Lesson Explainer: Expériences de photosynthèse Biologie • Second Year of Secondary School

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les expériences menées par Van Niel et Calvin, et à expliquer comment celles-ci ont amélioré notre compréhension de la photosynthèse.

La photosynthèse est un processus extrêmement important, pour les plantes et pour tous les animaux sur Terre ! En transformant le dioxyde de carbone et l’eau en glucose et en oxygène grâce à l’énergie lumineuse, les plantes non seulement se nourrissent, mais elles procurent aussi de l’oxygène, ce qui est crucial aux organismes qui respirent.

Frederick Blackman était un scientifique qui a mené des recherches sur la photosynthèse chez les plantes. Il a effectué des expériences portant sur les facteurs limitants de la photosynthèse : la lumière, la température et la concentration de dioxyde de carbone. Il a déterminé à travers ses expériences qu’il y a deux phases principales de la photosynthèse chez les plantes : la phase dépendante de la lumière et la phase indépendante de la lumière. Vous pouvez voir ci-dessous l’équation générale de la photosynthèse chez les plantes.

Ici, nous allons examiner quelques expériences importantes qui nous ont aidés à déterminer les réactifs, le processus et les produits des réactions biologiques impliquées dans la photosynthèse.

Au début des années 1930, Cornelis Bernardus van Niel, un microbiologiste néerlandais-américain, a étudié le processus de photosynthèse chez les bactéries sulfureuses vertes et pourpres. Ces bactéries se sont avérées être des spécimens très intéressants à étudier. Elles contiennent de la bactériochlorophylle, des pigments très semblables à la chlorophylle des plantes vertes. Elles vivent dans des environnements marécageux ou des étangs, où le gaz de sulfure d’hydrogène y est abondant. Il s’agit du gaz qu’elles utilisent pour la photosynthèse.

La réaction pour la photosynthèse chez ces bactéries sulfureuses vertes et pourpres est donnée ci-dessous.

Comme vous l’avez peut-être remarqué, cette réaction est très similaire au processus de photosynthèse chez les plantes vertes. Les deux réactions convertissent le dioxyde de carbone et un composé contenant de l’hydrogène en glucose, et les deux utilisent l’énergie captée par la lumière. La plus grosse différence est que, chez les bactéries sulfureuses vertes et pourpres, le réactif du sulfure d’hydrogène remplace l’eau, et par conséquent, le soufre et l’eau sont des produits en plus du glucose. Chez les plantes vertes, c’est l’oxygène qui est produit à la place du soufre.

On pensait autrefois que l’oxygène produit par la photosynthèse provenait du dioxyde de carbone. Cependant, en déterminant les réactifs et les produits de la photosynthèse chez les bactéries sulfureuses vertes et pourpres, Van Niel suggéra plutôt que l’oxygène libéré par les plantes lors de la photosynthèse venait de l’eau.

L’idée de Van Niel sur la façon dont les plantes photosynthétisantes produisent de l’oxygène a été confirmée en 1941 par un groupe de scientifiques qui voulaient vérifier son travail. Ce groupe de scientifiques de l’Université de Californie a mené des expériences avec l’algue verte « Chlorella », qui est capable de photosynthétiser grâce à la chlorophylle.

Les algues ont été conservées dans des conditions favorisant la photosynthèse. Elles ont reçu du dioxyde de carbone, de l’eau et de la lumière. Cependant, les scientifiques ont effectué une importante modification chimique en utilisant un autre isotope de l’oxygène dans l’eau donnée aux algues. Récapitulons rapidement ce qu’est un isotope et pourquoi il est si important.

Un isotope est un atome d’un élément qui a le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons. La figure 1 ci-dessous illustre les deux isotopes de l’oxygène qui nous intéressent, et . L’isotope possède deux neutrons de plus dans le noyau de l’atome par rapport à l’isotope « ordinaire » . L’oxygène 18 est plus « lourd » que l’oxygène 16, ce qui permet de le tracer lors des réactions.

Ainsi, pour étudier les idées proposées par Van Niel sur la photosynthèse, l’eau que ces scientifiques ont utilisée contenait l’isotope au lieu de l’isotope couramment trouvé dans l’eau, . Cependant, le dioxyde de carbone contenait encore de l’oxygène « ordinaire » sous la forme de l’isotope . Il a été trouvé que l’oxygène gazeux produit lors de la photosynthèse contenait l’isotope . Ces résultats précieux ont bien confirmé l’idée de Van Niel selon laquelle la source d’oxygène dans la photosynthèse est l’eau. L’équation chimique de cette réaction est représentée ci-dessous, et l’isotope est indiqué par les atomes d’oxygène en rouge : 

Pour confirmer cela, les scientifiques ont ensuite échangé les isotopes : le dioxyde de carbone contient maintenant l’isotope et l’eau contient l’isotope « ordinaire » . Ils ont constaté que dans ce cas, l’oxygène gazeux contient l’isotope . L’équation chimique pour cette réaction est représentée ci-dessous, et l’isotope est indiqué par les atomes d’oxygène en rouge : 

Comme mentionné précédemment, la photosynthèse se déroule en deux phases principales : la phase dépendante de la lumière (ou la réaction dépendante de la lumière) et la phase indépendante de la lumière (souvent appelée le cycle de Calvin). Ces étapes se produisent l’une après l’autre, de sorte que la phase dépendante de la lumière se produit en premier et fournit les réactifs nécessaires pour la réalisation de la phase indépendante de la lumière. Par conséquent, pour que la photosynthèse ait lieu, les pigments photosynthétiques, comme la chlorophylle, doivent être exposés à la lumière.

Melvin Calvin était un biochimiste américain qui a commencé à étudier le processus de photosynthèse en 1946. Son équipe a également utilisé des isotopes, cette fois du carbone, pour déterminer les produits clés formés lors de la phase dépendante de la lumière.

Calvin et son équipe ont pris une population d’algues Chlorella et les ont placées dans l’appareil comme le montre la figure 2. Les algues ont été alimentées en dioxyde de carbone contenant l’isotope , plutôt que l’isotope plus courant . Cet isotope du carbone est radioactif, ce qui a permis à Calvin de suivre le trajet des atomes de carbone durant le processus. Les algues Chlorella ont ensuite été exposées brièvement à la lumière pour initier la photosynthèse.

Après ce bref flash, les algues sont versées dans un bécher d’alcool chaud placé en dessous. Cela arrêtera rapidement toute réaction biochimique en cours, en détruisant le protoplasme des cellules d’algues.

En étudiant les algues après ce processus, il a été constaté que même avec un très, très bref éclair de lumière, un composé à 3 atomes de carbone s’était formé. Ce composé à 3 atomes de carbone était le phosphoglycéraldéhyde, aussi appelé glycéraldéhyde-3-phosphate ou triose phosphate.

Le phosphoglycéraldéhyde, ou PGAL, est un composé très important pour les plantes. En utilisant le PGAL, les plantes peuvent produire une variété d’autres composés organiques essentiels à la vie. Ceux-ci incluent le glucose, qui est décomposé lors de la respiration cellulaire pour fournir de l’énergie aux organismes ; l’amidon, qui stocke le glucose ; les protéines, qui sont importantes pour la croissance et la réparation des cellules et des tissus et les graisses, qui stockent l’énergie et servent d’isolants.

Melvin Calvin a ensuite développé l’idée de la phase de la photosynthèse indépendante de la lumière. En initiant à plusieurs reprises la photosynthèse chez les algues et en l’arrêtant à différents moments, il a démontré que la phase indépendante de la lumière était composée de plusieurs réactions et composés intermédiaires, comme indiqué sur la figure 3 ci-dessous.

En raison de ses travaux, l'étape de la photosynthèse indépendante de la lumière a été nommée d'après lui ; peut-être entendez-vous aujourd'hui parler du « cycle de Calvin » ! 

Grâce aux travaux expérimentaux de Van Niel, de Calvin et de leurs équipes, nous avons des informations précieuses sur le processus de la photosynthèse. Nous savons que l’oxygène produit par les plantes vertes lors de la photosynthèse provient de l’eau qu’elles absorbent. Afin que toute étape de la photosynthèse puisse se réaliser, nous savons que l’organisme photosynthétique doit être exposé à la lumière, même très brièvement. Grâce à Melvin Calvin et à son travail qui lui a valu le prix Nobel, nous connaissons maintenant les composés et les réactions impliqués dans le cycle de Calvin et comprenons comment le PGAL est à l’origine de nombreux composés organiques importants.

Résumons ce qui a été appris dans cette fiche explicative.