Une plante fabrique sa nourriture avec du dioxyde de carbone pris dans l'air, de l'eau et des ions minéraux puisés dans le sol, et la lumière comme source d'énergie. Avec cette matière minérale, elle construit des sucres, c'est-à-dire de la matière organique, où elle stocke une partie de l'énergie lumineuse sous forme d'énergie chimique : c'est la photosynthèse. L'amidon d'une pomme de terre en est un bon exemple : son carbone était dans l'air, sous forme de dioxyde de carbone, quelques mois avant la récolte.
La recette en une équation
La matière minérale, ce sont l'eau, le dioxyde de carbone et les ions minéraux, comme les nitrates du sol. La matière organique, ce sont les molécules fabriquées par les êtres vivants, bâties sur des chaînes d'atomes de carbone : sucres, protéines, graisses. Un être vivant capable de fabriquer sa matière organique à partir de matière minérale est dit autotrophe.
Chez une plante, la photosynthèse a lieu surtout dans les feuilles, dans les chloroplastes : de petits éléments verts des cellules, qui contiennent la chlorophylle, le pigment qui capte la lumière. Le dioxyde de carbone entre par les stomates, de minuscules pores de la feuille ; l'eau monte depuis les racines.
Définition : la photosynthèse est la fabrication de matière organique à partir de matière minérale (eau, ions, dioxyde de carbone) grâce à l'énergie lumineuse, par les organismes chlorophylliens : plantes, algues et certaines bactéries.
Formule : bilan de la photosynthèse quand le sucre fabriqué est du glucose :
$$6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} \xrightarrow{\text{lumière}} \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$$
Compte les atomes de chaque côté : 6 carbones, 12 hydrogènes, 18 oxygènes. Le dioxygène rejeté dans l'air est celui que tu respires. Le programme d'enseignement scientifique de Première s'en tient à ce bilan de matière et d'énergie : le détail des réactions dans le chloroplaste n'y figure pas.
D'où vient la masse d'une plante
Relis l'équation : les atomes de carbone du glucose viennent tous du dioxyde de carbone, ses atomes d'hydrogène viennent de l'eau. Le sol fournit l'eau et des ions minéraux, sources d'azote ou de magnésium pour les protéines et la chlorophylle, mais le carbone, lui, vient de l'air.
Une fois son eau retirée, un arbre est donc construit surtout à partir du dioxyde de carbone de l'air : le bois d'un chêne, c'est en grande partie du gaz transformé.
Piège classique : « la plante se nourrit dans le sol » est faux. Le sol lui apporte l'eau et les ions minéraux, pas sa matière organique : une plante ne mange pas, elle fabrique. L'exercice 1 te le montre en chiffres.
L'énergie : de la lumière aux molécules
Assembler du glucose demande de l'énergie, et c'est la lumière qui la fournit. La chlorophylle absorbe surtout le bleu et le rouge, très peu le vert : ce vert renvoyé par la feuille arrive à ton œil, d'où la couleur des feuilles.
L'énergie absorbée ne sort pas de nulle part et ne disparaît pas : elle change de forme. Une partie devient de l'énergie chimique, stockée dans les molécules de glucose ; le reste est dissipé en chaleur. À l'échelle de la planète, la photosynthèse n'utilise qu'une infime partie de l'énergie solaire reçue par la Terre, et cette infime partie fournit l'énergie de presque tous les êtres vivants.
Piège classique : n'écris pas « la photosynthèse produit de l'énergie ». L'énergie ne se fabrique pas, elle se convertit. La phrase juste : la photosynthèse convertit de l'énergie lumineuse en énergie chimique, stockée dans la matière organique.
Conseil : pour tout bilan d'énergie, pose $E_{\text{reçue}}=E_{\text{stockée}}+E_{\text{non stockée}}$ ; la part non stockée est renvoyée, transmise ou dissipée en chaleur. Le rendement est la part stockée, $\dfrac{E_{\text{stockée}}}{E_{\text{reçue}}}$, souvent donnée en pourcentage.
Ce que la plante fait de ses sucres
Le glucose ne reste pas dans la feuille. Transformé en saccharose, le sucre de table, il part dans la sève élaborée, qui le distribue aux racines, aux fruits et aux graines.
La plante en utilise une partie pour vivre : c'est la respiration, qui libère l'énergie chimique du sucre pour faire fonctionner ses cellules, en consommant du dioxygène et en rejetant du dioxyde de carbone. Elle assemble une autre partie en grosses molécules : la cellulose, qui forme les parois de ses cellules et une bonne part du bois, et l'amidon, mis en réserve dans une pomme de terre ou un grain de blé.
Piège classique : les plantes respirent elles aussi, jour et nuit, dans toutes leurs cellules vivantes, alors que la photosynthèse n'a lieu qu'à la lumière. En pleine lumière, la plante rejette plus de dioxygène qu'elle n'en consomme ; la nuit, elle ne fait que respirer et rejette du dioxyde de carbone. « Photosynthèse le jour, respiration la nuit » est donc faux.
De la feuille à ton assiette
Le lapin qui mange de l'herbe récupère la matière organique de l'herbe et l'énergie chimique qu'elle contient. Remonte presque n'importe quelle chaîne alimentaire : au départ, tu trouves un organisme chlorophyllien, une plante sur les continents, le phytoplancton (des algues et des bactéries microscopiques) dans les océans.
Ton assiette suit la même logique : les glucides du pain viennent de l'amidon du blé, la viande d'un animal qui a mangé des plantes. Ton corps transforme ces molécules organiques pour libérer l'énergie dont il a besoin. Les étiquettes alimentaires chiffrent cette énergie en kilojoules (kJ), avec des coefficients fixés par le règlement européen sur l'information des consommateurs :
| Nutriment (1 g) | Énergie apportée |
|---|---|
| Glucides | 17 kJ |
| Protéines | 17 kJ |
| Graisses (lipides) | 37 kJ |
Exercices corrigés
Cherche chaque exercice sur ta feuille avant d'ouvrir sa correction.
Exercice 1 : Un jeune arbre de 2 kg est planté dans un bac de 100 kg de terre sèche et arrosé seulement à l'eau de pluie. Cinq ans plus tard, l'arbre pèse 70 kg ; la terre, séchée et repesée, pèse 99,9 kg (données fictives). Quelle masse l'arbre a-t-il gagnée ? Quelle part de ce gain la terre peut-elle expliquer, au plus ? D'où vient le reste ?
Correction :
L'arbre a gagné $70 - 2 = 68$ kg. La terre a perdu $100 - 99{,}9 = 0{,}1$ kg : ce sont des ions minéraux absorbés par les racines.
La terre explique donc au plus $\dfrac{0{,}1}{68} \approx 0{,}0015$ du gain, soit environ 0,15 %.
Le reste vient de l'eau, qui fait une bonne part d'un arbre vivant, et du dioxyde de carbone de l'air, dont le carbone a construit toute sa matière organique. Croire que l'arbre a « mangé » sa terre, c'est le piège.
Exercice 2 : L'étiquette d'un pain de mie indique, pour 100 g : 48 g de glucides, 9 g de protéines et 4 g de graisses (données fictives). Un gramme de glucides ou de protéines apporte 17 kJ, un gramme de graisses 37 kJ. a) Calcule l'énergie apportée par 100 g de ce pain. b) Une heure de marche rapide fait dépenser 1 000 kJ à un élève (donnée fictive). Quelle masse de pain couvre cette dépense ? c) D'où venait, au départ, l'énergie des glucides de ce pain ?
Correction :
a) $48 \times 17 + 9 \times 17 + 4 \times 37 = 816 + 153 + 148 = 1\,117$ kJ pour 100 g.
b) L'énergie est proportionnelle à la masse de pain : $m = 100 \times \dfrac{1\,000}{1\,117} \approx 89{,}5$ g, soit environ 90 g.
c) De la lumière du Soleil, convertie en énergie chimique par les feuilles du blé, puis stockée sous forme d'amidon dans le grain dont on a tiré la farine.
Exercice 3 : En une journée, un mètre carré de feuilles reçoit 20 000 kJ d'énergie lumineuse et fabrique 20 g de sucres, chaque gramme stockant 17 kJ (données fictives). a) Calcule l'énergie stockée, puis le rendement de la photosynthèse. b) Un élève conclut : « la feuille a produit de l'énergie ». Corrige sa phrase. c) Que sont devenus les autres kilojoules ?
Correction :
a) Énergie stockée : $20 \times 17 = 340$ kJ. Rendement : $\dfrac{340}{20\,000} = 0{,}017$, soit 1,7 %.
b) La feuille n'a pas produit d'énergie : elle a converti 340 kJ d'énergie lumineuse en énergie chimique, stockée dans les sucres.
c) $20\,000 - 340 = 19\,660$ kJ, soit 98,3 % de l'énergie reçue, n'ont pas été stockés. Ils n'ont pas disparu : cette énergie a été renvoyée par la feuille, l'a traversée, ou a été dissipée en chaleur, qui réchauffe la feuille et fait évaporer une partie de son eau.
À retenir
À retenir :
- La photosynthèse fabrique de la matière organique à partir de dioxyde de carbone, d'eau et d'ions minéraux, avec la lumière comme source d'énergie.
- Bilan : $6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} \to \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$.
- La matière organique d'une plante est construite avec le carbone de l'air, pas avec le sol.
- L'énergie lumineuse est convertie en énergie chimique, jamais « produite » ; une petite part seulement est stockée.
- Les plantes respirent jour et nuit ; la photosynthèse n'a lieu qu'à la lumière.
- Presque toute la nourriture des êtres vivants, la tienne comprise, vient de la photosynthèse.
Sources
- Programme d'enseignement scientifique de première générale, Bulletin officiel n° 25 du 22 juin 2023, partie 2.3 : texte sur education.gouv.fr.
- Règlement (UE) n° 1169/2011 du 25 octobre 2011 concernant l'information des consommateurs sur les denrées alimentaires, annexe XIV : texte sur EUR-Lex.