De la conversion biologique de l'énergie solaire par la photosynthèse à l'énergie nécessaire à tous les êtres vivants
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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 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 , avec un cochon d'Inde et un calorimètre à glace.
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 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.
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 où 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.
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 (, , , …). 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.
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.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.
L'équation est équilibrée, mais elle ne dit pas d'où viennent les atomes d'oxygène du dioxygène : du ou de l'eau ? Les deux hypothèses ont coexisté pendant un siècle.
En , 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 . La preuve directe arrive en : Samuel Ruben, Merle Randall, Martin Kamen et James Hyde fournissent à des algues de l'eau enrichie en oxygène , un isotope lourd, et retrouvent cet oxygène dans le dioxygène dégagé. L'oxygène de l'air que vous respirez vient de l'eau.
Conséquence : l'équation rigoureuse s'écrit 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.
Un pigment est une molécule qui absorbe certaines longueurs d'onde de la lumière visible. Les feuilles en contiennent plusieurs : la chlorophylle (le pigment central, présent chez tous les organismes photosynthétiques produisant du dioxygène), la chlorophylle , 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.
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.En , 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 W d'énergie solaire, soit sur une année 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 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 milliards de tonnes de matière sèche, et, à raison de quelque kJ par gramme, à
Le rapport des deux vaut soit environ un millième — . Voilà ce que « infime » veut dire.
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.Méthode : Recenser, extraire et organiser des informations pour prendre conscience de l'importance planétaire de la photosynthèse
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 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. « milliards de tonnes de carbone dans la biomasse végétale » est un stock ; « 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 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 ».
Proportions et pourcentages, grandeurs et mesures : voir le chapitre « Analyse de l'information chiffrée » de la partie mathématique.
- Contre l'humanité. L'énergie stockée chaque année par la photosynthèse, J, vaut environ six fois la consommation mondiale d'énergie primaire, qui est de l'ordre de 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 chez la plupart des plantes. Au champ, une culture bien conduite atteint à . La moyenne planétaire, , 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 milliards de tonnes de carbone. Les activités humaines en réémettent aujourd'hui de l'ordre de milliards par an sous forme de 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.