Video Transcript
Dans cette vidéo, nous allons rappeler quelques éléments importants de la
photosynthèse. Nous décrirons également les expériences menées par van Niel et Calvin et
soulignerons comment elles ont contribué à notre compréhension de la
photosynthèse. C’est parti.
Comme tous les organismes vivants, les plantes ont besoin de nourriture pour rester
en vie et en bonne santé. Mais contrairement aux animaux, les plantes ne peuvent pas se déplacer pour chasser
ou cueillir leur nourriture. Elles réalisent à la place la photosynthèse. Vous vous souvenez peut-être que la photosynthèse est la réaction chimique par
laquelle les plantes convertissent le dioxyde de carbone et l’eau en glucose et en
oxygène. On peut en apprendre un peu plus sur la photosynthèse rien qu'avec le mot. Photo- signifie lumière et synthèse signifie fabriquer, donc la photosynthèse fait
référence à un processus qui fabrique de la nourriture en utilisant l'énergie
lumineuse.
Frederick Blackman était un scientifique qui a déterminé que la photosynthèse chez
les plantes comprend deux étapes principales: une étape qui dépend complètement de
la lumière disponible et une étape qui est indépendante de la lumière. Ainsi, même si une des étapes de la photosynthèse peut se dérouler dans l'obscurité,
la réaction globale ne se produira pas sans la présence d'une source de lumière. Examinons maintenant quelques expériences clés, à commencer par celles menées par
Cornelius Bernardus van Niel.
Dans les années 1930, van Niel étudia la photosynthèse chez les bactéries sulfureuses
vertes et pourpres. Ces bactéries contiennent des pigments appelés bactériochlorophylle. Vous reconnaissez peut-être la partie chlorophylle du mot. Il s’agit du pigment présent dans les cellules végétales qui capte l’énergie
lumineuse dont la plante a besoin pour la photosynthèse. La bactériochlorophylle fait la même chose, mais chez les bactéries sulfureuses
vertes et pourpres au lieu des plantes.
Comme nous pouvons le voir dans l’équation, la photosynthèse chez ces bactéries est
un processus légèrement différent de la réaction qui se produit chez les
plantes. Elles prennent du dioxyde de carbone et du sulfure d’hydrogène et les convertissent
en glucose, en eau et en soufre. Cette réaction nécessite toujours de l’énergie captée à partir d’une source de
lumière. Pour mieux comprendre les expériences de van Niel, examinons l'équation chimique de
la photosynthèse chez les bactéries sulfureuses vertes et pourpres. Comme nous pouvons le voir, six molécules de dioxyde de carbone réagissent avec 12
molécules d’acide sulfurique pour produire une molécule de glucose, six molécules
d’eau et 12 molécules de soufre.
Comparons cette équation à celle de la photosynthèse chez les plantes. Chez les plantes, nous voyons que six molécules de dioxyde de carbone réagissent avec
six molécules d’eau pour produire une molécule de glucose et six molécules
d’oxygène. van Niel a remarqué une différence clé entre ces deux réactions. Dans les bactéries, c’est du soufre qui est produit à la place de l’oxygène. Autrefois, les scientifiques pensaient que l’oxygène produit par les plantes
provenait de la décomposition du dioxyde de carbone. Mais puisque les deux réactions utilisent du dioxyde de carbone et qu’une seule
produit de l’oxygène, van Niel a réalisé que cela ne pouvait pas être le cas. Il a proposé que l’oxygène produit lors de la photosynthèse des plantes est libéré
par la décomposition de l’eau. En science, une expérience ne peut pas prouver quelque chose de manière concluante si
elle n’a été réalisée que par un seul scientifique. Examinons donc quelques expériences ultérieures qui ont permis de confirmer la
théorie de van Niel.
En 1941, un groupe de scientifiques de l’Université de Californie a repris ces
recherches sur la photosynthèse avec des algues vertes du genre
Chlorella. Différents isotopes de l’oxygène ont été utilisés dans leurs expériences pour
démontrer l’origine exacte de l’oxygène produit dans la photosynthèse. Pour comprendre tout cela, rappelons rapidement ce que sont les isotopes. Les atomes, comme celui présenté ici, sont constitués de plusieurs particules
subatomiques. Voici des électrons, qui sont chargés négativement; des protons, qui sont chargés
positivement; et des neutrons, qui n'ont pas de charge. Les protons et les neutrons se trouvent dans la partie centrale de l’atome, appelée
noyau. Faites attention à ne pas le confondre avec le noyau d’une cellule. Ce noyau ne contient aucun ADN.
Les isotopes sont des atomes du même élément qui ont le même nombre de protons, mais
un nombre différent de neutrons. Les chercheurs californiens ont étudié la photosynthèse en utilisant deux isotopes de
l’oxygène, l’oxygène 16 et l’oxygène 18. Ces deux isotopes ont huit protons. Cependant, l’oxygène 16 a huit neutrons, alors que l’oxygène 18 en a 10. Ici, nous avons l’équation de la photosynthèse chez les algues Chlorella. Cette réaction est très similaire à celle des plantes, sauf qu’elle produit de
l’eau. L’oxygène-16 est l’isotope le plus courant dans les molécules d’eau. Mais dans la première expérience californienne, c’est de l'eau contenant de
l'oxygène-18 qui a été utilisée pour étudier les idées de van Niel.
Appelons cette expérience A et soulignons la présence d’oxygène 18 dans les molécules
d’eau. Après avoir effectué la photosynthèse et étudié les produits, les chercheurs ont
constaté que l’oxygène produit par la réaction contenait l’isotope oxygène-18. Les chercheurs ont ensuite effectué une deuxième expérience, l’expérience B, où
l’oxygène-18 était cette fois contenu dans les molécules de dioxyde de carbone au
lieu de l’eau. L’énergie lumineuse a été appliquée pour stimuler une fois de plus la photosynthèse
de Chlorella . Cette fois, les scientifiques ont constaté que l’oxygène-18 était présent dans le
glucose et l’eau produite, mais pas dans l’oxygène. Ils ont conclu que l’oxygène gazeux produit par la photosynthèse est bien libéré par
les molécules d’eau plutôt que par les molécules de dioxyde de carbone.
Nous avons déjà mentionné que la photosynthèse comporte deux étapes principales,
l’étape dépendante de la lumière et l’étape indépendante de la lumière. Voyons une expérience portant sur la phase de la photosynthèse indépendante de la
lumière. Melvin Calvin était un biochimiste américain qui étudia la photosynthèse dans les
années 1940. Son travail s’est également basé sur des algues Chlorella ainsi que des
isotopes, qui cette fois étaient des isotopes du carbone. En effet, le dioxyde de carbone est un réactif clé de la photosynthèse chez la
Chlorella, comme vous pouvez le voir dans notre équation.
Calvin et son équipe ont placé une population de Chlorella dans l’appareil
comme indiqué ici. Ils ont fourni aux algues du dioxyde de carbone contenant l'isotope carbone-14,
plutôt que le carbone-12 plus courant. Un bécher d’alcool chaud a été placé sous la Chlorella. Les algues ont ensuite été exposées à un bref éclair de lumière pour initier le
processus de photosynthèse. Aussitôt fait, les algues ont été déposées dans le bécher d’alcool chaud. Cela bloque rapidement toute réaction biochimique en cours. À la suite de l’expérience, Calvin a analysé la Chlorella et a découvert que,
même après un éclair de lumière très rapide, un composé à trois atomes de carbone se
formait. Ce composé à trois atomes de carbone est connu sous le nom de phosphoglycéraldéhyde,
ou PGAL en abrégé. Il est également appelé glycéraldéhyde 3-phosphate ou triose phosphate.
Le PGAL a été identifié car il contenait l’isotope de carbone 14, comme représenté en
bleu dans cette figure. Le PGAL peut être utilisé par les organismes pour produire une multitude d'autres
composés organiques. Ceux-ci comprennent le glucose, les protéines et les graisses, qui sont
indispensables à la vie. Calvin a poursuivi son travail et a découvert qu'en laissant tomber les algues dans
l'alcool chaud à différents laps de temps suivant le flash lumineux, il pouvait
arrêter la photosynthèse à différentes étapes de la réaction et donc produire
différents composés. Ceux-ci comprennent le 3-phosphoglycérate, le phosphoglycéraldéhyde, que nous avons
déjà vu, et le ribulose-bisphosphate.
La série de réactions qui forment ces composés constitue l'étape de la photosynthèse
indépendante de la lumière, qui est résumée ici. Cette étape est maintenant communément appelée le cycle de Calvin, puisqu’il a
grandement contribué à sa découverte. Maintenant que nous avons tout appris sur les expériences qui nous ont permis de
comprendre la photosynthèse, essayons de répondre à quelques questions
pratiques.
Après ses expériences sur les bactéries photosynthétiques, qu’en a déduit van Niel
sur la photosynthèse des plantes vertes? (A) Les réactions sont très similaires, mais du saccharose se forme au lieu du
glucose. (B) Les réactions sont très similaires, mais le réactif est l'oxygène au lieu du
dioxyde de carbone. (C) Les réactions sont très similaires, mais c'est l'eau qui est décomposée au lieu
du sulfure d'hydrogène. (D) Les réactions sont complètement identiques. Ou (E) les réactions sont complètement différentes.
van Niel était un scientifique qui a étudié la photosynthèse chez les bactéries
sulfureuses vertes et pourpres. Pour nous aider à répondre à cette question, examinons l’équation de la photosynthèse
chez ces bactéries. Au cours de cette réaction, le dioxyde de carbone et le sulfure d’hydrogène sont
convertis en glucose, eau et soufre. Le sulfure d’hydrogène se décompose pour produire du soufre, de sorte que les atomes
d’hydrogène peuvent être utilisés pour produire du glucose et de l’eau. Maintenant, comparons ce processus à l’équation de la photosynthèse chez les plantes
vertes. Nous pouvons voir que les équations sont très similaires. La plus grande différence est le réactif principal, qui est l’eau chez les plantes au
lieu du sulfure d'hydrogène. Et au lieu du soufre, il se produit de l'oxygène.
Si nous appliquons la même logique à l’équation de la photosynthèse chez les plantes,
nous pouvons supposer que l’oxygène produit provient de la décomposition de
l’eau. Maintenant, éliminons certaines des options de réponse à l’aide de ces équations. Nous pouvons immédiatement exclure les options (D) et (E). Les réactions ne sont pas complètement identiques, mais elles ne sont pas non plus
complètement différentes. Nous pouvons voir que le glucose est un produit dans les deux équations, donc
l’option (A) ne peut pas être correcte. Et dans les deux cas, le dioxyde de carbone est un réactif, pas un produit. Donc au final, nous pouvons éliminer l’option (B).
van Niel a déduit de ses connaissances sur la photosynthèse des bactéries sulfureuses
vertes et pourpres, que l'oxygène produit dans le processus des plantes vertes
devait provenir de l'eau. Donc, la bonne réponse est (C). Les réactions sont très similaires, mais au lieu de décomposer le sulfure
d'hydrogène, c'est l'eau qui est décomposée.
Tentons une autre question.
Melvin Calvin a étudié la photosynthèse chez les algues. Il a observé qu’un composé à trois carbones se formait lors du processus. À quoi servent les atomes de carbone de ce composé dans les cellules végétales? (A) à participer à la synthèse d’autres éléments clés tels que l’oxygène, l’hydrogène
et le calcium. (B) à être utilisés comme réactifs dans la chimiosynthèse. (C) à agir comme des molécules de signalisation cellulaire. ou (D) à synthétiser des molécules biologiques clés telles que le glucose, l’amidon,
les protéines et les graisses.
Melvin Calvin était un biochimiste américain qui a étudié la photosynthèse dans les
années 1940. Ce sont ses travaux sur les algues vertes qui ont conduit à la découverte du cycle de
Calvin, la série de réactions chimiques qui se produisent dans l'étape de la
photosynthèse indépendante de la lumière chez tous les organismes photosynthétiques,
y compris les plantes. L’un des composés clés fabriqué au cours du cycle du carbone est le
phosphoglycéraldéhyde. Le phosphoglycéraldéhyde, ou PGAL en abrégé, est un composé à trois atomes de
carbone, comme vous pouvez le voir sur le schéma de sa structure chimique.
Une fois le PGAL fabriqué, ses atomes de carbone sont utilisés pour synthétiser
d'autres composés organiques, qui sont vitaux pour la croissance et la survie des
plantes. Ils peuvent synthétiser le glucose, qui est principalement utilisé pour la
respiration cellulaire afin de produire de l’énergie. Ils peuvent produire de l’amidon, une molécule utilisée par les plantes pour stocker
de l’énergie. Ils peuvent servir à synthétiser des protéines, qui agissent en tant que composants
structurels et catalysent les réactions chimiques. Et enfin, ils peuvent fabriquer des graisses, qui sont stockées dans les grains de
pollen et les graines.
Nous avons donc déterminé que la bonne réponse à la question est (D). Les atomes de carbone du composé à trois carbones qui se forme pendant la
photosynthèse sont utilisés pour synthétiser des molécules biologiques clés telles
que le glucose, l’amidon, les protéines et les graisses.
Résumons ce que nous avons appris dans cette vidéo avec les points clés. La photosynthèse est le processus par lequel les plantes convertissent le dioxyde de
carbone et l’eau en glucose et en oxygène grâce à l’énergie lumineuse. D’autres organismes, comme les bactéries sulfureuses vertes et pourpres, peuvent
également réaliser la photosynthèse. Le scientifique van Niel a suggéré que l'oxygène produit pendant la photosynthèse des
plantes provient de la décomposition de l'eau. Et enfin, un autre scientifique appelé Calvin a effectué des expériences pour
expliquer l’étape de la photosynthèse indépendante de la lumière.
