théorie

Scienceinfuse - UCL FORFOR2010 1
FORFOR 2010
LA MISE EN ŒUVRE EXPERIMENTALE DE LA NUTRITION
CHEZ LES AUTOTROPHES
Formatrices : Anne Bauwens et Sandrine Kivits
Lecture : Michel Edmond Ghanem
www.uclouvain.be/scienceinfuse

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La nutrition des plantes :
1. Historique p. 2
2. Mécanisme photosynthèse p.3
3. Modèle nutrition plante p.8
4. Bibliographie p.12
1. Historique :
Toute découverte a une histoire. Celle de la photosynthèse est longue car il aura
fallu plusieurs siècles avant que les chercheurs puissent élaborer un modèle de
nutrition intégrant tous les facteurs actuels.
Tout a démarré avec Aristote. Selon lui le sol fournissait tout ce dont la plante avait
besoin pour se développer.
Ce n’est qu’il y a un peu plus de 350 ans, au XVIIe siècle qu’un médecin flamand,
Jan Baptiste Van Helmont prouva expérimentalement que la plante ne se nourrissait
pas exclusivement à partir du sol. Son expérience :
un saule planté dans un bac dans lequel on ajoute uniquement de l’eau prend 74,4
kg en 5 ans, alors que le poids de la terre n’a diminué que de 57 grammes. Van
Helmont en conclut que la plante se nourrit exclusivement d’eau.
C’est au cours du XVIIIe siècle que les découvertes avancent réellement. Les
chercheurs (Stephen Hales, Joseph Priesley, Jan Ingenhousz, Jean Senebier)
découvrent que les plantes captent du dioxyde de carbone, rejettent de l’oxygène et
ont besoin de lumière pour leur croissance.
Les principaux éléments de la photosynthèse sont donc découverts et on écrit alors
la réaction suivante :
CO2 + H2O + Lumière -> CH2O + 02
Au XIXe siècle les recherches continuent d’avancer. On peut désormais dire que le
carbone provient du CO2 atmosphérique, que la lumière est une source d’énergie
que la plante transforme en énergie chimique, qu’en présence de lumière l’amidon
est accumulé dans les chloroplastes et enfin, la chlorophylle des feuilles est isolée.
Les grandes lignes de la photosynthèse sont posées : transformation de l'énergie
lumineuse, consommation d'eau et de gaz carbonique, production d'amidon et rejet
d'oxygène.
Robin Hill, en 1937, à l’issue de ses expériences décrit la photosynthèse comme une
réaction d’oxydo-réduction.
On découvre également que la photosynthèse passe par 2 étapes (F.F. Blackman,
1905) dont une seulement nécessite de la lumière. On nommera par la suite ces 2
phases : phase claire et phase sombre.

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Les découvertes vont s’accélérer et seront de plus en plus pointues. On met en
évidence la suite de réactions d’assimilation du carbone, cycle de Calvin (prix nobel
de la chimie en 1961), on détermine l’ultra-structure des thylakoïdes, etc.
2. Les mécanismes de la photosynthèse
2.1. La lumière
Pour pouvoir comprendre le rôle de la lumière et le fonctionnement des pigments, il
est important de rappeler quelques notions sur la nature de la lumière.
Le physicien Isaac Newton (1642 – 1727) sépara la lumière en un spectre de
couleurs visibles en la faisant passer par un prisme.
Newton démontra ainsi que la lumière blanche se compose de plusieurs couleurs.
Par la suite, on démontra que chaque couleur possède sa propre longueur d’onde
(distance qui sépare le sommet d’une onde au sommet suivant). Pour chaque
longueur d’onde particulière, la radiation possède une quantité d’énergie
caractéristique qui lui est associée. L’énergie est d’autant plus grande que la
longueur d’onde et courte et inversement.
Biologie Végétale, de Boeck
En 1880, une expérience vient enrichir ces découvertes : lorsqu’on expose une
plaque de zinc à la lumière ultraviolette, elle acquiert une charge positive. Le métal
se charge positivement parce que la l’énergie lumineuse extrait des électrons des
atomes métalliques. C’est l’effet photoélectrique d’où ont découlé toute une série de
constatations dont :
• Les électrons ne sont émis que si la fréquence de la lumière est suffisamment
élevée et dépasse une fréquence limite appelée fréquence seuil,
• Cette fréquence seuil dépend du matériau et est directement liée à l'énergie
de liaison des électrons qui peuvent être émis,
• Le nombre d'électrons émis lors de l'exposition à la lumière, qui détermine
l'intensité du courant électrique, est proportionnel à l'intensité de la source
lumineuse,
• L’énergie cinétique des électrons émis dépend linéairement de la fréquence
de la lumière incidente.

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C’est suite à ces découvertes qu’on, entre autres, découlé les télévisions et les
cellules photovoltaïques.
2.2. Les pigments
Pour qu’un être vivant puisse utiliser l’énergie lumineuse, il doit être capable de
l’absorber. C’est le rôle des pigments.
Chaque pigment absorbe certaines longueurs d’ondes et en réfléchit d’autres. Ainsi,
si une tomate nous apparaît rouge c’est parce qu’elle réfléchit la lumière rouge et
absorbe toutes les autres parties du spectre.
On peut ainsi créer ce qu’on appelle le spectre d’absorption d’un pigment. La
chlorophylle, pigment responsable de la couleur verte des feuilles, absorbe
principalement la lumière se trouvant dans la gamme du violet, du bleu et du rouge.
Par contre, elle réfléchit la lumière verte.
Les principaux pigments photosynthétiques sont les chlorophylles, les caroténoïdes
et les phycobilines.
La chlorophylle a est indispensable à la réalisation de la photosynthèse. Dans les
feuilles de la plupart des plantes, la chlorophylle a représente environ les ¾ de la
teneur totale en chlorophylle.
Les autres principales sortes de chlorophylle sont la chlorophylle b et c. Ces
dernières ne sont pas présentes chez tous les végétaux. Ces 2 chlorophylles
n’interviennent pas directement dans la transformation de l’énergie lumineuse mais
leur rôle consiste essentiellement à élargir la gamme de lumière utilisable pour la
photosynthèse.
Enfin, il existe 2 autres classes de pigments qui interviennent également dans la
capture de l’énergie lumineuse : les caroténoïdes et les phycobilines. Ces derniers
assurent le même rôle que les chlorophylles b et c.
Toutefois, les caroténoïdes ont une fonction plus importante que l’absorption de
lumière, ils servent d’antioxydants. Ils évitent aux molécules de chlorophylle les
dégâts de la photooxydation (oxydation sous l’effet de l’énergie lumineuse).
http://membres.lycos.fr/neb5000/BacteriologieI/Gr
oupes%20Bacteriens/Bacteries%20phototrophes%
20non%20productrices%20d%20oxygene.htm

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2.3. Les chloroplastes
Tous les pigments dont nous venons de parler se situent dans les chloroplastes.
En d’autres termes, si nous procédons à un zoom nous pouvons classer les
structures comme ceci :
Chloroplaste -> Granum -> Thylakoïde -> Photosystèmes -> molécules de pigments
2.4. La réaction de photosynthèse
Nous avons vu lors de l’historique de la photosynthèse que 2 phases ont été
identifiées. Ces 2 phases sont en réalité 2 réactions qui se suivent : les réactions de
transfert d’énergie et les réactions de fixation du carbone.
2.4.1. Phase claire ou réactions photochimiques
Dans la première partie nous avons parlé de la lumière et de ses différentes
longueurs d’onde. Pour faciliter la compréhension, nous allons reprendre le modèle
corpusculaire de la lumière proposé par Albert Einstein en 1905.
Selon cette théorie, la lumière serait composée de paquets d’énergie appelés
photons. L’énergie d’un photon est inversement proportionnelle à sa longueur
d’onde. Ainsi, tel que vu plus haut, les photons de la lumière violette ont plus
d’énergie que les photons de la lumière rouge (cf. figure X.)
Lorsqu’un pigment capte un photon correspondant à sa capacité d’absorption, un de
ses électrons est temporairement porté à un niveau énergétique supérieur. Lorsque
l’électron regagne son niveau énergétique inférieur, 3 possibilités s’offrent à l’énergie
libérée :
1. conversion de l’énergie en chaleur
http://www.ustboniface.mb.ca/cusb/abernier/
Biologie/Cellule/plastides.html http://rayjf.club.fr/energies-du-soleil/m1s2.html
Les chloroplastes proviennent de plastes (proplastes) qui se différencient en présence de
lumière en chloroplastes.
Au cours d’une année, la chlorophylle d’une plante est synthétisée et dégradée environ 3
fois.
Si la chlorophylle se dégrade plus vite qu’elle n’est synthétisée, alors apparaissent les autres
pigments