2-3 Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse

L’utilisation par la photosynthèse d’une infime partie de l’énergie solaire reçue par la planète fournit l’énergie nécessaire à l’ensemble des êtres vivants (à l’exception de certains milieux très spécifiques non évoqués dans ce programme).

À l’échelle de la planète, combien de matière organique est fabriquée grâce à la photosynthèse et où cette synthèse se déroule-t-elle ?

A la fin de la séance je sais :

❑ Recenser, extraire et organiser des informations pour prendre conscience de l’importance planétaire de la photosynthèse :

• elle permet la synthèse de matière organique 
• elle est à l’origine des combustibles fossiles

 

A/ La photosynthèse à l’échelle de la plante Belin p100-103

Livre p100–103

Une partie du rayonnement solaire absorbé par les organismes chlorophylliens permet la synthèse de matière organique (glucose, amidon, cellulose) à partir d’eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone : c’est la photosynthèse.

Équation bilan de la photosynthèse

6CO₂ + 6H₂O + énergie lumineuse → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

La photosynthèse permet l’entrée dans la biosphère de matière minérale, en stockant de l’énergie sous forme chimique (les glucides -par exemple- sont des molécules riches en énergie, libérée lorsque les liaisons chimiques entre les atomes de carbone sont rompues).

Ces molécules peuvent ensuite être transformées par différents métabolismes :

• la respiration casse les liaisons entre les atomes de C du glucose en présence d’oxygène (aérobie), libérant du dioxyde de carbone, de l’eau et beaucoup d’énergie

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 36 ADP +36 Pi → 6CO₂ + 6H₂O + énergie = 36 ATP

• la fermentation casse très incomplètement les liaisons entre les atomes de C du glucose en l’absence d’oxygène (anaérobie), libérant un peu d’énergie. La fermentation alcoolique produit aussi du dioxyde de carbone (celui qui fait gonfler la pâte à pain), de l’alcool ; la fermentation lactique produit de l’acide lactique.

Équation bilan de la fermentation alcoolique

C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 Pi → 2 C₂H₅OH + 2CO₂ + énergie = 2 ATP

Ces mécanismes permettent de libérer l’énergie nécessaire au fonctionnement des êtres vivants.

TP métabolisme des sucres (ExAO, voir Seconde)

exercice 6p109 étude des levures par Pasteur

Livre p101

Bilan

 ← Bilan énergétique de la photosynthèse à l’échelle de la feuille

• Une partie du rayonnement solaire absorbé par les organismes chlorophylliens permet la synthèse de matière organique à partir d’eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone (photosynthèse).
• À l’échelle de la feuille (pour les plantes), la photosynthèse utilise une très faible fraction de la puissance radiative reçue, le reste est soit diffusé, soit transmis, soit absorbé (échauffement et évapo-transpiration).

exercices :

• Expérience d’Engelmann Activité 1p100
• 8p110 Couleur d’une algue
• Exercices interactifs Vrai-faux
• QCM

Pour aller plus loin

• Article : Quel potentiel la lumière naturelle offre-t-elle à la photosynthèse ?
• Article : Doper la photosynthèse végétale : potentiel d’énergie mobilisant la recherche (21.02.2012)
• Article : Photosynthèse artificielle : ils transforment du CO₂ en matière première (22/09/2017)
• Article : Planter 1 milliard d’arbres : la fausse solution du gouvernement

b- le devenir de la matière organique après la photosynthèse

La matière organique ingérée par un organisme lui sert de source d’énergie et de source de matière. La matière est utilisée pour renouveler les cellules et leurs constituants, ainsi que pour la croissance. La libération d’énergie à partir de matière organique par la respiration cellulaire s’accompagne d’une perte de matière sous forme de CO₂ + H₂O et d’une perte d’énergie sous forme de chaleur.

1. Calculer le coût en énergie solaire d’un kilogramme de végétal vert, d’herbivore, de carnivore sachant que :

• Coût énergétique d’un herbivore = ( Quantité matière herbivore/Quantité matière végétale) × 100  
• Coût énergétique d’un carnivore = ( Quantité matière carnivore/ Quantité matière herbivore ) × 100

2. Que représente ce pourcentage ?

Bilan

L’absorption de l’énergie solaire par les végétaux chlorophylliens est à la base de la plupart des écosystèmes  : les organismes non chlorophylliens consomment d’autres organismes (chlorophylliens ou non) et utilisent leur matière organique pour en extraire de l’énergie et produire leur propre biomasse.
Lors du transfert de matière d’un niveau à l’autre du réseau alimentaire, une grande partie de l’énergie contenue dans les molécules organiques est dissipée sous forme de chaleur.

 

B/ La photosynthèse à l’échelle de la planète –Belin p98-99

La productivité primaire est la somme des biomasses, en g ou en tonnes de carbone (tC), fabriquées par les organismes chlorophylliens en un lieu donné pendant un temps donné.

La productivité primaire nette globale est de l’ordre de 110 GtC par an.

1. Convertir la productivité primaire donnée pour la forêt tempérée, en tC.ha^-1.an^-1
2. Grâce à la carte page 98, comparer la productivité primaire des écosystèmes continentaux et expliquer les différences observées.
3. L’énergie solaire reçue par unité de temps et de surface selon la latitude est de 340 W.m^-2 en moyenne. Les scientifiques considèrent que seulement 0,340 W.m^-2 est utilisé par les végétaux chlorophylliens pour réaliser la photosynthèse. Calculer la fraction de l’énergie solaire totale utilisée pour la photosynthèse (doc. 2).
4. De septembre 2009 à mars 2012, la mission Tara Océans a sillonné mers et océans. Les scientifiques à bord ont prélevé 20 000 échantillons d’eau de mer afin d’étudier le plancton marin, c’est-à-dire l’ensemble des organismes microscopiques et virus qui s’y trouvent. Formuler une hypothèse sur les facteurs contrôlant la productivité primaire des océans.
5. La productivité primaire moyenne au niveau des océans vaut en moyenne 2,5 tC/ha/an et elle est principalement due au phytoplancton. Sur les continents, cette productivité moyenne est de 5,3 tC/ha/an. Calculer la quantité de matière organique produite chaque minute sur Terre grâce à la photosynthèse (docs 1 et 5). On assimilera la Terre à une sphère de rayon 6 371 km, dont 71 % de la surface est recouverte par les océans.

Bilan

À l’échelle de la planète, les organismes chlorophylliens utilisent pour la photosynthèse environ 0,1% (0,34 W.m^-2) de la puissance solaire totale disponible (340 W.m^-2). 

L’énergie solaire est donc un vaste gisement d’énergie très peu exploité à l’échelle mondiale : une progression de l’indice foliaire (dans une forêt comestible par exemple) et des ressources minérales améliorent facilement la captation de cette énergie.

• Visite d’un jardin forêt comestible ! (1h)
• SVJ n°366 « votre pipi vaut de l’or ! » mars 2020

 

C/ La photosynthèse est à l’origine des combustibles fossiles–Belin p104-105

← formation de roches combustibles

Bilan

À l’échelle des temps géologiques, une partie de la matière organique s’accumule dans les sédiments puis se transforme en donnant des combustibles fossiles : gaz, charbon, pétrole.

• Vidéo formation du charbon
• Vidéo formation du pétrole

Un extrait de Home (2009) de Yann Arthus Bertrand à voir en entier.

Une animation pour expliquer ce qui se passe lors de l’enfouissement

exercice 5p109 consommation de pétrole

 

 

 

 

 

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Savoir

• Une partie du rayonnement solaire absorbé par les organismes chlorophylliens permet la synthèse de matière organique à partir d’eau, de sels minéraux et
  de dioxyde de carbone (photosynthèse).
• À l’échelle de la planète, les organismes chlorophylliens utilisent pour la photosynthèse environ 0,1% de la puissance solaire totale disponible. À l’échelle de la feuille (pour les plantes), la photosynthèse utilise une très faible fraction de la puissance radiative reçue, le reste est soit diffusé, soit transmis, soit absorbé (échauffement et évapo- transpiration).
• La photosynthèse permet l’entrée dans la biosphère de matière minérale stockant de l’énergie sous forme chimique. Ces molécules peuvent être transformées par respiration ou fermentation pour libérer l’énergie nécessaire au fonctionnement des êtres vivants.
• À l’échelle des temps géologiques, une partie de la matière organique s’accumule dans les sédiments puis se transforme en donnant des combustibles fossiles : gaz, charbon, pétrole.

Savoir faire

• Recenser, extraire et organiser des informations pour prendre conscience de l’importance planétaire de la photosynthèse.
• Comparer les spectres d’absorption et d’action photosynthétique d’un végétal.
• Représenter sur un schéma les différents échanges d’énergie au niveau d’une feuille.
• À partir de l’étude d’un combustible fossile ou d’une roche de son environnement, discuter son origine biologique.

Vers la correction des activités réalisées en classe