culminent à l'adolescence, ceux en fer sont plus élevés chez les femmes réglées. Un tableau de « valeurs de référence » est une moyenne de population : il sert à orienter des politiques publiques et des étiquetages, pas à prescrire un menu individuel.

6.6 Déséquilibres alimentaires et santé publique

6.6.1 Deux déséquilibres opposés, souvent dans le même pays

Quatre déséquilibres nutritionnels dans le monde, en

proportion de la population concernée. Le fait marquant du XXI^e siècle est leur coexistence : le nombre de personnes en excès pondéral dépasse largement celui des personnes sous-alimentées, et les deux se rencontrent désormais dans les mêmes pays, parfois dans le même foyer.</div>

Méthode : Relier des déséquilibres alimentaires à la prévalence mondiale
de la dénutrition, des maladies cardiovasculaires, des diabètes ou de l'obésité</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text"> Le raisonnement est toujours le même : partir du déséquilibre du bilan, et non de l'aliment.

Apports durablement inférieurs aux dépenses $\Rightarrow$ dénutrition. L'organisme puise dans ses réserves, puis dans ses muscles. Conséquences : retard de croissance et émaciation chez l'enfant, fonte musculaire, immunité affaiblie. S'y ajoutent les carences spécifiques — fer (anémie), vitamine A (cécité), iode (goitre) —, qui touchent des populations bien plus nombreuses que la faim au sens strict.
Apports durablement supérieurs aux dépenses $\Rightarrow$ surpoids puis obésité. L'excédent est stocké sous forme de tissu adipeux. Le surpoids est lui-même un facteur de risque de plusieurs maladies :

diabète de type $2$ : l'excès de masse grasse, surtout abdominale, réduit la sensibilité des cellules à l'insuline, et la glycémie reste élevée ;
maladies cardiovasculaires : l'excès d'acides gras saturés et de sel favorise l'athérosclérose et l'hypertension, donc l'infarctus et l'accident vasculaire cérébral.

Ne jamais confondre corrélation et cause unique. L'obésité résulte d'un déséquilibre du bilan, mais les causes de ce déséquilibre sont multiples : disponibilité et prix des aliments très énergétiques, sédentarité, marketing, sommeil, facteurs génétiques, environnement social. Le bilan d'énergie explique le mécanisme ; il n'explique pas à lui seul la répartition sociale de la maladie, qui est très marquée.

$\leftrightarrow$ Proportions, pourcentages : comparer des prévalences, c'est comparer des proportions rapportées à des populations différentes ; il faut toujours préciser le dénominateur.

iRemarqueDiscuter des comportements alimentaires, pour soi et pour la

planète<div style='margin-top:8px' class='text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text'> Le programme invite à discuter des effets des régimes alimentaires « pour soi et pour la planète ». Les deux questions ne se confondent pas, et la pyramide des flux d'énergie de ce chapitre fournit l'argument central : chaque échelon trophique divise l'énergie disponible par environ dix. Produire une calorie animale mobilise donc beaucoup plus de surface, d'eau et d'énergie qu'une calorie végétale — d'un facteur qui varie fortement selon l'animal et le mode d'élevage. Cela dit, une prairie permanente n'est pas cultivable, un ruminant y valorise une cellulose que nous ne digérons pas, et les protéines animales apportent des nutriments (fer héminique, vitamine $B_{12}$ ) qu'un régime végétal doit compenser autrement. La conclusion honnête n'est donc pas « il faut faire ceci », mais : la question est réelle, elle se traite avec des chiffres, et ces chiffres dépendent du contexte.

6.7 Histoire des sciences : comment a-t-on découvert tout cela ?

6.7.1 Deux siècles pour comprendre qu'une plante mange de l'air

Vers $1640$ — Van Helmont pèse un saule. Le médecin flamand Jan Baptist van Helmont plante un saule de cinq livres dans un pot contenant une quantité de terre soigneusement pesée, l'arrose pendant cinq ans, puis pèse à nouveau : l'arbre fait $169$ livres, la terre a perdu deux onces. Sa conclusion — l'arbre s'est fait avec de l'eau — est fausse. Sa méthode, elle, est exemplaire : il a pesé. Et son résultat négatif est décisif : la matière du tronc ne vient pas du sol, comme chacun le croyait.

$1727$ — Hales soupçonne l'air. Dans Vegetable Staticks, Stephen Hales avance que les plantes tirent « une part de leur nourriture de l'air ». L'idée est en avance : on ne sait pas encore que l'air est un mélange.

$1771$ - $1772$ — Priestley et la souris. Joseph Priestley place une bougie sous une cloche : elle s'éteint. Il y place une souris : elle meurt. Mais s'il ajoute un brin de menthe et attend quelques jours, la bougie se rallume et une souris survit. La plante « restaure » l'air vicié. Priestley ne comprend pas pourquoi — il raisonne encore dans la théorie du phlogistique — mais l'effet est là, reproductible.

$1779$ — Ingenhousz trouve la condition manquante. Le Néerlandais Jan Ingenhousz refait l'expérience des centaines de fois et découvre ce que Priestley n'avait pas contrôlé : la lumière. À l'obscurité, la plante vicie l'air au lieu de le purifier ; et seules les parties vertes le purifient. En une année, il publie les deux conditions essentielles de la photosynthèse.

$1782$ - $1783$ — Senebier nomme le réactif. Le Genevois Jean Senebier établit que ce que la plante consomme est l'« air fixe », c'est-à-dire le dioxyde de carbone dissous dans l'eau.

$1804$ — Saussure quantifie. Nicolas-Théodore de Saussure, dans ses Recherches chimiques sur la végétation, mesure les masses et montre que la masse gagnée par la plante dépasse la masse de carbone du $CO X_{2}$ absorbé : l'eau entre donc, elle aussi, dans la matière produite. Van Helmont n'avait pas tort, il n'avait que la moitié de la réponse.

$1817$ — Pelletier et Caventou isolent la chlorophylle. Les pharmaciens parisiens Pierre Joseph Pelletier et Joseph Bienaimé Caventou extraient des feuilles le pigment vert et lui donnent son nom, du grec khloros, vert pâle, et phullon, feuille. Les mêmes isoleront ensuite la quinine et la strychnine.

$1882$ — Engelmann fait parler des bactéries. L'expérience décrite plus haut établit le premier spectre d'action de la photosynthèse et désigne les couleurs efficaces.

$1937$ - $1941$ — l'oxygène vient de l'eau. Robert Hill, puis l'équipe de Samuel Ruben et Martin Kamen avec l'oxygène $18$ , tranchent la question de l'origine du dioxygène.

$1946$ - $1954$ — Calvin suit le carbone à la trace. À Berkeley, Melvin Calvin, Andrew Benson et James Bassham exposent des algues à du dioxyde de carbone marqué au carbone $14$ , arrêtent la réaction à des instants successifs en plongeant la culture dans l'alcool bouillant, et séparent les molécules formées par chromatographie. Ils reconstituent ainsi, molécule après molécule, le cycle de fixation du carbone. Calvin reçoit le prix Nobel de chimie en $1961$ .

6.7.2 Mesurer la chaleur du vivant : les méthodes calorimétriques

$1783$ — Lavoisier, Laplace et un cochon d'Inde. Antoine Lavoisier et Pierre-Simon de Laplace construisent un calorimètre à glace : une double enceinte remplie de glace, dans laquelle on place l'objet dont on veut mesurer la chaleur dégagée ; la masse d'eau de fonte recueillie mesure cette chaleur. Ils y placent un cochon d'Inde, mesurent la chaleur qu'il produit et le dioxyde de carbone qu'il rejette, comparent avec la combustion d'une quantité équivalente de charbon — et concluent : « la respiration est donc une combustion ». C'est l'acte de naissance de la bioénergétique. Lavoisier a alors quarante ans ; il sera guillotiné onze ans plus tard.

$1885$ - $1894$ — Rubner établit les équivalences. L'Allemand Max Rubner montre que les nutriments sont interchangeables du point de vue énergétique — sa « loi des isodynamies » — et mesure la chaleur de combustion des glucides, lipides et protides.

$1896$ - $1903$ — Atwater met un homme dans un calorimètre. À l'université Wesleyan, aux États-Unis, Wilbur Olin Atwater et le physicien Edward Rosa construisent une chambre calorimétrique assez grande pour y loger un être humain pendant plusieurs jours. Ils y mesurent simultanément la chaleur dégagée, l'oxygène consommé et le dioxyde de carbone rejeté, et vérifient que le bilan se ferme : l'énergie des aliments ingérés se retrouve intégralement en chaleur, en travail et dans les excreta. La conservation de l'énergie vaut donc aussi pour un être vivant — ce qui n'allait pas de soi à l'époque. De ces travaux sortent les coefficients $4$ , $9$ et $4$ kilocalories par gramme qui figurent encore, cent-vingt ans plus tard, au dos de tous les emballages alimentaires.

iRemarqueCe que ces deux histoires ont en commun

Dans les deux cas, on a mesuré ce qui entre et ce qui sort, et l'on a exigé que le compte tombe juste. Van Helmont pèse la terre et l'arbre ; Ingenhousz compare lumière et obscurité ; Lavoisier compare la chaleur d'un animal et celle d'un charbon ; Atwater ferme le bilan d'un homme entier. La comptabilité — de la matière, puis de l'énergie — est le fil unique de deux siècles de découvertes. C'est aussi ce que le programme vous demande de savoir faire : établir un bilan et vérifier qu'il se ferme.

6.8 Bilan

Ce qu'il faut savoir

Les organismes chlorophylliens utilisent une infime partie — de l'ordre du millième — de l'énergie solaire reçue par la Terre pour synthétiser de la matière organique à partir de matière minérale (eau, ions, dioxyde de carbone) : c'est la photosynthèse.
La photosynthèse permet la nutrition de presque toutes les formes de vie de la planète.
Les molécules organiques peuvent être transformées, notamment par la respiration cellulaire, pour libérer l'énergie nécessaire au fonctionnement des êtres vivants.
L'alimentation apporte ces molécules organiques ; l'équilibre alimentaire, à la fois quantitatif et qualitatif, est un élément essentiel d'une bonne santé.

Ce qu'il faut savoir faire

Recenser, extraire et organiser des informations chiffrées pour situer l'importance planétaire de la photosynthèse, en distinguant toujours un stock d'un flux et en ramenant tout à la même unité.
Utiliser des données quantitatives sur l'apport énergétique des aliments dans un bilan d'énergie : apports d'un côté, métabolisme de base et activités de l'autre.
Mettre en évidence des aspects qualitatifs de l'équilibre alimentaire : répartition entre nutriments, micronutriments, éléments à limiter, diversité.
Relier un déséquilibre du bilan énergétique à la dénutrition d'un côté, au surpoids, au diabète de type $2$ et aux maladies cardiovasculaires de l'autre.

Quatre nombres à retenir

$0, 1 %$ : la part de l'énergie solaire absorbée que la photosynthèse conserve. $10 %$ : l'efficacité de transfert entre deux niveaux trophiques. $4$ , $9$ , $4$ : les kilocalories par gramme des glucides, des lipides et des protides. $80$ W : la puissance d'un être humain au repos.

Ce que ce chapitre dit de la science elle-même

Il aura fallu deux siècles pour admettre qu'un arbre est fait d'air. L'idée paraît aujourd'hui évidente ; elle était alors littéralement incroyable, parce qu'on ne voit pas l'air entrer et qu'on voit la plante grandir dans la terre. Van Helmont a pesé, et sa pesée a détruit l'explication reçue sans en fournir une autre. C'est la situation la plus inconfortable de la recherche, et la plus féconde : savoir que l'on a tort avant de savoir ce qui est vrai.

Le second fil de ce chapitre est celui de la comptabilité. Lavoisier compare la chaleur d'un cochon d'Inde à celle d'un morceau de charbon ; Atwater enferme un homme dans un calorimètre pour vérifier que le compte tombe juste ; nous vous demandons d'additionner deux colonnes et de constater qu'elles s'égalent. C'est le même geste, à cent-vingt ans de distance. Et il vous protège de bien des discours : quand un aliment, un régime ou un produit promet de faire disparaître de l'énergie, souvenez-vous que personne, jamais, n'a mis un bilan en défaut.

Continuer sur Adloun : animation, QCM, fiches, exercices