Lycée   >   Premiere   >   Sciences   >   Une conversion naturelle de l'énergie solaire : la photosynthèse

Une conversion naturelle de l'énergie solaire : la photosynthèse

  • Fiche de cours
  • Quiz
  • Profs en ligne
Objectifs
  • Comprendre le principe de la photosynthèse et prendre conscience de son importance à l’échelle planétaire.
  • Comparer les spectres d’absorption et d’action photosynthétique d’un végétal.
  • Être conscient que les végétaux n’utilisent qu’une infime partie de la puissance solaire totale disponible pour réaliser la photosynthèse.
  • Représenter les différents échanges d’énergie au niveau d’une feuille.
  • Connaitre le rôle des molécules organiques fabriquées grâce à la photosynthèse.
  • Comprendre la formation des combustibles fossiles.
Points clés
  • Une partie du rayonnement solaire absorbé par les organismes chlorophylliens permet la synthèse de matière organique à partir d'eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone : c’est la photosynthèse.
  • À l’échelle de la feuille, pour les plantes, la photosynthèse utilise une très faible fraction de la puissance radiative reçue, le reste est soit diffusé, soit transmis, soit absorbé (échauffement et évapotranspiration).
  • Les molécules organiques fabriquées grâce à la photosynthèse peuvent être transformées par respiration ou fermentation pour libérer l’énergie nécessaire au fonctionnement des êtres vivants.
  • À l’échelle de la planète, les organismes chlorophylliens utilisent pour la photosynthèse environ 0,1 % de la puissance solaire totale disponible.
  • La photosynthèse permet l’entrée dans la biosphère de matière minérale stockant de l’énergie sous forme chimique.
  • À l’échelle des temps géologiques, une partie de la matière organique s’accumule dans les sédiments puis se transforme en donnant des combustibles fossiles : gaz, charbon, pétrole.
Pour bien comprendre
  • La photosynthèse
  • La respiration
  • La fermentation
  • La sédimentation
  • Les combustibles fossiles
1. La production de molécules organiques, source d'énergie, grâce à la photosynthèse
Une partie du rayonnement solaire absorbé par les végétaux chlorophylliens permet la synthèse de matière organique (glucides, lipides, protéines, acides nucléiques) à partir d'eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone : c’est la photosynthèse.
a. La photosynthèse à l'échelle de la feuille
Échauffement et évapotranspiration

La puissance radiative du Soleil (ou énergie lumineuse) se propage sous forme de radiations de longueurs d’onde variées. Le domaine du visible pour l’Homme se situe environ entre 400 et 800 nm.

Cette énergie lumineuse reçue par la feuille peut être absorbée (63 %), transmise (27 %) ou réfléchie (10 %) .
Seule une très faible fraction de la puissance radiative absorbée est utilisée pour la photosynthèse : environ 1 %.

Le reste de la puissance radiative absorbée provoque au niveau de la feuille un échauffement avec émission d’un rayonnement infrarouge et une évapotranspiration.

L’évapotranspiration est un phénomène de transpiration des végétaux entrainant une évaporation de l’eau.

Les échanges d’énergie au niveau de la feuille

Ce sont les pigments chlorophylliens des cellules de la feuille, contenus au niveau des chloroplastes, qui absorbent certaines radiations lumineuses.


Schéma d’une cellule de feuille d’élodée, un végétal chlorophyllien,
observée au microscope optique
Spectres d’absorption et d’action photosynthétique d’un végétal
Spectre d’absorption

Pour déterminer quelles sont les radiations lumineuses absorbées par une feuille d’un végétal chlorophyllien, on peut réaliser le spectre d’absorption des pigments bruts qu’elle contient.

Remarque
« Pigments bruts » signifie qu’on a extrait tous les pigments, chlorophylliens (correspondant à la chlorophylle) et caroténoïdes (pigments orange/jaune), sans les séparer.

Pour l’obtenir, on utilise un spectromètre à main ou spectrophotomètre sur un mélange de pigments bruts par exemple.

Cet appareil dirige un faisceau lumineux polychromatique à travers le mélange préparé et mesure la proportion de lumière transmise pour chaque longueur d’onde. On peut donc en déduire la proportion de lumière absorbée.


Spectre d'absorption des pigments bruts d'une feuille

On voit que les pigments bruts absorbent essentiellement les radiations bleues (< 450 nm) et rouges (650–670 nm).

Les radiations vertes sont, quant à elles, transmises ou réfléchies.

Spectre d’action photosynthétique

Pour vérifier que les radiations absorbées par la feuille d’un végétal chlorophyllien sont toutes utiles pour la photosynthèse, on peut réaliser un spectre d'action photosynthétique.

Pour cela, on enregistre l'intensité ou l’activité photosynthétique pour une feuille d’un végétal chlorophyllien en fonction des radiations de longueur d'onde comprises entre 400 et 700 nm.
On peut mesurer l’intensité photosynthétique en mesurant la quantité de dioxygène rejeté par la feuille par exemple (plus la quantité de dioxygène rejeté est importante, plus l’intensité photosynthétique est importante).

On peut alors superposer le spectre d'action photosynthétique au spectre d’absorption du végétal.


Spectres d’absorption et d’action photosynthétique d’un végétal
Remarque
L’activité photosynthétique est donnée en unité arbitraire (U.A.) car aucune unité particulière n’a été créée pour la mesurer.

On observe que les courbes se superposent assez bien.
En effet, on constate que lorsque l’action photosynthétique est importante, pour la même longueur d’onde, l’absorption de la lumière par les pigments bruts d’un végétal est importante aussi.

Il y a donc une corrélation entre l'absorption de certaines radiations lumineuses et la photosynthèse.
On en déduit que les radiations bleues et rouges sont utiles à la photosynthèse.

b. L'utilisation des molécules organiques fabriquées grâce à la photosynthèse
La photosynthèse permet la production de matière organique à partir de matière minérale grâce à la lumière.
L’équation chimique de la photosynthèse est la suivante :

6 CO2 + 6 H2O  6 O2 + C6H12O6
avec C6H12O6 la molécule de glucose.

L’énergie lumineuse est donc convertie en énergie chimique sous la forme d’une molécule organique de nature glucidique : le glucose.

Le glucose peut être transformé au sein de l’organisme chlorophyllien en d’autres molécules utiles pour son fonctionnement comme :

  • les glucides (saccharose, amidon) ;
  • les lipides (carotène) ;
  • les protéines.

Le glucose peut également être utilisé par les cellules pour réaliser :

  • la respiration cellulaire en présence de dioxygène et de glucose dans les mitochondries ;
  • la fermentation en absence de dioxygène mais avec du glucose dans le cytoplasme.

Ces phénomènes permettent la libération d’énergie nécessaire aux activités cellulaires et donc au bon fonctionnement des êtres vivants.
Cette libération d’énergie se fait sous forme d’ATP (ou adénosine triphosphate), une molécule servant à emmagasiner et à transporter de l’énergie.


Le rôle du glucose dans la fabrication d’énergie
dans une cellule en présence ou en absence de dioxygène
2. La photosynthèse à l'échelle planétaire

La photosynthèse est un processus indispensable à l’échelle de la planète : elle permet l’entrée de matière minérale et d’énergie dans la biosphère.

a. Le rôle des organismes chlorophylliens dans la biosphère

Les organismes chlorophylliens sont présents partout sur notre planète, dans tous les écosystèmes : aussi bien dans l’eau avec le phytoplancton, que sur la terre avec les végétaux.

Tous ces organismes chlorophylliens utilisent l’énergie solaire pour réaliser la photosynthèse.

La quantité d’énergie solaire reçue et la part utilisée pour la photosynthèse par les organismes chlorophylliens sont données ci-dessous.

Énergie solaire reçue par unité de temps et de surface 340 W·m–2
Énergie solaire utilisée par les organismes chlorophylliens pour la photosynthèse 0,340 W·m–2
À l’échelle de la planète, les organismes chlorophylliens n’utilisent donc qu’environ 0,1 % de la puissance solaire totale disponible.
En effet, une grande partie de l’énergie solaire est absorbée par les océans et le sol (voir le cours « Le bilan radiatif terrestre »).

Au sein d’un écosystème, les organismes chlorophylliens sont appelés des producteurs primaires.

Ils sont à la base de la production de matière organique grâce à l’utilisation de la matière minérale disponible (CO2, eau, sels minéraux) et de l’énergie solaire.

b. Les flux de matière et d'énergie au sein d'un écosystème

Au sein d’un écosystème, via les relations alimentaires entre les êtres vivants, il y a des flux de matière et donc d’énergie entre les différents maillons des chaines alimentaires.


Le rôle des producteurs primaires
dans l’entrée de matière et d’énergie dans l’écosystème

Les producteurs primaires constituent un stock d’énergie chimique disponible important, sous forme de matière organique, pour les consommateurs secondaires grâce à la photosynthèse. Eux-mêmes serviront de stock d’énergie chimique pour les consommateurs tertiaires.

Enfin grâce aux décomposeurs, la matière organique morte est renouvelée en matière minérale utile pour les producteurs primaires.

Via la photosynthèse, les organismes chlorophylliens permettent donc l’entrée dans la biosphère de matière minérale qui stocke alors l’énergie sous forme chimique, c’est-à-dire sous forme de matière organique.

Cependant, à chaque maillon des chaines alimentaires, les pertes de matière et donc d’énergie chimique sont très élevées à cause du fonctionnement des êtres vivants :

  • la respiration cellulaire et/ou la fermentation (75 % de perte d’énergie) ;
  • les excréments rejetés (15 % de perte d’énergie).

Seuls 10 % de la matière consommée, à chaque maillon, est stockée pour la croissance de l’être vivant.


L'énergie chimique (en Joules) disponible
pour chaque maillon de la chaine alimentaire
c. Bilan

Grâce à la photosynthèse, les organismes chlorophylliens permettent donc la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique au sein de la biosphère.

Cette énergie chimique, sous forme de matière organique, est disponible pour tous les êtres vivants de la planète.

La photosynthèse est donc un processus indispensable à notre planète.

3. La formation des combustibles fossiles – Exemple du charbon
La matière organique produite par la photosynthèse compose certains combustibles fossiles, comme le pétrole, le gaz et le charbon. Ces roches riches en carbone organique sont appelées roches carbonées.

Elles se forment grâce à l’accumulation de végétaux piégés dans certaines conditions.

a. La formation du charbon

La formation des gisements de charbon a commencé il y a plus de 350 millions d'années, au Carbonifère.

La fossilisation de la matière organique en profondeur s’est faite très lentement, pendant des millions d’années en suivant le processus décrit ci-dessous.

Étape 1

L'environnement doit présenter une forêt au bord d’un bassin sédimentaire.

Étape 2

Suite à la montée des eaux due aux phénomènes de tectonique des plaques, une partie ou la totalité de la forêt est détruite. Des végétaux morts se déposent au fond du bassin sédimentaire sous une couche d’eau. Des sédiments sableux se déposent également.
Sous le poids des sédiments et à cause de contraintes tectoniques (extension), le bassin sédimentaire s’enfonce progressivement (c’est la subsidence).

Étape 3

La transformation des sédiments en roches sédimentaires et la fossilisation des végétaux morts en charbon débutent avec l’augmentation de la température due à l’enfouissement et avec l’augmentation de bactéries anaérobies (pouvant se développer sans oxygène). Celles-ci transforment les molécules organiques en libérant les molécules volatiles (O2, H2, N2) et concentrent le carbone.
Ce processus de transformation prend plusieurs millions d’années.

Étape 4

Une nouvelle végétation s’installe en bord du bassin sédimentaire.
Les étapes précédentes peuvent se renouveler, ce qui permet d’obtenir en sous-sol une alternance de couche de charbon avec des couches de roches sédimentaires comme l’argile ou le grès.

Les combustibles fossiles mettent plusieurs millions d’années à se former dans le sous-sol. Ce sont donc des sources d’énergie non renouvelables à l’échelle humaine.

b. L'utilisation des combustibles fossiles

Le charbon est une source d’énergie pour les humains.

Au XIXe siècle, on l’utilisait pour se chauffer et alimenter les nouvelles usines et en particulier les machines à vapeur.
Aujourd’hui, on l’utilise dans le monde pour produire de l’électricité dans les centrales thermiques.

En 2015, 39 % de la production mondiale d'électricité mondiale provenait du charbon.

Comment as-tu trouvé ce cours ?

Évalue ce cours !

 

Question 1/5

La médiane de 6 notes est 13. Cela signifie que :

Question 2/5

On a obtenu la série statistique suivante :

Combien vaut la médiane ?

Question 3/5

On a obtenu la série ci-dessous :

Quelle est la médiane de cette série ?

Question 4/5

On a relevé les tailles en cm des élèves d’une classe :

 

Parmi les propositions suivantes, laquelle est vraie ?

Question 5/5

Les notes en français de deux classes littéraires sont données dans le tableau suivant :

Quelle est la note médiane ?

Vous avez obtenu75%de bonnes réponses !

Reçois l’intégralité des bonnes réponses ainsi que les rappels de cours associés

Une erreur s'est produite, veuillez ré-essayer

Consultez votre boite email, vous y trouverez vos résultats de quiz!

Découvrez le soutien scolaire en ligne avec myMaxicours

Le service propose une plateforme de contenus interactifs, ludiques et variés pour les élèves du CP à la Terminale. Nous proposons des univers adaptés aux tranches d'âge afin de favoriser la concentration, encourager et motiver quel que soit le niveau. Nous souhaitons que chacun se sente bien pour apprendre et progresser en toute sérénité ! 

Fiches de cours les plus recherchées

Sciences

Le bilan thermique du corps humain

Sciences

Entendre la musique

Sciences

Le bilan radiatif terrestre

Sciences

La forme de la Terre

Sciences

Formation des images sur la rétine - Nécessité de l'accommodation

Sciences

Biologie des microorganismes et conservation des aliments

Sciences

Qualité des sols et de l'eau

Sciences

Pratiques alimentaires, collectives et perspectives globales

Sciences

Se nourrir au quotidien : exemple des émulsions

Sciences

Conditions de visibilité d'un objet

Sciences

Lentilles minces convergentes et divergentes

Sciences

Couleur et Art

Sciences

Les perturbations chimiques de la perception visuelle

Sciences

Comportements sexuels