Les forêts sont considérées comme les "poumons verts de la planète" pas en vain. Qu'est-ce que la photosynthèse et comment ce processus se produit, nous examinerons en détail.

Qu'est-ce que la photosynthèse?

Photosynthèse - Un processus biochimique au cours duquel des organiques se produisent à l'aide de pigments végétaux spéciaux et de l'énergie lumineuse de substances inorganiques (dioxyde de carbone, eau). Il s'agit de l'un des processus les plus importants grâce auquel la majorité des organismes sont apparus et continuent d'exister sur la planète.

Fait intéressant: Les plantes terrestres, ainsi que les algues vertes, sont capables de photosynthèse. Dans ce cas, les algues (phytoplancton) produisent 80% d'oxygène.

L'importance de la photosynthèse pour la vie sur Terre

Sans photosynthèse, au lieu de nombreux organismes vivants, seules les bactéries existeraient sur notre planète. C'est l'énergie obtenue grâce à ce processus chimique qui a permis aux bactéries d'évoluer.

Tous les processus naturels ont besoin d'énergie. Elle vient du soleil. Mais la lumière du soleil ne prend forme qu'après avoir été transformée par les plantes.

Les plantes n'utilisent qu'une partie de l'énergie et le reste qu'elles accumulent en elles-mêmes. Ils mangent des herbivores, qui sont la nourriture des prédateurs. Au cours de la chaîne, chaque maillon reçoit les précieuses substances et l'énergie nécessaires.

L'oxygène produit pendant la réaction est nécessaire à la respiration de toutes les créatures. La respiration est l'opposé de la photosynthèse. Dans ce cas, la matière organique est oxydée, détruite. L'énergie qui en résulte est utilisée par les organismes pour effectuer diverses tâches vitales.

Pendant l’existence de la planète, alors qu’il y avait peu de plantes, l’oxygène était pratiquement absent. Les formes de vie primitives ont reçu un minimum d'énergie par d'autres moyens. C'était trop peu pour le développement. Par conséquent, la respiration due à l'oxygène a ouvert plus de possibilités.

Une autre fonction de la photosynthèse est la protection des organismes contre l'exposition à la lumière ultraviolette. Nous parlons de la couche d'ozone située dans la stratosphère à une altitude d'environ 20-25 km. Il est formé à cause de l'oxygène, qui se transforme en ozone sous l'action du soleil. Sans cette protection, la vie sur Terre ne serait limitée qu'aux organismes sous-marins.

Les organismes libèrent du dioxyde de carbone pendant la respiration. C'est un élément essentiel de la photosynthèse. Sinon, le dioxyde de carbone s'accumulerait simplement dans la haute atmosphère, renforçant considérablement l'effet de serre.

Il s'agit d'un grave problème environnemental, dont l'essence est d'augmenter la température de l'atmosphère avec des conséquences négatives. Il s'agit notamment du changement climatique (réchauffement climatique), de la fonte des glaciers, de l'élévation du niveau de la mer, etc.

Fonctions de photosynthèse:

• évolution de l'oxygène;
• formation d'énergie;
• formation d'éléments nutritifs;
• la création de la couche d'ozone.

Définition et formule de la photosynthèse

Le terme «photosynthèse» vient d'une combinaison de deux mots: photo et synthèse. Traduits du grec ancien, ils signifient respectivement «lumière» et «connexion». Ainsi, l'énergie de la lumière est convertie en énergie de liaisons de substances organiques.

Schème:

Dioxyde de carbone + eau + lumière = glucides + oxygène.

La formule scientifique de la photosynthèse:

6CO₂ + 6H₂O → C₆N₁₂À PROPOS₆ + 6O_2.

La photosynthèse se produit de sorte que le contact direct de l'eau et du CO₂ invisible.

L'importance de la photosynthèse pour les plantes

Les plantes ont besoin de matière organique, d'énergie pour leur croissance et leur développement. Grâce à la photosynthèse, ils se fournissent ces composants. La création de substances organiques est le principal objectif de la photosynthèse pour les plantes, et la libération d'oxygène est considérée comme une réaction secondaire.

Fait intéressant: Les plantes sont uniques car elles n'ont pas besoin d'autres organismes pour obtenir de l'énergie.Par conséquent, ils forment un groupe distinct - les autotrophes (traduit de la langue grecque ancienne «je me mange»).

Comment se produit la photosynthèse?

La photosynthèse a lieu directement dans les parties vertes des plantes - chloroplastes. Ils font partie des cellules végétales. Les chloroplastes contiennent une substance - chlorophylle. C'est le principal pigment photosynthétique, grâce à lui toute la réaction se produit. De plus, la chlorophylle détermine la couleur verte de la végétation.

Ce pigment se caractérise par sa capacité à absorber la lumière. Et dans les cellules de la plante, un véritable «laboratoire» biochimique est lancé, dans lequel l'eau et le CO₂ se transforment en oxygène, en glucides.

L'eau pénètre par le système racinaire de la plante et le gaz pénètre directement dans les feuilles. La lumière agit comme une source d'énergie. Lorsqu'une particule légère agit sur une molécule de chlorophylle, son activation se produit. Dans la molécule d'eau H₂O oxygène (O) reste non réclamé. Ainsi, il devient un sous-produit pour les plantes, mais si important pour nous, un produit de réaction.

Phases de photosynthèse

La photosynthèse est divisée en deux étapes: la lumière et l'obscurité. Ils se produisent simultanément, mais dans différentes parties du chloroplaste. Le nom de chaque phase parle de lui-même. La phase lumineuse ou dépendante de la lumière ne se produit qu'avec la participation de particules légères. Dans la phase sombre ou non volatile, la lumière n'est pas requise.

Avant d'examiner chaque phase plus en détail, il convient de comprendre la structure du chloroplaste, car il détermine l'essence et la place des étapes. Le chloroplaste est une variété de plastes et est situé à l'intérieur de la cellule séparément de ses autres composants. Il a la forme d'une graine.

Constituants chloroplastiques impliqués dans la photosynthèse:

• 2 membranes;
• stroma (liquide interne);
• les thylakoïdes;
• lumens (lacunes à l'intérieur des thylakoïdes).

Phase légère de photosynthèse

Il coule sur les thylakoïdes, plus précisément sur leurs membranes. Lorsque la lumière les frappe, des électrons chargés négativement sont libérés et accumulés. Ainsi, les pigments photosynthétiques perdent tous les électrons, après quoi c'est au tour des molécules d'eau de se désintégrer:

H₂O → H + + OH-

Dans ce cas, les protons d'hydrogène formés ont une charge positive et s'accumulent sur la membrane thylacoïde interne. En conséquence, les protons avec une charge plus et les électrons avec une charge moins ne sont séparés que par une membrane.

L'oxygène est produit comme sous-produit:

4OH → O₂ + 2H₂O

À un certain moment, les phases d'électrons et de protons d'hydrogène deviennent trop nombreuses. Ensuite, l'enzyme ATP synthase entre dans le travail. Sa tâche consiste à transférer les protons d'hydrogène de la membrane thylakoïde vers le milieu liquide chloroplastique - le stroma.

À ce stade, l'hydrogène est à la disposition d'un autre vecteur - le NADP (abréviation de nicotinamidine nucleotide phosphate). C'est également un type d'enzyme qui accélère les réactions oxydatives dans les cellules. Dans ce cas, son travail consiste à transporter des protons d'hydrogène dans une réaction glucidique.

À ce stade, le processus de photophospholation se produit, au cours duquel une énorme quantité d'énergie est générée. Sa source est l'ATP - acide adénosine triphosphorique.

Bref aperçu:

1. Le coup d'un quantum de lumière sur la chlorophylle.
2. La sélection des électrons.
3. L'évolution de l'oxygène.
4. La formation de NADPH oxydase.
5. Production d'énergie ATP.

Fait intéressant: Une plante relique appelée Velvichia pousse sur la côte africaine de l'océan Atlantique. C'est le seul représentant d'une espèce avec un minimum de feuilles capables de photosynthèse. Cependant, l'âge du Velvich atteint environ 2000 ans.

La phase sombre de la photosynthèse

La phase indépendante de la lumière se produit directement dans le stroma. Il représente une série de réactions enzymatiques. Le dioxyde de carbone absorbé au stade léger dissous dans l'eau, et à ce stade, il est réduit en glucose. Des substances organiques complexes sont également produites.

Les réactions de la phase sombre sont divisées en trois types principaux et dépendent du type de plantes (plus précisément, de leur métabolisme), dans les cellules dont la photosynthèse se produit:

• AVEC₃-les plantes;
• AVEC₄-les plantes;
• Plantes CAM.

K C₃- Les plantes comprennent la plupart des cultures agricoles qui poussent dans les climats tempérés. Pendant la photosynthèse, le dioxyde de carbone devient de l'acide phosphoglycérique.

Les espèces subtropicales et tropicales, principalement les mauvaises herbes, appartiennent aux plantes C4. Ils se caractérisent par la transformation du dioxyde de carbone en oxaloacétate. Les plantes CAM sont une catégorie de plantes qui manquent d'humidité. Ils diffèrent par un type spécial de photosynthèse - CAM.

AVEC3-photosynthèse

Le plus courant est C₃- la photosynthèse, également appelée cycle de Calvin - en l'honneur du scientifique américain Melvin Calvin, qui a grandement contribué à l'étude de ces réactions et a reçu le prix Nobel pour cela.

Les plantes sont appelées C₃ en raison du fait que pendant les réactions de la phase sombre, des molécules de carbone 3 d'acide 3-phosphoglycérique - 3-PGA se forment. Diverses enzymes sont directement impliquées.

Pour qu'une molécule de glucose complète se forme, 6 cycles de réactions de la phase indépendante de la lumière doivent passer. Les glucides sont le principal produit de la photosynthèse dans le cycle de Calvin, mais en plus, des acides gras et aminés, ainsi que des glycolipides, sont produits. C₃ la photosynthèse des plantes a lieu exclusivement dans les cellules de la mésophylle.

Le principal inconvénient de C3photosynthèse

Usines du groupe C₃se caractérisent par un inconvénient important. S'il n'y a pas suffisamment d'humidité dans l'environnement, la capacité de photosynthèse est considérablement réduite. Cela est dû à la photorespiration.

Le fait est qu'avec une faible concentration de dioxyde de carbone dans les chloroplastes (moins de 50: 1 000 000), l'oxygène est fixé au lieu de la fixation du carbone. Les enzymes spéciales ralentissent considérablement et gaspillent l'énergie solaire.

Dans le même temps, la croissance et le développement de la plante ralentissent, car elle manque de matière organique. De plus, il n'y a pas de libération d'oxygène dans l'atmosphère.

Fait intéressant: La limace de mer Elysia chlorotica est un animal unique qui se photosynthétise comme les plantes. Il se nourrit d'algues, dont les chloroplastes pénètrent dans les cellules du tube digestif et y photosynthétisent pendant des mois. Les glucides produits servent à la limace comme nourriture.

Photosynthèse C4

Contrairement à C₃-synthèse, ici les réactions de fixation du dioxyde de carbone sont réalisées dans différentes cellules végétales. Ces types de plantes sont capables de faire face au problème de la photorespiration, et ils le font avec un cycle en deux étapes.

D'une part, un niveau élevé de dioxyde de carbone est maintenu et, d'autre part, un faible niveau d'oxygène dans les chloroplastes est contrôlé. Cette tactique permet aux plantes C4 d'éviter la photo-respiration et les difficultés associées. Les représentants des plantes de ce groupe sont la canne à sucre, le maïs, le millet, etc.

Par rapport aux plantes C₃ ils sont capables d'effectuer des processus de photosynthèse beaucoup plus intensivement dans des conditions de température élevée et de manque d'humidité. Au premier stade, le dioxyde de carbone est fixé dans les cellules de la mésophylle, où se forme l'acide 4-carbonique. Ensuite, l'acide passe dans la coquille et s'y décompose en un composé à 3 carbones et du dioxyde de carbone.

À la deuxième étape, le dioxyde de carbone obtenu commence à fonctionner dans le cycle de Calvin, où le glycéraldéhyde-3-phosphate et les glucides sont produits, qui sont nécessaires au métabolisme énergétique.

En raison de la photosynthèse en deux étapes dans les plantes C4, une quantité suffisante de dioxyde de carbone est formée pour le cycle Kelvin. Par conséquent, les enzymes fonctionnent pleinement et ne gaspillent pas d'énergie en vain.

Mais ce système a ses inconvénients. En particulier, une plus grande quantité d'énergie ATP est consommée - elle est nécessaire pour la transformation des acides 4-carbone en acides 3-carbone et dans la direction opposée. Alors C₃-La photosynthèse est toujours plus productive que le C4 avec la bonne quantité d'eau et de lumière.

Qu'est-ce qui affecte le taux de photosynthèse?

La photosynthèse peut se produire à différentes vitesses. Ce processus dépend des conditions environnementales:

• l'eau;
• longueur d'onde de la lumière;
• gaz carbonique;
• Température.

L'eau est un facteur fondamental, donc quand elle manque, les réactions ralentissent. Pour la photosynthèse, les plus favorables sont les ondes du spectre rouge et bleu-violet. Un degré d'éclairage élevé est également préférable, mais uniquement à une certaine valeur - lorsqu'il est atteint, la connexion entre l'éclairage et la vitesse de réaction disparaît.

Une concentration élevée de dioxyde de carbone permet des processus photosynthétiques rapides et vice versa. Certaines températures sont importantes pour les enzymes qui accélèrent les réactions. Les conditions idéales pour eux sont d'environ 25-30 ℃.

Souffle photo

Tous les êtres vivants ont besoin de respirer et les plantes ne font pas exception. Cependant, ce processus se produit un peu différemment chez les humains et les animaux, c'est pourquoi il est appelé photorespiration.

Généralement, souffle - un processus physique au cours duquel un organisme vivant et son environnement échangent des gaz. Comme tous les êtres vivants, les plantes ont besoin d'oxygène pour respirer. Mais ils en consomment beaucoup moins qu'ils n'en produisent.

Pendant la photosynthèse, qui se produit uniquement au soleil, les plantes se créent de la nourriture. Au cours de la photo-respiration, qui est effectuée 24h / 24, ces nutriments sont absorbés par eux afin de soutenir le métabolisme au sein des cellules.

Fait intéressant: lors d'une journée ensoleillée, une parcelle forestière d'un hectare consomme de 120 à 280 kg de dioxyde de carbone et émet de 180 à 200 kg d'oxygène.

L'oxygène (comme le dioxyde de carbone) pénètre dans les cellules végétales par des ouvertures spéciales - les stomates. Ils sont situés au bas des feuilles. Environ 1000 stomates peuvent être localisés sur une seule feuille.

Échange de gaz des plantes en fonction de l'éclairage

Le processus d'échange de gaz à différents éclairements est présenté comme suit:

1. Lumière brillante. Le dioxyde de carbone est utilisé lors de la photosynthèse. Les plantes produisent plus d'oxygène qu'elles n'en consomment. Ses surplus entrent dans l'atmosphère. Le dioxyde de carbone est consommé plus rapidement qu'il n'est libéré par la respiration. Les glucides non utilisés sont stockés par la plante pour une utilisation future.
2. Lumière faible. L'échange de gaz avec l'environnement ne se produit pas, car la plante consomme tout l'oxygène qu'elle produit.
3. Manque de lumière. Seuls les processus respiratoires se produisent. Le dioxyde de carbone est libéré et l'oxygène est consommé.

Chimiosynthèse

Certains organismes vivants sont également capables de former des hydrates de carbone à partir d'eau et de dioxyde de carbone, alors qu'ils n'ont pas besoin de lumière solaire. Il s'agit notamment des bactéries, et le processus de conversion d'énergie est appelé chimiosynthèse.

Chimiosynthèse C'est un processus au cours duquel le glucose est synthétisé, mais des produits chimiques sont utilisés à la place de l'énergie solaire. Il s'écoule dans des zones à température suffisamment élevée, adaptées au fonctionnement des enzymes et en l'absence de lumière. Il peut s'agir de zones proches de sources hydrothermales, de fuites de méthane en profondeur, etc.

L'histoire de la découverte de la photosynthèse

L'histoire de la découverte et de l'étude de la photosynthèse remonte à 1600, lorsque Jan Baptiste van Helmont a décidé de comprendre la question urgente de l'époque: que mangent les plantes et d'où viennent-elles les substances utiles?

À cette époque, on croyait que le sol était une source d'éléments précieux. Le scientifique a placé une brindille de saule dans un récipient avec de la terre, mais a précédemment mesuré leur poids. Pendant 5 ans, il a pris soin de l'arbre, l'arrosant, après quoi il a de nouveau effectué des procédures de mesure.

Il s'est avéré que le poids de la terre a diminué de 56 g, mais l'arbre est devenu 30 fois plus lourd. Cette découverte a réfuté l'idée selon laquelle les plantes se nourrissent du sol et a donné naissance à une nouvelle théorie - la nutrition de l'eau.

À l'avenir, de nombreux scientifiques ont tenté de le réfuter.Par exemple, Lomonosov pensait que des composants partiellement structurels pénètrent dans les plantes par les feuilles. Il était guidé par des plantes qui poussent avec succès dans les zones arides. Cependant, il n'a pas été possible de prouver cette version.

La chose la plus proche de la situation réelle était Joseph Priestley, chimiste et prêtre à temps partiel. Une fois qu'il a découvert une souris morte dans un pot à l'envers, cet incident l'a forcé à mener une série d'expériences avec des rongeurs, des bougies et des récipients dans les années 1770.

Priestley a constaté que la bougie s'éteint toujours rapidement si vous la recouvrez d'un pot sur le dessus. De plus, un organisme vivant ne peut pas survivre. Le scientifique est parvenu à la conclusion qu'il existe certaines forces qui rendent l'air adapté à la vie et a tenté de connecter ce phénomène aux plantes.

Il a continué à mettre en place des expériences, mais cette fois, il a essayé de placer un pot de menthe en croissance sous un récipient en verre. À la grande surprise, la plante a continué de se développer activement. Puis Priestley a placé une plante et une souris sous un pot, et seulement un animal sous le second. Le résultat est évident - sous le premier réservoir, le rongeur est resté indemne.

La réussite du chimiste est devenue la motivation pour d'autres scientifiques du monde entier de répéter l'expérience. Mais le hic, c'est que le prêtre a mené des expériences pendant la journée. Et, par exemple, le pharmacien Karl Scheele - la nuit, quand il y avait du temps libre. En conséquence, le scientifique a accusé Priestley de tromperie, car ses sujets expérimentaux ne pouvaient pas supporter l'expérience avec la plante.

Une véritable confrontation scientifique a éclaté entre les chimistes, qui a apporté des bénéfices importants et a permis de faire une autre découverte - que les plantes ont besoin de restaurer l'air, elles ont besoin de la lumière du soleil.

Bien sûr, personne n'a appelé ce phénomène la photosynthèse, et il y avait encore beaucoup de questions. Cependant, en 1782, le botaniste Jean Senebier a pu prouver qu'en présence de soleil, les plantes sont capables de dégrader le dioxyde de carbone au niveau cellulaire. Et en 1864, enfin, des preuves expérimentales sont apparues que les plantes absorbent le dioxyde de carbone et produisent de l'oxygène. C'est le mérite du scientifique allemand - Julius Sachs.