Photosynthèse : notions de base
La photosynthèse est une réaction chimique par laquelle les plantes absorbent la lumière et la transforment en sucres et en oxygène. Il s'agit d'un processus très complexe dont dépendent presque tous les êtres vivants sur Terre. Mais comment cela fonctionne-t-il au juste?
Les plantes sont des organismes autotrophes, ce qui signifie qu'elles sont capables de produire leur propre nourriture et qu'elles supportent d'autres organismes. Sans le soleil, le photosynthèse n'aurait pas lieu et il ne pourrait y avoir de vie.
La photosynthèse est une réaction chimique par laquelle le dioxyde de carbone (CO2) et l'eau forment des sucres et de l'oxygène en présence d'énergie lumineuse. Les sucres produits sont utilisés par la plante comme source d'énergie alimentaire. Dans des conditions naturelles, le soleil fournit l'énergie qui déclenche la photosynthèse.
Les plantes utilisent une portion spécifique du spectre solaire pour la photosynthèse, appelée « rayonnement photosynthétiquement actif » (RPA) (Figure1). RPA est la région de la radiation solaire située entre 400 et 700 nm.
Pourquoi les feuilles sont-elles vertes?
Aussi incroyable que cela puisse être, les plantes utilisent moins de 5 % de l'énergie émise par le soleil pour la photosynthèse. Chez les plantes, le processus de la photosynthèse a lieu dans les chloroplastes à l'intérieur des cellules végétales. Cet organe contient le pigment chlorophylle (pigment vert) en charge d'absorber la lumière du soleil. Les plantes contiennent deux types de chlorophylle : la chlorophylle a, qui absorbe principalement la lumière violette et rouge, et la chlorophylle b, qui absorbe la lumière bleue et rouge.
Les deux types réfléchissent la lumière verte, ce qui explique pourquoi les feuilles paraissent vertes. La chlorophylle b et les caroténoïdes (un autre pigment dans le chloroplaste) sont appelés « pigments accessoires ». Les chloroplastes qui contiennent la chlorophylle sont situés dans des membranes appelées « thylakoïdes ». L'équation générale pour la photosynthèse est :
6CO2 + 6H2O + énergie → C6H12O6 + 6O2
Stomates
La photosynthèse se produit surtout dans les feuilles des plantes. Toutefois, elle peut aussi se produire dans les tiges, mais dans une moindre proportion. La photosynthèse commence lorsque le CO2 entre dans la feuille par les stomates (ouvertures dans les feuilles) (Figure 2). La plupart des stomates sont situés sous les feuilles afin d'éviter les pertes d'eau excessives. Les stomates permettent l'échange de CO2, d'oxygène et de vapeur d'eau entre la feuille et son environnement.
Photosynthèse: un processus en 2 étapes
Le processus de la photosynthèse se déroule en deux étapes : la réaction claire et la réaction sombre. La réaction claire (nécessitant de la lumière) se produit dans les thylakoïdes et convertit la lumière en énergie chimique. L'énergie chimique produite est ensuite utilisée pour fixer le CO2 en carbohydrate, ce qui constitue la réactions sombre, aussi appelée « cycle de Calvin ». Le cycle de Calvin se produit dans les stroma du chloroplaste. Les sous-produits de ces réactions sont le glucose, lequel est utilisé par la plante, et l'oxygène, qui est libéré dans l'atmosphère par les stomates.
Les plantes n'utilisent pas toutes la même voie pour fixer le CO2; par conséquent, les réactions sombres peuvent être classées comme suit : voie C3, voie C4 et voie CAM. Les plantes C3 sont adaptées aux climats tempérés tandis que les plantes C4 sont adaptées aux climats chauds et secs. Les plantes CAM sont principalement des cactus; elles ouvrent leurs stomates la nuit pour réduire les pertes d'eau par la transpiration.
Les facteurs qui influencent la photosynthèse
Qualité de la lumière
Tel que mentionné plus haut, les plantes effectuent la photosynthèse lorsqu'elles sont exposées à la radiation RPA; cela fait référence à la qualité de la lumière (Figure 1). Comme la chlorophylle absorbe plus efficacement la lumière violette et rouge, il est préférable d'exposer les plantes à cette qualité de lumière, à une certaine intensité (quantité d'énergie). Lors du choix de sources d'éclairage supplémentaires, et particulièrement lorsqu'on travaille exclusivement avec de la lumière artificielle, il est important de choisir judicieusement.
Par exemple, les ampoules incandescentes ont une faible efficacité puisque la majeure partie de l'énergie est utilisée pour chauffer la lampe. De plus, l'énergie lumineuse est principalement fournie dans la région rouge. Les lampes à sodium à haute pression (SHP) et les diodes électroluminescentes sont les sources de lumière les plus efficaces sur le marché. Les lampes SHP ont deux pointes dans la région RPA : une petite dans le bleu et une plus grosse qui couvre les régions jaune, orange et rouge du spectre.
Intensité de la lumière
Quelle que soit la source d'énergie lumineuse, les plantes ont besoin d'une intensité de lumière minimum pour déclencher le processus de photosynthèse. Ce point est appelé « point de compensation de la lumière ». Lorsque ce point est atteint, le CO2 absorbé est égal au CO2 libéré. Plus l'intensité de la lumière et la quantité d'énergie provenant de la source lumineuse augmentent, plus le taux de photosynthèse est élevé.
Toutefois, cela ne signifie pas que l'intensité de la lumière peut être infinie. Lorsque l'intensité de la lumière atteint un certain point, le taux de photosynthèse reste stable. De plus, la chlorophylle peut être endommagée par une intensité lumineuse excessive, ce qui entraîne la diminution du taux de photosynthèse.
Revêtement
Il est important de connaître le point de compensation de la lumière des plantes cultivées lors du choix du revêtement de la serre. Les matériaux de revêtement ne transmettent pas tous la lumière de la même façon, et il en va de même pour les toiles à ombrer. Les revêtements plus usés transmettent moins de lumière que les revêtements neufs (ils deviennent plus opaques avec le temps, des résidus s'accumulent, etc.). La structure est un autre facteur important en ce qui concerne la transmission de la lumière dans une serre. Par exemple, les serres en verre ont une structure plus complexe (pannes, barres de châssis, chevrons, etc.) qu'une serre dont le revêtement est en polyéthylène.
Par conséquent, la structure d'une serre en verre crée plus d'ombre que celle d'une serre en polyéthylène. Le taux de photosynthèse des plantes diminue du même pourcentage que la quantité de lumière bloquée. La production est elle aussi réduite du même pourcentage. Ainsi, il faut nettoyer adéquatement le revêtement de la serre au début de la saison pour assurer une transmission optimale de la lumière.
Température
La température influence l'activité des enzymes responsables d'assister lors des réactions chimiques dans le cycle Calvin. Lorsque les températures sont basses, l'activité des enzymes est lente. Lorsque les températures augmentent, l'activité des enzymes qui assistent lors de ces réactions chimiques augmente aussi jusqu'à un certain point, qui constitue la réponse optimale à la température. C'est à ce point que le taux de photosynthèse des plantes est le plus élevé.
Lorsque la température continue à grimper au-delà de ce point, l'activité des enzymes diminue jusqu'à ce que la photosynthèse s'arrête. Il est important de se rappeler que le taux de photosynthèse chez les plantes C3 est plus élevé en conditions froides, tandis que c'est le contraire chez les plantes C4.
Dioxyde de carbone
À part l'eau et la lumière, l'autre composante requise pour effectuer la photosynthèse est le dioxyde de carbone (CO2). Il est important de maintenir des valeurs de CO2 suffisamment élevées pour la photosynthèse. Le CO2 entre par les stomates de la feuille (Figure 2); cet organite s'ouvre et se referme selon différents paramètres. Lorsque la plante subit un stress hydrique, qu'elle est exposée à de forts vents, qu'elle vit des carences nutritionnelles ou lorsque le déficit de saturation est trop élevé, les stomates se referment, interrompant l'échange d'oxygène, de CO2 et de vapeur d'eau entre la plante et l'atmosphère. Il en résulte une diminution du taux de photosynthèse.
À l'intérieur de la serre
Il est important de remplacer le volume d'air à l'intérieur de la serre, riche en oxygène, par de l'air frais provenant de l'extérieur, et ce, plusieurs fois par heure. Cela permet de maintenir des niveaux de CO2 atmosphérique adéquats. Il est d'autant plus important de le faire en hiver, puisque la serre est fermée à l'environnement extérieur afin de minimiser les pertes de chaleur.
Les plantes C3 profiteraient d'une injection de CO2 dans la serre puisque le taux de photosynthèse de ces plantes augmente, jusqu'à un certain point, avec la hausse du niveau de CO2. Le taux de photosynthèse des plantes exposées à des concentrations élevées de CO2 peut augmenter davantage lorsque la température est dans zone optimale pour la photosynthèse.
