La photosynthèse est le processus par lequel les cellules des plantes fabriquent des glucides à partir de dioxyde de carbone et d’eau en utilisant la lumière et la chlorophylle. Certains considèrent que c’est une des réactions chimiques naturelles les plus importantes. La biosynthèse est le processus par lequel les cellules vivantes fabriquent des composés chimiques complexes.

Pourquoi l’herbe est verte : quelques explications sur la photosynthèse

"Dis, papa, pourquoi l’herbe est verte ? " Enfant, vous avez peut-être posé cette question. La réponse vous a-t-elle satisfait ? Les questions des enfants sont parfois très profondes. Elles peuvent nous aider à jeter un regard neuf sur les choses qui nous entourent, auxquelles nous ne prêtons plus attention, et nous révéler des merveilles cachées dont nous ne soupçonnions pas l’existence.

Pour comprendre pourquoi l’herbe est verte, il faut se représenter une chose qui, de prime abord, n’a pas grand rapport avec l’herbe. Essayez d’imaginer l’usine idéale. Elle serait, pour commencer, silencieuse et agréable à regarder. Son fonctionnement ne polluerait pas l’environnement et contribuerait même à l’améliorer. Bien sûr, ce qu’elle produirait serait utile, voire vital, pour tout le monde. Ne pensez-vous pas qu’elle devrait fonctionner à l’énergie solaire ? De cette façon, aucun apport d’électricité, de charbon ou de pétrole ne serait nécessaire.

De plus, notre usine utiliserait des panneaux solaires beaucoup plus efficaces que ceux dont nous disposons aujourd’hui : d’un bon rendement, peu coûteux et non polluants (aussi bien au stade de la production qu’à celui de l’utilisation). Équipée des moyens techniques les plus perfectionnés, l’usine idéale ne réclamerait pas pour autant des réparations et des réglages incessants, comme c’est souvent le cas avec les outils de pointe. Nous la voudrions entièrement automatisée ; aucune intervention extérieure ne serait nécessaire : les réparations, l’entretien, voire les nouvelles constructions seraient prises en charge par l’usine elle-même.

Tout cela n’est-il que de la science-fiction ? Un rêve inaccessible ? Non, l’usine idéale est aussi réelle que l’herbe sur laquelle vous marchez. Plus précisément, elle est l’herbe sur laquelle vous marchez, aussi bien que la fougère de votre bureau ou l’arbre que vous voyez par la fenêtre. En fait, l’usine idéale se trouve dans n’importe quelle plante verte ! Alimentées en énergie par la lumière du soleil, les plantes vertes utilisent du dioxyde de carbone (gaz carbonique), de l’eau et des minéraux pour produire, directement ou non, la nourriture de presque tout ce qui vit sur terre. Au cours de ce processus, elles renouvellent l’atmosphère en assimilant du dioxyde de carbone et en libérant de l’oxygène pur.

Au total, on estime que les plantes vertes de notre planète produisent chaque année entre 150 et 400 milliards de tonnes de sucre, ce qui représente une masse très supérieure à celle de la production des industries sidérurgique, automobile et aéronautique réunies. Pour ce faire, elles prélèvent sur les molécules d’eau des atomes d’hydrogène qu’elles fixent sur des molécules de dioxyde de carbone de l’air, ce qui aboutit à la production de composés hydrocarbonés ou, plus simplement, de sucres. Ce processus remarquable est la photosynthèse. Les plantes peuvent utiliser les molécules de sucre ainsi produites comme source d’énergie, ou les combiner de façon à synthétiser, soit de l’amidon qui jouera le rôle de réserve physiologique, soit de la cellulose, substance fibreuse et résistante qui constitue le tissu végétal. Rendez-vous compte ! Même l’impressionnant séquoia qui vous domine de ses 90 mètres a grandi comme cela : en faisant passer une à une les molécules d’eau et de dioxyde de carbone dans ses innombrables ‘ chaînes de montage ’ microscopiques que l’on appelle les chloroplastes. Mais comment l’usine fonctionne-t-elle exactement ?

Les rouages de la " machine "

Que notre usine puisse produire un séquoia en n’utilisant que de l’eau, de l’air et quelques minéraux, cela a de quoi surprendre mais ne relève pas pour autant de la magie. C’est en fait le résultat d’une conception intelligente et d’une technique très supérieure à celle que maîtrisent les hommes. Peu à peu, les chercheurs dévoilent les mystères de la photosynthèse et sont émerveillés par l’extrême complexité des réactions biochimiques qu’elle met en œuvre. Penchons-nous avec eux sur les rouages de ce mécanisme auquel toute forme de vie terrestre doit son existence. Pourquoi ne pas commencer par notre première question : " Pourquoi l’herbe est-elle verte ? "

Prenons notre fidèle microscope et examinons une feuille verte quelconque. À l’œil nu, nous avons l’impression que toute la feuille est verte, mais ce n’est qu’une illusion. Prises individuellement, les cellules que nous voyons au microscope ne sont pas si vertes que cela. La plupart sont plutôt transparentes, mais chacune contient entre 50 et 100 petits points verts. Ces points sont les chloroplastes, à l’intérieur desquels se produit la photosynthèse. C’est là que se trouvent les chlorophylles, des pigments verts sensibles à la lumière. Que se passe-t-il au juste dans les chloroplastes ?

Les chloroplastes ressemblent à des sacs contenant d’autres sacs encore plus petits, que l’on appelle les thylacoïdes. Nous avons enfin localisé la couleur verte de l’herbe. Les molécules chlorophylliennes vertes sont incrustées près de la surface des thylacoïdes. Leur répartition ne doit rien au hasard ; elles forment des ensembles hautement organisés qui ont reçu le nom de photosystèmes. La majorité des plantes vertes en contiennent deux types : le PS1 (photosystème 1) et le PS2 (photosystème 2). De façon comparable à des équipes spécialisées dans une usine, ils se répartissent les opérations correspondant aux différentes étapes de la photosynthèse.

Des " résidus " très appréciés

Quand la surface d’un thylacoïde est exposée à la lumière du soleil, les troupes de molécules chlorophylliennes du PS2, qui constituent l’ensemble antenne-chlorophylle piège, sont à leur poste, prêtes à piéger l’énergie lumineuse. Ces molécules ont la particularité d’absorber une longueur d’onde précise de la lumière rouge. Dans différentes parties du thylacoïde, les chlorophylles du PS1 guettent quant à elles les rayons lumineux d’une longueur d’onde un peu supérieure. En même temps, les molécules des différents pigments (chlorophylles, caroténoïdes et autres) absorbent les lumières bleue et violette.

Alors, pourquoi l’herbe est-elle verte ? Eh bien, parmi les différentes sortes de lumière auxquelles sont exposées les plantes, seule la verte ne leur est pas utile. Elle est donc simplement réfléchie, et c’est pour cette raison que nos yeux, ou les objectifs de nos appareils photo, peuvent la capter. N’est-il pas extraordinaire de penser que les teintes délicates du printemps ou les nuances émeraude de l’été, qui ravissent nos regards, correspondent en réalité à des longueurs d’onde dédaignées par les plantes ? Contrairement aux substances polluantes et aux déchets rejetés par les usines humaines, cette lumière " résiduelle " n’est certainement pas perdue pour nous lorsque nous regardons une belle prairie ou une forêt, et que cette vue nous remplit d’un sentiment de bien-être.

Retournons dans le chloroplaste, et plus particulièrement dans le photosystème 2. L’énergie provenant de la partie rouge du spectre lumineux est transmise aux électrons des molécules chlorophylliennes. Quand un électron est suffisamment " excité ", c’est-à-dire qu’il a reçu assez d’énergie, il est expulsé de la molécule et récupéré par un transporteur d’électrons dans la membrane du thylacoïde. Comme une danseuse de ballet qui passe d’un partenaire à l’autre, l’électron se déplace de molécule en molécule en perdant à chaque fois une partie de son énergie. Quand il n’est plus excité, il peut prendre la place d’un autre électron dans le PS1 (voir figure 1).

Mais le PS2, qui vient de perdre un électron, se retrouve chargé positivement et cherche à rétablir sa neutralité. Un peu comme quelqu’un qui s’aperçoit qu’on vient de lui voler son portefeuille, la région du PS2 connue sous le nom de système générateur d’oxygène est en pleine effervescence. Tiens, tiens ! Voilà justement une malheureuse molécule d’eau qui passe et qui risque d’avoir une mauvaise surprise.

Le dépeçage des molécules d’eau

Une molécule d’eau est constituée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène plus petits. Dans le système générateur d’oxygène du PS2 se trouvent quatre ions de manganèse capables d’arracher leurs électrons aux atomes d’hydrogène de la molécule d’eau, laquelle est alors dissociée en plusieurs éléments : deux ions hydrogène chargés positivement (protons), un atome d’oxygène et deux électrons. Au fur et à mesure que les molécules d’eau sont démembrées, les atomes d’oxygène s’assemblent pour former de l’oxygène, un gaz que la plante rejette dans la nature et que nous utilisons pour respirer. Les ions hydrogène s’accumulent dans les " sacs " formés par les thylacoïdes, où ils peuvent être utilisés par la plante, et les électrons alimentent le PS2, qui peut alors recommencer le cycle. Chaque seconde, le phénomène se répète à de nombreuses reprises (voir figure 2).

À l’intérieur du thylacoïde, les ions hydrogène accumulés commencent à vouloir sortir. Non seulement deux nouveaux ions arrivent à chaque fois qu’une molécule d’eau est " cassée ", mais quand des électrons passent du PS2 au PS1, ils attirent d’autres protons vers le PS2. Très vite, les ions hydrogène deviennent aussi frénétiques que des abeilles en colère dans une ruche surpeuplée. Comment peuvent-ils sortir ?

Il se trouve que le génial Inventeur de la photosynthèse a doté le thylacoïde d’une porte à tambour qui ne laisse passer les électrons que dans un sens. Cette porte est constituée d’une enzyme servant à fabriquer une source d’énergie très importante pour la cellule : l’ATP (adénosine triphosphate). En poussant la porte à tambour pour sortir, les électrons fournissent l’énergie grâce à laquelle les molécules d’ATP usées sont rechargées (voir figure 3). Les molécules d’ATP peuvent être comparées à de petites piles qui fournissent sur place à la cellule les apports d’énergie dont elle a besoin pour ses différentes réactions. Nous retrouverons ces molécules d’ATP un peu plus loin dans le processus de photosynthèse, quand nous parlerons de la chaîne de montage qui produit le sucre.

Outre l’ATP, une molécule de petite taille intervient dans la synthèse du sucre. Il s’agit du NADPH (une forme réduite de nicotinamide adénine dinucléotide phosphate). Les molécules de NADPH font office de transporteurs : chacune d’elles livre un atome d’hydrogène à une enzyme qui l’intègre dans la composition d’une molécule de sucre. C’est le PS1 qui est chargé de fournir le NADPH. Tandis que l’un des photosystèmes (le PS2) est occupé à dépecer les molécules d’eau et à synthétiser de l’ATP à l’aide de leurs constituants, l’autre photosystème (le PS1) absorbe la lumière et expulse des électrons qui seront utilisés pour la fabrication du NADPH. Les molécules d’ATP et de NADPH sont ensuite stockées à l’extérieur du thylacoïde en attendant leur utilisation sur la chaîne de montage du sucre.

Le travail nocturne

Des milliards de tonnes de sucre sont fabriquées chaque année grâce à la photosynthèse. Et pourtant, les réactions photochimiques de la photosynthèse ne jouent à proprement parler aucun rôle dans l’élaboration du sucre. Tout ce qu’elles produisent, ce sont l’ATP (les " piles ") et le NADPH (les " transporteurs "). Ce n’est qu’à partir de ce stade que les enzymes du stroma, l’espace extérieur aux thylacoïdes, utilisent l’ATP et le NADPH pour fabriquer du sucre. En réalité, la plante est capable de faire du sucre dans l’obscurité complète ! On peut comparer le chloroplaste à une usine qui travaille en continu : deux équipes (le PS1 et le PS2) s’activant à l’intérieur des thylacoïdes sont chargées de fabriquer des piles et des transporteurs (ATP et NADPH) qui sont utilisés par une troisième équipe composée d’enzymes spécialisées travaillant à l’extérieur, dans le stroma. Cette troisième équipe fait du sucre en ajoutant des atomes d’hydrogène aux molécules de dioxyde de carbone ; pour cela, des réactions chimiques rendues possibles par les enzymes du stroma doivent se dérouler dans un ordre précis. Les trois équipes peuvent travailler de jour ; en revanche, seule la troisième peut travailler de nuit lorsque c’est nécessaire, c’est-à-dire aussi longtemps que les réserves d’ATP et de NADPH accumulées pendant le jour ne sont pas épuisées.

Pour avoir une idée de ce qu’est le stroma, pensez à une agence matrimoniale cellulaire, pleine d’atomes et de molécules qui veulent se " marier " mais qui n’y arriveront jamais sans un coup de pouce. Certaines enzymes ressemblent fort à des entremetteuses insistantes. Ce sont des protéines dotées d’une forme particulière qui leur permet de capturer des atomes ou des molécules spécifiques et de les faire réagir entre eux. Non contentes de présenter les futurs conjoints l’un à l’autre, les enzymes vont jusqu’à les rapprocher d’autorité, organisant une sorte de mariage biochimique forcé. Après la cérémonie, elles libèrent la molécule qu’elles ont contribué à former et recommencent leur manœuvre, encore et encore. Dans le stroma, les enzymes travaillent à une vitesse incroyable sur les molécules de sucre en cours d’élaboration. Elles les recomposent, leur fournissent de l’énergie grâce à l’ATP, leur ajoutent du dioxyde de carbone et de l’hydrogène et, enfin, libèrent un sucre à trois atomes de carbone qui sera transformé, ailleurs dans la cellule, en glucose et en de nombreux autres composés.