Dans nos aquariums, nous nous efforcerons de créer un écosystème unique, intégrant tous les processus se déroulant au sein du bassin. Recréer une symbiose complète sans intervention est quasiment impossible. C'est pourquoi nous viserons à nous rapprocher au maximum de l'idéal, en reproduisant fidèlement tous les phénomènes naturels de nos écosystèmes sous-marins. Cette recherche de la perfection garantira les meilleurs résultats de reproduction.
Selon nous, les processus les plus importants sont la photosynthèse et les cycles de décomposition chimique, comme le cycle de l'azote. Tous ces processus sont interdépendants. Dans l'article suivant, nous nous concentrerons sur la compréhension de la photosynthèse.
Histoire
Le pasteur, philosophe et chimiste anglais Joseph Priestley est considéré comme un pionnier de l'étude de la photosynthèse. Au tournant des XVIIIe et XIXe siècles, le monde scientifique était fasciné par la capacité des plantes à vivre et à croître uniquement grâce à l'air, l'eau, quelques oligo-éléments et la lumière. En 1780, le chimiste anglais Joseph Priestley découvrit que les plantes produisent de l'oxygène, un composant qu'il nomma d'abord simplement « air ». Il constata que cet « air » permettait aux bougies de brûler avec une intensité exceptionnelle. Il mena également des expériences sur des souris et observa qu'une souris vivait plus longtemps enfermée dans le gaz qu'il avait créé que dans le même volume d'air ambiant. Quelques années plus tard, le chimiste français Antoine Lavoisier formula le concept d'oxydation, et ce, avant d'être décapité pendant la Révolution française. Le rôle de la lumière dans ce processus fut déterminé par le physicien danois Jan Ingenhousz, qui poursuivit ses travaux, inspiré par les expériences de Priestley. Le rôle des deux autres composants de la photosynthèse — le dioxyde de carbone et l'eau — a été découvert par deux chimistes genevois, Jean Senebier et Théodor de Saussure. Il a donc été établi que :
6 CO2 + 6 H2O →C6H12O6 + 6 O2
Photosynthèse
« La nature s'est donné pour mission de capter les rayons lumineux qui atteignent la Terre et de les concentrer, accumulant ainsi la force la plus insaisissable qui soit. Les plantes absorbent une forme d'énergie – la lumière – et en produisent une autre – la diversité chimique. » – Julius Mayer
La photosynthèse, scientifiquement parlant, est la synthèse de composés organiques (glucose) à partir de composés inorganiques simples (sels minéraux, eau) en présence de pigments appropriés et grâce à l'énergie lumineuse. Ce processus produit des composés moins oxydés, et donc à plus haute valeur énergétique. Ces composés constituent les éléments de base des autotrophes et la nourriture des hétérotrophes. En fixant le CO₂ et en libérant de l'oxygène, la photosynthèse contribue également au maintien de l'équilibre gazeux de l'atmosphère. C'est donc un processus biologique fondamental, indispensable à la vie sur Terre.
La photosynthèse a lieu chez les plantes, les bactéries et les protozoaires et se déroule dans des zones spécialisées de la cellule. Chez les plantes, il s'agit des chloroplastes, organites concentrés dans le parenchyme des feuilles.
La photosynthèse est un processus complexe qui se déroule en deux phases.
Phase lumineuse (lumineuse)
Il s'agit d'une série de réactions photochimiques, nécessitant de la lumière pour se dérouler. Elles ont lieu dans les granules où la chlorophylle est stockée. La fonction principale de cette phase est de convertir l'énergie lumineuse en énergie chimique, produisant ainsi de l'énergie assimilatrice sous forme de NADPH oxydase (NADPH) et d'ATP, avec l'oxygène comme sous-produit.
L'électron transporté perd progressivement de l'énergie, partiellement dissipée sous forme de chaleur et partiellement stockée sous forme d'ATP. Ce processus est appelé phosphorylation photosynthétique. Les cations hydrogène se combinent au NADP+ pour former du NADPH2, qui, avec l'ATP, fournit l'énergie d'assimilation utilisée pendant la phase obscure. Les électrons de la molécule d'eau migrent vers la chlorophylle, comblant ainsi les lacunes. L'oxygène, quant à lui, s'échappe dans l'atmosphère par les stomates.
Phase sombre (cycle de Calvin)
Il s'agit du cycle de réduction du CO2. Ce cycle consiste en une série de réactions biochimiques utilisant l'énergie produite par la lumière. Il se déroule dans le stroma des chloroplastes, où sont stockées toutes les enzymes nécessaires à ce processus.
La phase obscure comprend trois étapes principales :
• carboxylation : le CO2 capté dans l'atmosphère se fixe à un sucre activé à cinq carbones, le ribulose diphosphate (RuDP) ou ribulose (RDP). Après fixation, ce composé à six carbones se décompose en deux molécules à trois carbones, les acides phosphoglycériques (PGA) ;
• réduction : le PGA est réduit en six molécules de glycéraldéhyde-3-phosphate (GAP). Cette réaction nécessite l'apport de NADPH oxydase et d'ATP ;
• régénération : cinq molécules de GAP sont utilisées pour régénérer l'accepteur de CO2, le RuDP (trois molécules de CO2 se fixent simultanément). La molécule restante est le produit net de la photosynthèse et sert de substrat à la production de composés organiques plus complexes.
La plupart des plantes assimilent directement le CO2 de l'atmosphère en l'incorporant dans le cycle réducteur de Calvin.
L'intensité de la photosynthèse dépend de nombreux facteurs.
Facteurs externes :
• Lumière – limite la phase lumineuse de la photosynthèse. C'est également le principal facteur influençant le développement du parenchyme foliaire, la synthèse de la chlorophylle et la formation des chloroplastes. La photosynthèse se déroule sous éclairage naturel et artificiel. Cependant, seule une partie de l'énergie incidente sur la feuille est convertie en énergie chimique des assimilats. La vitesse de ce processus dépend de la couleur et de l'intensité de la lumière, ainsi que du type de plante. Les plantes d'ombre atteignent leur efficacité maximale à seulement 1/10 de l'intensité de la pleine lumière solaire. Les plantes photophiles se développent mieux sous un éclairage intense. Un excès de lumière inhibe la photosynthèse, provoquant l'oxydation et l'inactivation des molécules de chlorophylle. La transpiration augmente également excessivement, les cellules perdent leur turgescence, ce qui entraîne la fermeture des stomates et inhibe l'entrée de CO₂.
• Dioxyde de carbone (CO₂) – sa concentration n'est pas optimale pour les plantes. Une augmentation d'environ 0,12 % triple l'intensité de la photosynthèse. C'est pourquoi le CO₂ est utilisé. Le CO₂ gazeux traverse les stomates et pénètre dans les espaces intercellulaires, d'où il diffuse dans les cellules du parenchyme vert. Les plantes aquatiques l'absorbent sous forme d'ions HCO₃⁻.
Les sels minéraux constituent une source de substances pour la synthèse et activent de nombreuses transformations. Une carence en un seul nutriment, même avec un apport suffisant des autres, limite la photosynthèse (loi du minimum). Par exemple, en cas de carence en sels azotés, la synthèse de la chlorophylle est inhibée, entraînant une chlorose foliaire.
• Température – La photosynthèse est un processus enzymatique dont l'optimum thermique se situe entre 20 et 30 °C. Au-delà de cette température, on observe une diminution rapide de l'intensité des réactions. La plage de tolérance des plantes varie considérablement et dépend de leur espèce et de leur localisation. Dans la plupart des cas, la photosynthèse cesse à une température de 40 °C.
Facteurs internes :
• Structure des organes et des tissus impliqués dans la photosynthèse : feuilles, système chlorophyllien, stomates (nombre et disposition), tissus de stockage d'eau, pigments ;
• Propriétés physiologiques de la plante :
– la capacité de manipuler la disposition des feuilles et des chloroplastes ;
– l’efficacité du système d’approvisionnement en eau et en sels minéraux ;
– mécanismes de protection contre la surchauffe et la transpiration excessive.
Les photoautotrophes utilisent l'énergie du rayonnement solaire dont la longueur d'onde se situe entre 400 et 700 nm environ, absorbant principalement les longueurs d'onde bleues et rouges. Les pigments photosynthétiques (ou assimilatifs), composés chimiques colorés, jouent un rôle essentiel dans ce processus. On les trouve en plus grande quantité chez les plantes d'ombre que chez les plantes photophiles.
Il existe trois principaux groupes de pigments :
les chlorophylles, qui absorbent les longueurs d'onde bleues et rouges. Les pigments verts sont solubles dans les solvants organiques et les graisses, mais insolubles dans l'eau.
Chaque molécule de chlorophylle est composée de phéoporophyrine, un dérivé de la porphyrine. Un atome de magnésium occupe une position centrale et se lie aux atomes d'azote de chaque cycle. Les colorants verts absorbent la lumière visible dans la gamme 370-760 nm, chacun possédant son propre spectre d'absorption caractéristique avec deux pics : l'un dans le rouge, l'autre dans le bleu-violet.
Les caroténoïdes (par exemple, le β-carotène) sont des pigments accessoires jaunes ou orangés présents chez tous les photoautotrophes. Ils absorbent la lumière dans la partie bleu-violet du spectre et la transfèrent ensuite à la molécule de chlorophylle. De plus, ils protègent les photosystèmes de l'excès d'énergie lumineuse incidente, qu'ils absorbent ou redirigent vers d'autres processus physiologiques. Ils protègent également la cellule des espèces réactives de l'oxygène (activité antioxydante). Les caroténoïdes sont des tétraterpènes (terpénoïdes à 40 atomes de carbone). Ils sont photosensibles, c'est-à-dire qu'ils subissent des modifications en présence de lumière. Leur concentration est inférieure à celle de la chlorophylle.
Les phycobilines (par exemple, la phycocyanine, la phycoérythrine) sont des pigments accessoires présents chez les algues rouges et les cyanobactéries. Ce sont les seuls pigments photosynthétiques associés à des protéines hydrosolubles. Elles captent l'énergie lumineuse dans la gamme 450-600 nm et la transfèrent ensuite à la chlorophylle. Il s'agit d'une adaptation à la vie en eaux profondes.
SOURCES :
- Claudia Girnth-Diamba et Bjørn Fahnøe ; Observation de la photosynthèse chez les plantes aquatiques
- Lubert Stryer « Biochemia », traduction collective éditée par Jacek Augustyniak et Jan Michejda à partir de la quatrième édition américaine ;
- Ewa Pyłka-Gutowska « Biologie. Vademecum pour les diplômés du secondaire » ; Maison d'édition "Oświata" ;
- Henryk Wiśniewski « Biologie pour la troisième année de l'enseignement secondaire général avec un profil fondamental et biochimique »,
- Photosynthèse Adam Kuzdraliński