Une conversion naturelle de l'énergie solaire : la photosynthèse

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.

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

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.

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.

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

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.

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

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.

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.

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.

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

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.

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.

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

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).

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.

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.

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

Au XIX^e 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.