\setcounter{chapter}{5}
\chapter{Conversion biologique de l'énergie solaire par 
photosynthèse}
\makeatletter
\def\PM@chapter{Conv. biologique de l'énergie solaire par 
photosynthèse}% 
\makeatother

\section{Introduction}

La \textit{photosynthèse} est un métabolisme autotrophe réalisé par 
les plantes 
chlorophylliennes grâce à l’énergie solaire. Ce métabolisme permet 
de produire de la matière 
organique à partir de matière minérale. A l’échelle des temps géologiques, les 
combustibles fossiles sont les témoins de la photosynthèse passée. 

\begin{problematique}
 Comment l’énergie solaire est-elle utilisée pour produire de la matière 
organique grâce à la photosynthèse ? 
\end{problematique}

\section{La feuille, lieu de conversion\\ de l'énergie solaire en 
énergie 
chimique}

\begin{problematique}
 Comment la feuille capte-t-elle l’énergie lumineuse et peut-elle la convertir 
en énergie chimique utilisable par les plantes ? 
\end{problematique}

\nathanLive{Retrouvez une vidéo sur la photosynthèse avec}
\label{video:ch6photosynthese}

\subsection{De l’énergie lumineuse à une énergie chimique}

Les cellules végétales réalisant la photosynthèse contiennent des 
organites appelés \emph{chloroplastes}.

Ils contiennent des pigments dont les \emph{chlorophylles}, des composés 
chimiques capables d’absorber certains rayonnements du domaine du 
visible. Au sein des chloroplastes, se trouvent des structures 
appelées thylakoïdes, dont les membranes renferment les pigments 
chlorophylliens. 
Leur extraction et leur séparation nécessitent un traitement particulier qui 
permet l’éclatement des chloroplastes. La chromatographie permet de séparer les 
substances dans un mélange à partir de chlorophylle brute. 

\Par

%% FIGURE 6.1
\begin{figure}
    \begin{center}
     \includegraphics{142_06-01}
    \end{center}

 \figcaption{Extraction des pigments chlorophylliens par 
chromatographie}
\end{figure}

\Par

La chlorophylle brute extraite de feuilles vertes est en fait un 
mélange de 
pigments : des pigments verts, les chlorophylles a et b, ainsi que 
des 
pigments 
jaunes et orangés, les xantophylles et les caroténoïdes.

\Par

Il est possible d’évaluer le pouvoir d’absorption de la lumière 
blanche par une solution de pigments et ainsi établir le spectre 
d’absorption des 
chlorophylles a et b selon les différentes longueurs d’onde.

\vspace*{0.5cm}
\begin{center}
 \textit{Voir figure page suivante.}
\end{center}
\vspace*{0.5cm}
\newpage

\begin{multicols}{2}
%% FIGURE 6.2
\begin{figure}
 \includegraphics[scale=0.95]{143_06-02}
 \captionsetup{width=\textwidth}
%  \figcaption{Les pigments chlorophylliens révélés par chromatographie}
\end{figure}

\columnbreak

La chlorophylle brute (chlorophylles a et b chez la plupart de 
végétaux 
terrestres) absorbe les longueurs d’onde du bleu et du rouge. Les 
longueurs 
d’ondes du vert sont donc transmises ou diffusées (d’où la couleur 
verte des 
feuilles).

\Par

Grâce à l’énergie du rayonnement solaire, un végétal produit de la 
matière 
organique, sous forme de \emph{glucides} (dont le glucose 
C$_6$H$_{12}$O$_6$ est 
un exemple), et du dioxygène à partir de matières minérales que sont 
le CO$_2$ 
et H$_2$O. Ceci est dû à une suite de réactions chimiques ayant lieu 
dans les 
chloroplastes : la \emph{photosynthèse}.  

\end{multicols}

\Par

%% FIGURE 6.3
\begin{figure}
    \begin{center}
     \includegraphics{143_06-03}
    \end{center}

 \figcaption{\'Equation simplifiée de la photosynthèse
Les flèches noires correspondent aux échanges gazeux}
\end{figure}

\Par

Dans les chloroplastes des feuilles, grâce aux pigments chlorophylliens, 
une partie de l’énergie lumineuse est \emph{convertie} en énergie 
chimique, c’est à dire une 
énergie associée aux liaisons qui unissent les atomes de la matière. De 
l’énergie est libérée ou consommée lors de la rupture ou la formation de ces 
liaisons. Ainsi, un végétal dispose de molécules organiques contenant une 
énergie chimique provenant de l’énergie solaire. 

\begin{plusloin}
La photosynthèse se déroule dans les chloroplastes des 
cellules chlorophylliennes. Elle comporte deux étapes : une 
phase photochimique dépendante de la lumière qui se déroule au niveau des 
pigments chlorophylliens contenus dans les thylakoïdes et une phase 
chimique permettant la fabrication des 
glucides dans le stroma des chloroplastes. Ces deux phases ne se 
déroulent pas au même endroit, mais dépendent l’une 
de l’autre. 
\end{plusloin}

\textit{Voir exercices \ref{exo:ch6exo7} page \pageref{exo:ch6exo7} 
et \ref{exo:ch6exo8} page \pageref{exo:ch6exo8}.}

\subsection{La photosynthèse utilise qu’une faible proportion de l’énergie 
solaire incidente}

% \begin{multicols}{2}
Parmi les rayonnements émis par le Soleil, à l’échelle de la feuille, seule une 
petite fraction appartenant au spectre visible est utilisée pour la 
photosynthèse. En effet, lorsqu’un rayonnement arrive au niveau de la feuille :

\begin{itemize}
 \item \emph{environ 10\% du rayonnement incident est transmis} : il 
traverse l'objet par transparence ; 
\item \emph{environ 20\% du rayonnement incident est réfléchi} : 
il est renvoyé dans toutes les directions ;
\item \emph{environ 70\% du rayonnement solaire incident est 
absorbé}, dont 1\% seulement est converti en 
énergie chimique dans le chloroplaste sous forme de glucides. Le 
reste est libéré par l'évapotranspiration (environ 49\% du 
rayonnement solaire) ou dissipé sous forme de chaleur (environ 20\% 
du rayonnement solaire).
\end{itemize}

\Par

%% FIGURE 6.4
\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{144_06-04}
\end{center}
% \captionsetup{width=0.8\linewidth}
%  \figcaption{Les différents échanges d’énergie au niveau de la feuille}
\end{figure}
% \end{multicols}

\textit{Voir exercices \ref{exo:ch6exo2} page \pageref{exo:ch6exo2}, 
\ref{exo:ch6exo8} page \pageref{exo:ch6exo8} et \ref{exo:ch6exo9} 
page \pageref{exo:ch6exo9}.}
\subsection{Le devenir des glucides produits par photosynthèse}

Le \emph{métabolisme} correspond aux transformations chimiques de création et 
destruction de molécules dans une cellule. Parmi les nombreuses transformations 
du métabolisme, on peut citer la respiration cellulaire : c’est un ensemble de 
transformations biochimiques pendant lesquelles du glucose est 
dégradé en présence 
de dioxygène, et qui aboutit à la production de molécules 
énergétiques et de 
déchets (CO$_2$ et H$_2$O), ainsi que d’énergie thermique non 
utilisable 
(chaleur). 

\Par

Les glucides formés pourront être transformés en diverses molécules (autres 
glucides, lipides, acides aminés, acides nucléiques\dots) dans la cellule grâce 
aux ions provenant du sol. S'ils ne sont pas utilisés pour le 
fonctionnement cellulaire, ils peuvent aussi être exportés, grâce à 
la sève, vers d'autres cellules situées dans des organes comme 
par exemple les racines ou les fleurs.

\text{}

\begin{aretenir}
 \`A partir de CO$_2$ et d’eau, les cellules chlorophylliennes des plantes sont 
capables de produire de la matière organique (glucides) et du dioxygène. Ce 
métabolisme se réalise grâce à l’énergie solaire captée par les 
pigments 
chlorophylliens. Seule une faible proportion de l’énergie 
solaire incidente est convertie en énergie chimique lors de la photosynthèse. 
Grâce au métabolisme cellulaire, l’énergie contenue dans les molécules 
organiques permet à la plante de réaliser les différentes fonctions 
nécessaires à la vie. 
\end{aretenir}



\section{Importance de la photosynthèse\\ à l’échelle planétaire}

\begin{problematique}
 En quoi la photosynthèse est-elle un phénomène majeur à l’échelle de la planète 
? 
\end{problematique}

Les végétaux sont des \emph{producteurs primaires}, c’est à dire les premiers à 
produire de la matière organique dont les autres maillons dépendent. On estime 
que les végétaux produisent par photosynthèse une \emph{biomasse} (quantité de 
matière organique créée) de 800 Gt/an. Il s’agit de la \emph{productivité 
primaire 
brute} (\emph{P.P.B.}) : \emph{quantité de matière fabriquée par les 
producteurs primaires}. 

\Par

Environ 80\% de la PPB est consommée par respiration pour assurer le 
fonctionnement des cellules végétales. Les 20\% restant correspondent à la 
\emph{productivité primaire nette} (\emph{P.P.N.}), disponible pour le reste de 
la biosphère. On estime que la moitié de la PPN (donc 10\% de la PPB) est 
consommée par l’ensemble des organismes non chlorophylliens au sein des réseaux 
trophiques. Ces organismes font partie des \emph{consommateurs} (producteurs 
secondaires de type phytophage, c’est à dire se nourrissant de plantes ; ou de 
type zoophage, c’est à dire se nourrissant d’animaux etc.), dont les molécules 
organiques constituent un stock d’énergie chimique exploitable. L’autre moitié 
de la PPN (10\% de la PPB) correspond à la matière décomposée par respiratoire 
et fermentation grâce aux champignons et bactéries. Les \emph{décomposeurs} 
permettent de transformer la matière organique morte en matière minérale. 

% \vspace*{0.5cm}
% \begin{center}
%  \textit{Voir figure page suivante.}
% \end{center}
% \vspace*{0.5cm}
% \newpage

%% FIGURE 6.5
\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{146_06-05}
\end{center}
% \captionsetup{width=0.8\linewidth}
 \figcaption{Flux de matière et d’énergie}
\end{figure}

\begin{aretenir}
 \`A l’échelle de la planète, les organismes photosynthétiques permettent de 
produire une biomasse d’environ 800 Gt de matière, correspondant à la 
productivité primaire brute. La biomasse disponible (PPN) est utilisée par des 
consommateurs. La photosynthèse est donc un processus indispensable à 
l’équilibre des réseaux trophiques. 
\end{aretenir}


\textit{Voir exercices \ref{exo:ch6exo3} page 
\pageref{exo:ch6exo3}, \ref{exo:ch6exo4} page \pageref{exo:ch6exo4},  
\ref{exo:ch6exo5} page \pageref{exo:ch6exo5} et \ref{exo:ch6exo6} 
page \pageref{exo:ch6exo6}.}


\section{Une biomasse disponible dans\\ les roches carbonées}

\begin{problematique}
 Comment les combustibles fossiles peuvent-ils se former à partir de biomasse ?
\end{problematique}


Les combustibles fossiles non renouvelables (gaz naturel, charbon, 
pétrole) 
couvrent actuellement à l’échelle mondiale environ 80 \% de nos besoins 
énergétiques. Un \textit{combustible fossile} est une ressource naturelle riche 
en molécules organiques constituées d’un fort pourcentage de carbone. Il 
présente les indices d’une origine biologique : il est composé des principaux 
atomes des êtres vivants (carbone, hydrogène, oxygène et azote), comme on le 
voit 
dans le tableau ci-dessous. 

\enlargethispage{1cm}

 \begin{table}
\begin{center}
\begin{tabularx}{\linewidth}{|>{\centering\arraybackslash}p{1.8cm}|*{5}{>{
\centering\arraybackslash}X|}}
\hline\tabulartitle & C & H & O & N & S \\ \hline
Charbon & 75 - 92 & 4 - 6 & 1 - 2 & & \\ \hline
Pétrole & 83 - 87 & 10 - 14 & 0,05 - 1,5 & 0,1 - 2 & 0,05 - 6 \\ \hline
Gaz naturel & 65 - 80 & 1 - 25 & & 1 - 1,5 & 0 - 0,2 \\ \hline
\end{tabularx}
\tabcaption{Proportions des différents atomes dans les combustibles 
fossiles en 
pourcentage}
\end{center}
\end{table}

\Par

\`A l’échelle des temps géologiques et sous réserve de remplir 
certaines 
conditions (comme une forte productivité primaire), il arrive qu’une partie de 
la matière organique directement ou indirectement produite lors de la 
photosynthèse soit ensevelie sous de fortes quantités de sédiments dans des 
bassins sédimentaires. Si elle est enfouie rapidement, cette matière peut se 
retrouver en conditions anoxiques (privées d'O$_{2}$) ; la 
décomposition par 
les décomposeurs ayant besoin d'O$_2$ est alors réduite. Cette 
matière 
organique sera ensuite transformée en combustibles fossiles. Ces phénomènes 
sont 
très lents, ce qui explique que les gisements actuels datent de plusieurs 
millions 
d’années. Le temps exact de leur formation dépend de différentes conditions 
(vitesse d’enfouissement par exemple). On estime que 1\% de la biomasse des 
êtres vivants qui ont peuplé la Terre a servi à former les ressources fossiles.

\Par

\textit{Remarque :} le pétrole est majoritairement produit entre 2 et 3 km de 
profondeur et le gaz 
entre 3 et 4 km de profondeur. Le pétrole a pour origine principale le 
phytoplancton océanique (microalgues photosynthétiques migrant au gré des 
courants), alors que le charbon a plutôt pour origine les forêts du domaine 
continental susceptibles d’être immergées.

\Par

La combustion de ces combustibles fossiles en présence d'O$_2$ permet 
de 
récupérer de l’énergie pouvant servir à se chauffer ou à créer de 
d’électricité. 
La combustion de combustibles fossiles d’origine végétale revient donc à 
libérer l’énergie chimique d’origine solaire qui était contenue dans les 
molécules organiques fossilisées. Cette combustion s’accompagne d’un rejet de 
CO$_2$ favorisant l’effet de serre.

\begin{aretenir}
 A l’échelle des temps géologiques, une partie de la matière organique 
(globalement des végétaux ou du phytoplancton) s’accumule dans les sédiments. 
Puis elle se transforme en 
profondeur en donnant des combustibles fossiles : charbon, pétrole, gaz 
naturel. 
La matière organique végétale a été produite par la photosynthèse, le Soleil 
est donc la source d'énergie à l'origine des combustibles fossiles.
\end{aretenir}


\textit{Voir exercice \ref{exo:ch6exo9} page 
\pageref{exo:ch6exo9}.}




