Fiche de révision : Photosynthèse et matière organique

📋 Plan du Cours

1. Photosynthèse et modes d’autotrophie
2. Lumière et pigments photosynthétiques
3. Compartiments de la photosynthèse
4. Approvisionnement en matières minérales
5. Bilan de la photosynthèse
6. Productivité primaire planétaire
7. Utilisation énergétique de la matière organique
8. Formation des combustibles fossiles

📖 1. Photosynthèse et modes d’autotrophie

🔑 Notions clés & Définitions

• Autotrophie : Production, par un organisme vivant, de matière organique à partir de matière minérale.

• Photosynthèse : Synthèse de matière organique à partir d’eau, de sels minéraux et de CO2 grâce à l’énergie solaire.

★ À maîtriser

📌 La chimioautotrophie utilise l’énergie libérée par des réactions chimiques, tandis que la photoautotrophie utilise l’énergie lumineuse.

Compléments

• Les végétaux chlorophylliens, les cyanobactéries et les bactéries sulfureuses sont des organismes autotrophes.

• La photosynthèse convertit l’énergie solaire en énergie chimique stockée dans les molécules organiques produites.

💡 Astuce mémo

La chimioautotrophie tire son énergie de réactions chimiques, la photoautotrophie de la lumière.

📖 2. Lumière et pigments photosynthétiques

★ À maîtriser

• Les pigments chlorophylliens captent l’énergie lumineuse nécessaire à la photosynthèse.

• Les pigments photosynthétiques des plantes vertes comprennent :

  • les chlorophylles a et b, de couleur verte
  • les caroténoïdes, de couleur jaune orangé
  • les xanthophylles, de couleur jaune

• Les pigments photosynthétiques absorbent les radiations rouges et bleues, mais pas les radiations vertes, qui sont transmises et expliquent la couleur verte des organismes chlorophylliens.

Compléments

• L’activité photosynthétique est proportionnelle à l’intensité lumineuse.

• Une très faible fraction de l’énergie radiative reçue par une feuille sert à la photosynthèse ; le reste est réfléchi, transmis ou absorbé et contribue à son échauffement.

• La photosynthèse est maximale sous les radiations rouges et bleues.

💡 Astuce mémo

Le vert est transmis, tandis que le rouge et le bleu sont absorbés.

📖 3. Compartiments de la photosynthèse

★ À maîtriser

• Chez les végétaux, les chloroplastes contenant la chlorophylle sont présents dans les cellules vertes des parties aériennes et constituent le lieu de la photosynthèse.

Compléments

• Les chloroplastes contiennent des thylakoïdes, des sacs aplatis regroupés en grana.

• Chez les cyanobactéries, la photosynthèse a lieu directement dans le cytoplasme, où des sacs aplatis sont l’équivalent des thylakoïdes des chloroplastes.

• Les chloroplastes des cellules du parenchyme palissadique sont le lieu de synthèse de matière organique à partir du carbone minéral et de réduction du carbone oxydé.

📖 4. Approvisionnement en matières minérales

★ À maîtriser

• Chez les végétaux, le CO2 pénètre dans les feuilles par les stomates, majoritairement présents dans l’épiderme inférieur.

• L’eau et les éléments minéraux, dont les nitrates et les phosphates, sont absorbés par les poils absorbants des racines puis acheminés aux feuilles par le xylème.

Compléments

• L’ostiole des stomates s’ouvre en présence de lumière et d’humidité.

• 🔄 Le CO2 suit ce trajet dans la feuille : il entre dans les chambres aérifères, il traverse le parenchyme lacuneux, il atteint les cellules chlorophylliennes du parenchyme palissadique

• L’O2, déchet de la photosynthèse, suit le chemin inverse du CO2 et sort par les ostioles des stomates.

• L’échauffement des feuilles provoque leur transpiration, qui entraîne un appel d’eau faisant remonter la sève brute et favorisant l’absorption d’eau par les racines.

• Le phytoplancton regroupe les organismes planctoniques autotrophes vis-à-vis du carbone, y compris des bactéries comme les cyanobactéries.

• Le phytoplancton absorbe le CO2 dissous dans l’eau et les sels minéraux dissous issus du sous-sol et acheminés vers les eaux par lessivage puis ruissellement.

💡 Astuce mémo

Racines → xylème → feuilles ; stomates → cellules chlorophylliennes.

📖 5. Bilan de la photosynthèse

★ À maîtriser

📐 Formule - L’équation-bilan de la photosynthèse est $6\,\mathrm{CO_2}+6\,\mathrm{H_2O}+\text{énergie lumineuse}\rightarrow\mathrm{C_6H_{12}O_6}+6\,\mathrm{O_2}$.

Compléments

• Dans l’équation-bilan, la matière organique produite est le glucose, de formule C6H12O6.

• La production d’une molécule de glucose est associée à la consommation de 6 molécules de CO2 et de 6 molécules d’eau.

📖 6. Productivité primaire planétaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Productivité primaire : Quantité de carbone incorporé par les végétaux chlorophylliens en un lieu donné pendant un an, exprimée en tonnes de carbone par hectare et par an.

★ À maîtriser

• Les organismes chlorophylliens utilisent environ 0,1 % de la puissance solaire totale disponible sur Terre pour la photosynthèse.

• La productivité primaire océanique est de 25 GtC.an-1 et dépend majoritairement du phytoplancton, constitué d’organismes chlorophylliens microscopiques vivant en suspension sous la surface de l’eau.

📌 La productivité primaire brute correspond à la biomasse totale produite par les végétaux chlorophylliens, tandis que la productivité primaire nette correspond à la biomasse restante pour les autres êtres vivants après l’utilisation d’une partie de la matière et de l’énergie par les végétaux pour leur métabolisme.

Compléments

• La productivité primaire océanique se concentre surtout : dans les eaux froides où le CO2 se dissout fortement, à l’embouchure des fleuves apportant des sels minéraux, dans les zones d’upwelling où remontent des eaux profondes riches en matière minérale

• La productivité primaire continentale s’élève à 53 GtC.an-1 et varie selon l’écosystème, principalement en fonction de la biomasse végétale présente.

• La production primaire océanique est sensiblement égale à celle des terres émergées, alors que la biomasse primaire océanique est environ 500 fois moins importante que la biomasse terrestre.

• Après la mort des êtres vivants, les décomposeurs du sol transforment la matière organique en matière minérale et libèrent des sels minéraux réutilisables par les végétaux chlorophylliens pour la photosynthèse.

📖 7. Utilisation énergétique de la matière organique

🔑 Notions clés & Définitions

• Métabolisme cellulaire : Ensemble des réactions chimiques qui se déroulent à l’intérieur d’une cellule et lui permettent notamment de se maintenir en vie, de grandir, de se multiplier ou de répondre aux stimuli.

★ À maîtriser

• Les métabolismes énergétiques produisent de l’énergie chimique sous la forme d’ATP, et la libération d’un phosphate de cette molécule dégage 30 kiloJoules par mole.

• La respiration cellulaire utilise une chaîne de réactions en présence de dioxygène pour produire 36 ATP à partir d’une molécule de glucose et libère du CO2 à éliminer.

📌 La fermentation ne nécessite pas de dioxygène et produit 2 ATP avec un rendement de 2 %, contre 40 % pour la respiration cellulaire.

Compléments

📐 Formule - L’équation bilan de la respiration cellulaire est $\mathrm{C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O}$.

• La fermentation alcoolique produit du CO2 et de l’éthanol, tandis que la fermentation lactique produit de l’acide lactique.

• Les molécules organiques produites par les organismes photosynthétiques fournissent de l’énergie et de la matière aux êtres vivants, notamment après digestion par les animaux ou dégradation par les champignons et les bactéries.

💡 Astuce mémo

Respiration avec dioxygène ; fermentation sans dioxygène.

📖 8. Formation des combustibles fossiles

🔑 Notions clés & Définitions

• Roche mère : Roche sédimentaire dans laquelle se forment les hydrocarbures, pétrole ou gaz.

★ À maîtriser

• Une très petite partie de la matière organique produite échappe aux métabolismes énergétiques et se transforme en combustibles fossiles à l’échelle des temps géologiques.

• Les combustibles fossiles se forment dans des bassins sédimentaires par transformation d’une biomasse végétale ou planctonique incorporée dans des sédiments.

• Selon la biomasse d’origine et la profondeur d’enfouissement, la matière organique se transforme en charbon lorsqu’elle provient de végétaux terrestres, ou en pétrole lorsqu’elle provient de phytoplancton, puis en gaz.

Compléments

• Une matière organique rapidement enfouie échappe à l’action des décomposeurs, puis l’enfouissement régulier et la chaleur interne du globe augmentent progressivement la température et transforment les sédiments en roches sédimentaires tout en dégradant thermiquement la matière organique.

• La température augmente en moyenne de 3 °C tous les 100 m d’enfouissement.

• Dans le cas du pétrole, l’enfouissement doit atteindre 60 à 100 °C, soit environ 2 à 3 km de profondeur.

• 🔄 Le piégeage des hydrocarbures se déroule ainsi : les hydrocarbures de faible densité migrent vers la surface, une roche couverture imperméable arrête leur progression, les hydrocarbures sont piégés dans une roche réservoir poreuse située sous la couverture

📌 La roche couverture est imperméable et arrête la migration des hydrocarbures, tandis que la roche réservoir est poreuse et les accueille sous la couverture.

• Le charbon se forme lorsque des débris végétaux s’accumulent en lagune ou en bordure de lac, dans une eau peu profonde et sans dioxygène, sont recouverts par des sédiments fluviaux, puis enfouis à l’abri de l’air et transformés par l’augmentation de température en une matière riche en carbone.

💡 Astuce mémo

Enfouissement → échauffement → transformation en combustible.