Une conversion naturelle de l’énergie solaire : la photosynthèseCours

Une partie de l'énergie solaire est utilisée par la photosynthèse et permet de fournir l'énergie nécessaire à l'ensemble des êtres vivants.

I

La photosynthèse : une définition générale

Photosynthèse

La photosynthèse est l'ensemble des réactions chimiques qui permet aux végétaux de produire leur propre matière organique. On dit alors qu'ils sont autotrophes.

La photosynthèse nécessite :

  • de l'énergie solaire ;
  • de l'eau ;
  • du dioxyde de carbone  \ce{CO2}  ;
  • des sels minéraux.

Ces éléments permettent de produire du glucose, matière organique qui nourrit la plante, et de la chaleur. 

L'équation bilan de la photosynthèse est :  

\text{6 } \ce{CO2}+ \text{6 } \ce{H2O}+ \text{énergie lumineuse}\ce{->}\ce{C6H12O6} \text{ (glucose)}+ \text{6 } \ce{O2}+ \text{ chaleur}     

Le principe de la photosynthèse

Le principe de la photosynthèse

La photosynthèse permet :

  • l'entrée du carbone dans la biosphère.
  • la conversion de l'énergie solaire en énergie chimique dans la biosphère : en effet, les molécules organiques ainsi fabriquées représentent une forme d'énergie chimique que les cellules peuvent exploiter grâce à des mécanismes tels que la respiration.
  • la production de dioxygène que les organismes (animaux et végétaux) utilisent pour les phénomènes respiratoires.
  • la production d'une biomasse végétale, qui permet de nourrir l'intégralité des organismes vivants sur Terre. Ces organismes sont liés les uns aux autres dans des relations trophiques constituant des chaînes alimentaires.

Ainsi, la photosynthèse est nécessaire à l'ensemble du vivant :

  • elle produit du dioxygène nécessaire à la respiration ;
  • elle produit de la matière organique qui circule dans les chaînes alimentaires ;
  • elle absorbe le  \ce{CO2} produit par la respiration de l'ensemble des êtres vivants, limitant ainsi l'élévation de l'effet de serre.
Photosynthèse et chaîne alimentaire dans la biosphère

Photosynthèse et chaîne alimentaire dans la biosphère

II

Le rôle de la puissance solaire dans la photosynthèse

A

L'utilisation de la puissance solaire dans la photosynthèse

La photosynthèse utilise seulement 1 % de l'énergie solaire reçue par les végétaux. L'énergie parvenant aux feuilles se répartit de la façon suivante :

  • Une fraction est absorbée.
  • Une partie est réfléchie ou diffusée.

La feuille chlorophyllienne absorbe les radiations correspondant au bleu (longueur d'onde d'environ 420−450 nm) et à l'orange/rouge (environ 600−680 nm). 

1

L'évapotranspiration 

Une partie de cette puissance absorbée est convertie en chaleur et permet le phénomène d'évapotranspiration.

Évapotranspiration

L'évapotranspiration est la quantité d'eau évaporée depuis le sol ou les végétaux. L'évapotranspiration végétale s'effectue au niveau des feuilles, par de minuscules orifices nommés stomates. Elle participe à la circulation de la sève.

2

La diffusion de l'énergie solaire non absorbée

L'énergie solaire qui n'est pas absorbée est diffusée par la feuille (radiations de longueur d'onde d'environ 450 – 600 nm). Les radiations qui « sortent » de la feuille sont celles qui correspondent à ce que nous percevons comme la lumière verte, raison pour laquelle la feuille paraît verte.

Le spectre de la chlorophylle brute (les pigments extraits d'une feuille verte) montre l'absorption de certaines radiations par les végétaux.

Absorption de la lumière par les végétaux
Absorption de la lumière par les végétaux

Expérimentalement, on peut montrer que l'intensité photosynthétique évolue comme l'absorption de la lumière, en fonction de la longueur d'onde utilisée.

Intensité photosynthétique

L'intensité photosynthétique est une mesure de l'efficacité de la photosynthèse. Elle peut s'exprimer en quantité de dioxygène ou en quantité de matière organique produite au cours du temps.

Spectre d'absorption et intensité photosynthétique
Spectre d'absorption et intensité photosynthétique
  • À une absorption élevée (420 nm par exemple) correspond une intensité photosynthétique forte.
  • À une absorption faible (520 nm par exemple) correspond une intensité photosynthétique basse.

L'énergie lumineuse absorbée détermine l'intensité de la photosynthèse.

Si on éclaire un végétal avec une radiation lumineuse verte de longueur d'onde 520 nm (non absorbée), il n'y aura pas de photosynthèse, quelle que soit l'intensité de l'éclairement.

B

La libération d'énergie pour les êtres vivants

Les molécules organiques synthétisées par photosynthèse grâce à l'énergie solaire peuvent : 

  • être utilisées par la même cellule pour produire de l'énergie par la respiration ;
  • être utilisées pour le renouvellement de structures cellulaires, la croissance, de cette cellule ; 
  • être utilisées par d'autres cellules du végétal ;
  • servir de source alimentaire pour des organismes consommateurs.

Le bilan énergétique localisé au niveau d'une feuille peut finalement être établi :

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III

La production de combustibles fossiles grâce à la photosynthèse

Les combustibles fossiles sont des sources d'énergie.

Le charbon, le gaz naturel et le pétrole sont des sources des combustibles fossiles. En les brûlant, on obtient de l'énergie.

Les combustibles contiennent des molécules carbonées semblables à celles que l'on trouve chez les êtres vivants. Il est possible d'en conclure qu'ils sont formés à partir d'anciens êtres vivants. Ces êtres vivants ont échappé à la décomposition après leur mort : on parle de processus de fossilisation.

La formation de ces combustibles fossiles est effectuée en plusieurs étapes :

  • Étape 1 : Photosynthèse forte, ce qui suppose des conditions « idéales » d'éclairement, de température, etc.
  • Étape 2 : Accumulation d'organismes morts (micro-algues dans l'océan ; arbres en milieu continental) en quantités extrêmement importantes.
  • Étape 3 : Enfoncement de la croûte terrestre sous le poids de la matière organique ainsi accumulée. Ce phénomène est nommé subsidence.
  • Étape 4 : En profondeur, sous l'effet d'une augmentation de la pression et de la température, la biomasse fossile est transformée en combustible.
La formation des combustibles fossiles grâce à la photosynthèse

La formation des combustibles fossiles grâce à la photosynthèse

Les combustibles fossiles résultent donc de la transformation d'une biomasse fossile. Cette biomasse a été produite grâce à la photosynthèse. Les combustibles fossiles sont donc une forme de l'énergie solaire du passé, transformée en énergie chimique. La biomasse autrefois produite par la photosynthèse a échappé à la décomposition.

Les combustibles fossiles mettent longtemps à se former, leur composition est très particulière. Ce sont donc des sources d'énergie épuisables non revouvellables à l'échelle de la vie humaine.