a) La photosynthèse
L’énergie et la matière minérale parviennent à pénétrer dans la biosphère par le biais de la photosynthèse des Végétaux chlorophylliens. La photosynthèse est la fabrication de matière organique à partir de matière minérale (CO2, H2O, NO3- …) et d’énergie lumineuse. Grâce à l’énergie solaire, les plantes carnivores contribuent au cycle du carbone. Ils convertissent environ 1% de l’énergie du Soleil en énergie chimique et rejettent de l’oxygène au moyen de la respiration. La matière organique produite est l’amidon.
Les Végétaux produisent en volume autant d’oxygène qu’ils absorbent de dioxyde de carbone et enrichissent l’atmosphère en oxygène. C’est sans doute dans la photosynthèse de temps précambriens qu’il faut voir la source de l’atmosphère terrestre.
La plante carnivore, comme n'importe quel Végétal Chlorophyllien, va utiliser la photosynthèse afin de parvenir à ses besoins.
La photosynthèse comporte deux phases :
- Une phase lumineuse : l’énergie solaire est captée par la chlorophylle
- Une phase sombre (ou obscure) : c’est une phase beaucoup plus longue où l’énergie est utilisée pour réaliser les synthèses chimiques.
1) La phase lumineuse
Les chloroplastes de la cellule végétale contiennent la chlorophylle.
Les chloroplastes sont des organites structurés en deux parties bien distinctes
THYLAKOÏDES
Ils ont une structure membranaire et peuvent être empilés en granum, ce qui augmente la surface de captation de la lumière. Les thylakoïdes sont très développés à la lumière et sont de couleur verte. A l’obscurité, ils sont absents.
STROMA
A la lumière, le stroma contient des grains d’amidon (et donc de la matière organique).
Spectre d'absorption de la lumière blanche
Spectre d'absorption de notre solution de chlorophylle brute (résultats obtenus l'année dernière par un groupe de TPE spécialisé sur la photosynthèse)
La spectrographie de la « solution de chlorophylle brute » nous montre que les radiations lumineuses (photons) indigo (= 400-450 nm) et rouges (=600 nm) sont absorbées mais pas les radiations vertes qui sont réfléchies. D’où la couleur verte des chloroplastes qui contient la chlorophylle.
Avec cette solution, nous avons effectué une chromatographie. En effet les caroténoïdes (dont xathopylles) et les chlorophylles sont des molécules dites liposolubles; elles peuvent donc être séparées à l'aide de solvants ou de mélanges de solvants des lipides.
La technique de chromatographie d'absorption inventée par Mikhaïl Tswett (1872-1919) lui a permis de séparer la chlorophylle b de pigments d'épinards et de mettre en évidence six pigments différents.
L’étude de la chromatographie montre que plusieurs pigments sont présents dans les feuilles
- Chlorophylles (Chlororophylle a : 60% et chlorophylle b : 20%)
- Xantophylles (10%)
- Caroténoïdes (10%)
Chlorophylles
La chlorophylle est un pigment photosynthétique, autrement dit, c’est cette molécule qui sera responsable de la couleur verte des feuilles mais qui jouera aussi un rôle dans le processus de photosynthèse. Lorsque la chlorophylle absorbe un photon, elle dispose d'une énergie de 41 kcal par mole dont une partie se convertit en chaleur ou en fluorescence.
Il y a deux chlorophylles :
La chlorophylle a (vert):
elle seule est responsable de la transformation d'énergie lumineuse (photons) en énergie chimique.
(image molécule à insérer)
Sa structure moléculaire consiste en un anneau porphyrine azoté hydrophile renfermant en son centre un ion Magnésium Mg2+.
Sa formule chimique est C55H72O5N4Mg.
Il y a 12 liaisons doubles conjuguées.
C'est le système de diènes conjugués (doubles liaisons conjuguées: alternance de liaisons simples C-C et de liaisons doubles C=C) qui est à l'origine de l'absorption de la lumière à certaines longueurs d'ondes déterminées, et donc de la couleur particulière de chaque pigment végétal.
Il y a 3 groupes auxochromes: 1 donneur; l'amine et deux accepteurs; des carbonates.
Un groupe auxochrome est un groupe d'atomes pouvant modifier la longueur d'onde d'absorption des groupes chromophores (groupes d'atomes responsables de la couleur de la molécule). Les groupes auxochromes vont déplacer l'absorption vers les plus grandes longueurs d'onde du domaine visible, d'ailleurs, le terme "auxochrome" provient du grec "auxein" qui signifie accroître.
La chlorophylle b (jaune-vert):
C'est un pigment accessoire; il se différencie de la chlorophylle a par un groupement -CHO à la place d'un groupement -CH3.
En présence de lumière, la chlorophylle devient excitée et perd un électron. Cette excitation est due à la présence de liaisons conjuguées (donc d'électrons délocalisés).
L'arrivée d'un photon fait passer un électron délocalisé d'un état fondamental à un état excité.
Chez la chlorophylle, il existe deux états excités: un état supérieur (2ème état singulet excité) et un état inférieur (1er état singulet excité).
La chlorophylle, une fois excitée, revient à son état fondamental de différentes manières:
- en émettant de la lumière (fluorescence)
- en transférant son énergie à une molécule très proche (raisonnance)
- en perdant un éléctron
Caroténoïdes (jaune-orange-rouge):
Caroténoïdes des plastes par ordre de polarité croissante
Les molécules caroténoïdes sont des longues molécules polyisopréniques (résultant de la condensation tête-queue d'unités isoprène).
Par exemple, le B-carotène possède 11 doubles liaisons conjuguées.
Ce type de molécule a des extrêmités cyclisées reliées par une longue chaîne de 8 unités isoprènes.
Une unité isoprène est le methylbuta-1,3-diene, appelé hémi terpène, avec 5 atomes de carbones.
En voici un exemple
Les Xanthophylles (jaune)
Au niveau moléculaire, ces pigments ont la même structure que les carotènes.
Ils ont en plus deux groupes hydroxyles (-OH).
2) La phase obscure
C'est lors de la phase obscure que se déroulent toutes les synthèses chimiques.
Quinze secondes après l'absorption du CO2, les premiers sucres apparaissent: trioses, pentoses, hexoses, heptoses ...
Certains hexoses deviennent du saccharose et de l'amidon. La matière organique est produite dans le stroma du chloroplaste (vu précedemment).