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Fiche explicative de la leçon : Expériences de photosynthèse Biologie

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.

La réaction de photosynthèse chez les plantes

dioxidedecarbone+eauglucose+oxygèneénergielumineuse ou 6CO+6HOCHO+6O2261262énergielumineuse

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.

Définition: Chlorophylle

La chlorophylle est une classe de pigments verts présents dans les chloroplastes des plantes et qui absorbe l’énergie lumineuse nécessaire à la photosynthèse.

Définition: Bactériochlorophylle

La bactériochlorophylle est une classe de pigments photosynthétiques contenus dans les bactéries photosynthétiques.

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

La réaction de photosynthèse chez les bactéries sulfureuses vertes et pourpres

dioxidedecarbone+sulfuredhydrogèneglucose+eau+soufreénergielumineuse ou 6CO+12HSCHO+6HO+12S2261262énergielumineuse

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.

Exemple 1: Rappel des idées de Van Niel sur la photosynthèse chez les plantes

Après ses expériences avec des bactéries photosynthétiques, qu’a supposé Van Niel à propos de la photosynthèse chez les plantes vertes?

  1. Les réactions seraient complètement identiques.
  2. Les réactions seraient très similaires, mais le réactif serait de l’oxygène au lieu du dioxyde de carbone.
  3. Les réactions seraient complètement différentes.
  4. Les réactions seraient très similaires, mais du saccharose se formerait au lieu du glucose.
  5. Les réactions seraient très similaires, mais de l’eau serait décomposé au lieu du sulfure d’hydrogène.

Réponse

Différents organismes sont capables de produire leurs propres nutriments en convertissant des composés inorganiques en composés organiques. La photosynthèse chez les plantes est un processus biologique qui transforme l’eau et le dioxyde de carbone en glucose et en oxygène grâce à l’énergie lumineuse.

Van Niel était un microbiologiste qui a étudié la photosynthèse chez des bactéries sulfureuses vertes et pourpres. Dans ces réactions, le dioxyde de carbone et le sulfure d’hydrogène ont été convertis en glucose, en eau et en soufre. Il a pu comparer cette réaction à celle observée chez les plantes. Voyons les deux équations pour comprendre les similitudes et les différences:

La photosynthèse chez les plantes vertes:dioxidedecarbone+eauglucose+oxygène6CO+6HOCHO+6Oénergielumineuseénergielumineuse2261262

La photosynthèse chez les bactéries:dioxidedecarbone+sulfuredhydrogèneglucose+eau+soufre6CO+12HSCHO+6HO+12Sénergielumineuseénergielumineuse2261262

Comme nous pouvons le voir, les réactifs contenant de l’hydrogène diffèrent, mais le dioxyde de carbone est un réactif dans les deux cas. Les produits diffèrent également;les bactéries produisent du soufre, tandis que les plantes produisent de l’oxygène. Dans les deux réactions, le glucose est un produit.

Nous pouvons voir que les réactions ne sont pas identiques, mais elles ne sont aussi pas complètement différentes. En repensant à nos options, nous devrions être en mesure de déterminer que E est la bonne réponse:Van Niel a supposé que chez les plantes, les réactions seraient très similaires, mais de l’eau serait décomposé au lieu du sulfure d’hydrogène.

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, 16O et 18O. L’isotope 18O possède deux neutrons de plus dans le noyau de l’atome par rapport à l’isotope « ordinaire » 16O. L’oxygène 18 est plus « lourd » que l’oxygène 16, ce qui permet de le tracer lors des réactions.

Définition: Isotopes

Les isotopes sont des atomes du même élément qui ont le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.

Ainsi, pour étudier les idées proposées par Van Niel sur la photosynthèse, l’eau que ces scientifiques ont utilisée contenait l’isotope 18O au lieu de l’isotope couramment trouvé dans l’eau, 16O. Cependant, le dioxyde de carbone contenait encore de l’oxygène « ordinaire » sous la forme de l’isotope 16O. Il a été trouvé que l’oxygène gazeux produit lors de la photosynthèse contenait l’isotope 18O. 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 18O est indiqué par les atomes d’oxygène en rouge:6CO+12HOCHO+6HO+6O22612622énergielumineuse

Pour confirmer cela, les scientifiques ont ensuite échangé les isotopes:le dioxyde de carbone contient maintenant l’isotope 18O et l’eau contient l’isotope « ordinaire » 16O. Ils ont constaté que dans ce cas, l’oxygène gazeux contient l’isotope 16O. L’équation chimique pour cette réaction est représentée ci-dessous, et l’isotope 18O est indiqué par les atomes d’oxygène en rouge:6CO+12HOCHO+6HO+6O22612622énergielumineuse

Exemple 2: Décrire les expériences avec les isotopes de l’oxygène qui ont confirmé les idées de Van Niel

Le travail de Van Niel a été approuvé par un autre groupe de scientifiques. Ils ont effectué une réaction photosynthétique où les plantes ont été alimentées avec de l’eau contenant l’isotope de l’oxygène 18 et du dioxyde de carbone contenant l’isotope de l’oxygène 16. Quel est l’isotope de l’oxygène produit par la photosynthèse?

  1. l’oxygène 16
  2. l’oxygène 18
  3. l’oxygène 18 et l’oxygène 16
  4. ni l’un ni l’autre

Réponse

La photosynthèse est le processus par lequel les plantes, et certains autres organismes, produisent leurs propres nutriments en transformant des molécules inorganiques en molécules organiques. Ils produisent également de l’oxygène comme produit, ce qui est extrêmement important pour la respiration cellulaire de tous les organismes vivants. Les équations de base pour la photosynthèse chez les plantes sont fournies ci-dessous:dioxidedecarbone+eauglucose+oxygène6CO+6HOCHO+6Oénergielumineuseénergielumineuse2261262

Van Niel était un microbiologiste qui a étudié la photosynthèse chez certaines espèces de bactéries sulfureuses vertes et pourpres, et l’a comparée à celle des plantes. Chez les bactéries sulfureuses vertes et pourpres, les équations de la photosynthèse sont les suivantes:dioxidedecarbone+sulfuredhydrogèneglucose+eau+soufre6CO+12HSCHO+6HO+12Sénergielumineuseénergielumineuse2261262

Chez les bactéries sulfureuses, c’est l’eau et le soufre qui sont les produits de la photosynthèse à la place de l’oxygène. Pour produire le soufre, le réactif contenant de l’hydrogène, le sulfure d’hydrogène, est décomposé. Si nous appliquons ce modèle à la photosynthèse chez les plantes, nous pouvons supposer que l’eau est décomposée pour produire de l’oxygène.

Van Niel a fait cette hypothèse, et pour confirmer cela, un groupe de scientifiques a mené une expérience sur la photosynthèse des plantes en utilisant différents isotopes de l’oxygène. Au départ, ils ont remplacé l’isotope 16O communément trouvé dans les molécules d’eau avec l’isotope 18O et ont suivi la progression de cet isotope. Ils ont trouvé que l’isotope 18O était présent dans l’oxygène produit plutôt que dans le glucose. Dans l’équation ci-dessous, l’isotope 18O est désigné par l’atome d’oxygène en rouge:6CO+12HOCHO+6HO+6O22612622énergielumineuse

Si nous nous repenchons sur notre question, on nous demande quel isotope sera présent dans l’oxygène produit si l’eau contient l’isotope de l’oxygène 18 et si le dioxyde de carbone contient l’isotope de l’oxygène 16. Nous savons maintenant que l’oxygène produit par la photosynthèse provient de la décomposition de l’eau, donc l’isotope qui se trouve dans l’eau sera celui présent dans l’oxygène.

Par conséquent, la bonne réponse est B:l’oxygène 18.

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 14C, plutôt que l’isotope plus courant 12C. 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.

Terme clé: Phosphoglycéraldéhyde / PGAL (Glycéraldéhyde-3-phosphate / G3P, Triose phosphate / TP)

Le phosphoglycéraldéhyde est un composé à 3 atomes de carbone produit lors de la phase de la photosynthèse indépendante de la lumière et est utilisé pour former d’autres composés organiques.

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 »!

Terme clé: NADP (Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphate)

Le NADP, ou nicotinamide adénine dinucléotide phosphate, est une coenzyme qui fonctionne comme un accepteur d’électrons et peut accepter les hydrogènes pour former le NADPH, ou un NADP réduit.

Terme clé: ATP (Adénosine Triphosphate)

L’ATP, ou adénosine triphosphate, est la molécule qui stocke l’énergie chimique chez les organismes vivants.

Exemple 3: Expliquer les utilisations du PGAL dans les cellules végétales

Melvin Calvin a étudié la photosynthèse chez les algues. Il a déterminé qu’un composé à 3 atomes de carbone s’était formé au cours du processus. Pour quoi les atomes de carbone de ce composé sont-ils utilisés dans les cellules végétales?

  1. pour agir comme des molécules de signalisation cellulaire
  2. pour synthétiser des molécules biologiques clés telles que le glucose, l’amidon, les protéines et les graisses
  3. pour aider à synthétiser d’autres éléments clés tels que l’oxygène, l’hydrogène et le calcium
  4. pour être utilisés comme réactifs dans la chimiosynthèse

Réponse

La photosynthèse chez les plantes et les algues est le processus par lequel les organismes produisent leurs propres nutriments, et c’est un processus extrêmement important pour tous les êtres vivants sur Terre. Si elle n’est pas utilisée pour produire leur nourriture, elle produit l’oxygène dont les organismes vivants ont besoin pour respirer!

Il y a deux phases distinctes et successives dans la photosynthèse:la phase dépendante de la lumière et la phase indépendante de la lumière. Pour que la photosynthèse se produise, les cellules de l’organisme photosynthétique doivent être exposées à la lumière, même si ce n’est que pendant un bref instant!

Lorsque Melvin Calvin a étudié la photosynthèse chez les algues, il a exposé les algues à un éclair de lumière bref, puis les a versées dans de l’alcool chaud. Cela avait pour but d’initier la photosynthèse, puis de l’arrêter rapidement. Après plusieurs expériences, il a découvert qu’un composé à 3 atomes de carbone s’était produit. Ce composé à 3 atomes de carbone, connu sous le nom de phosphoglycéraldéhyde, ou PGAL, est extrêmement important pour les plantes. À partir de chaque molécule produite, un carbone est prélevé et utilisé pour former d’autres composés organiques.

Par exemple, le glucose est un composé extrêmement important car il est facilement décomposé lors de la respiration cellulaire pour fournir de l’énergie aux cellules. Le glucose est un composé à 6 atomes de carbone. Un carbone est extrait à partir de six molécules de PGAL et combiné pour former du glucose. Le glucose peut ensuite être stocké sous une forme insoluble telle que l’amidon. Les protéines et les graisses sont également des composés contenant du carbone, qui sont synthétisés à partir des atomes de carbone du PGAL.

Par conséquent, la bonne réponse doit être B:pour synthétiser des molécules biologiques clés telles que le glucose, l’amidon, les protéines et les graisses.

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.

Points clés

  • Chez les plantes, la réaction de la photosynthèse est dioxidedecarbone+eauoxygène+glucoseénergielumineuse
  • Grâce aux points communs entre le processus de photosynthèse chez les plantes et les bactéries sulfureuses vertes et pourpres, Van Niel a suggéré que l’oxygène produit par les plantes provenait de l’eau.
  • Les expériences suivantes utilisant des isotopes de l’oxygène ont confirmé les idées proposées par Van Niel.
  • La photosynthèse chez les plantes est divisée en deux cycles, la phase dépendante de la lumière et la phase successive indépendante de la lumière (également connu sous le nom de cycle de Calvin).
  • Melvin Calvin et son équipe ont mené des expériences sur les algues Chlorella pour déterminer le rôle du phosphoglycéraldéhyde dans la photosynthèse, les composés intermédiaires et la réaction de la phase indépendante de la lumière.

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