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photosynthèse


Feuilles de l'arbre Ginkgo biloba
Consulter aussi dans le dictionnaire : photosynthèse
Cet article fait partie du dossier consacré à la nutrition.
Feuilles de l'arbre Ginkgo bilobaFeuilles de l'arbre Ginkgo biloba
Chez les végétaux et certaines bactéries, en présence de lumière, réaction biochimique qui, à partir de molécules minérales simples (CO2, H2O …), produit des molécules organiques glucidiques de relativement faible masse molaire. (Certaines de ces molécules sont polymérisées en glucides de masse molaire élevée [amidon], d'autres se transforment en lipides, d'autres enfin s'unissent à des molécules azotées. Le phénomène est caractérisé par une absorption de dioxyde de carbone et par un dégagement d'oxygène.) [Synonyme : assimilation chlorophyllienne.]
1. Introduction

Principe de la photosynthèsePrincipe de la photosynthèse
La photosynthèse s'effectue au niveau des organes verts des plantes, et tout particulièrement des feuilles, dont le tissu végétal est formé de cellules riches en chlorophylle (les chloroplastes). Elle produit en volume autant d'oxygène qu'elle absorbe de dioxyde de carbone, et enrichit l'atmosphère en oxygène. C'est sans doute dans la photosynthèse des temps précambriens qu'il faut voir la source de l'oxygène de l'atmosphère terrestre.
La lumière est un facteur décisif. L'intensité lumineuse optimale est différente d'une espèce végétale à une autre. Les diverses radiations qui composent la lumière blanche ont une action spécifique ; les radiations rouges (600 nm) et indigo (400-450 nm), absorbées par la chlorophylle, sont les plus efficaces ; les vertes ne sont d'aucun effet.
2. Phases de la photosynthèse

Structure d'une feuilleStructure d'une feuille
La photosynthèse comporte une phase lumineuse, au cours de laquelle l'énergie solaire est captée par la chlorophylle, suivie d'une phase sombre (ou obscure), beaucoup plus longue, où cette énergie est utilisée pour réaliser les synthèses chimiques.
2.1. La phase lumineuse

Pendant la phase lumineuse, la chlorophylle, après absorption d'un photon, dispose d'une énergie de 41 kcal par mole, dont une partie se convertit en chaleur ou en fluorescence. L'utilisation de marqueurs isotopiques (18O) a montré que l'oxygène libéré au cours de la photosynthèse provient de l'eau décomposée et non du gaz carbonique absorbé.
Il existe plusieurs types de chlorophylle. Seule la chlorophylle a transforme directement l'énergie lumineuse en énergie chimique ; la chlorophylle b et les pigments caroténoïdes associés fixent l'énergie portée par d'autres longueurs d'onde et la cèdent à la chlorophylle a.
2.2. La phase obscure

Feuille de « plante en C3 »Feuille de « plante en C3 »
Pendant la phase obscure se produisent les synthèses. Une quinzaine de secondes après l'absorption du CO2 apparaissent les premiers sucres : trioses, pentoses, hexoses, heptoses. À partir de certains hexoses se constituent le saccharose et l'amidon. Outre des glucides, la photosynthèse peut également élaborer des lipides et des protéines par liaison avec une molécule azotée.
Ce cycle existe chez les algues, les plantes des régions tempérées et tous les arbres ; ces végétaux sont dits « plantes en C3 », les corps intermédiaires les plus importants du cycle biochimique ayant une molécule possédant trois atomes de carbone (C3).
3. Adaptations particulières

3.1. Plantes en C4

Feuille de « plante en C4 »Feuille de « plante en C4 »
Chez les graminées tropicales (maïs, mil, sorgho, canne à sucre, plusieurs amarantacées et atriplex), on a découvert en 1966 un autre mécanisme, dit « photosynthèse en C4 », qui permet à ces plantes d'assimiler la totalité du CO2 de l'atmosphère interne du végétal et ainsi d'avoir un rendement photosynthétique très supérieur à celui des plantes en C3. Ce mécanisme fonctionne d'autant mieux que la lumière est plus vive et la température plus voisine de 40-50 °C.
La synthèse des glucides se faisant autour des vaisseaux conducteurs, la migration des produits synthétisés est également plus rapide ; la photorespiration y est très faible. Alors que les végétaux en C3 ont besoin de 150 à 250 g d'eau pour assimiler 1 g de carbone, les végétaux en C4 peuvent se contenter de 50 à 100 g.
3.2. CAM (Crassulacean Acid Metabolism)

Cycle de CalvinCycle de Calvin
Certaines plantes, généralement des plantes grasses et quelques fougères, fixent le CO2 pendant la nuit pour former de l'acide malique ; cet acide est décomposé pendant le jour et libère du CO2 qui, comme précédemment, est introduit dans le cycle des synthèses (cycle de Calvin) en utilisant l'énergie fixée par les chloroplastes à la lumière. Ces végétaux peuvent ainsi supporter la vie dans les milieux arides-chauds : leurs stomates se ferment le jour pour limiter la transpiration et s'ouvrent la nuit pour laisser pénétrer le CO2, les synthèses se faisant le jour suivant.
4. Importance de la photosynthèse

De la lumière reçue par une feuille, 20 % sont réfléchis, 10 % transmis et 70 % effectivement absorbés, sur lesquels 20 % sont dissipés en chaleur, 48 % perdus en fluorescence. Il reste environ 2 % servant à la photosynthèse.
Grâce à la photosynthèse, les végétaux jouent un rôle irremplaçable à la surface de la Terre ; en effet, les plantes vertes sont, avec quelques groupes de bactéries, les seuls êtres vivants capables d'élaborer des substances organiques à partir d'éléments minéraux. On estime que chaque année 20 milliards de tonnes de carbone sont fixés par les végétaux terrestres à partir du gaz carbonique de l'atmosphère et 15 milliards par les algues.
Les végétaux verts sont les producteurs primaires indispensables, premier maillon de la chaîne trophique (→ chaîne alimentaire) ; les végétaux non chlorophylliens et les animaux herbivores et carnivores (y compris l'homme) sont entièrement dépendants de la photosynthèse.

LE TEMPS DES NEURONES

Quinze minutes de plongée dans le monde étrange et fascinant de nos cellules nerveuses. Grâce aux techniques de la microcinématographie, les phénomènes les plus complexes qui se déroulent dans le cerveau sont enfin montrés. Nous voyons naître les cellules nerveuses, nous les voyons grandir, travailler, mourir. Ces images mettent en évidence deux acteurs principaux : les cellules gliales, responsables de l'architecture et du nettoyage du cerveau, et les neurones qui ont pour fonction de communiquer en produisant des signaux. Un voyage dans le moi le plus intime.
GénériqueAuteurs : Marcel Pouchelet, William Rostène et Jean-François Ternay Réalisateur : Jean-François Ternay Producteur : CNRS Audiovisuel Diffuseur : CNRS Diffusion

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Le poisson-zèbre fabrique sa propre crème solaire

Alors qu'on pensait que les poissons se protégeaient du soleil grâce à leur alimentation, l'hypothèse est tombée à l'eau. Il fabrique lui-même sa propre molécule protectrice !

PROTECTION. Comme nous, les animaux et les plantes doivent se protéger des effets néfastes du soleil, sous peine d'accuser un vieillissement cellulaire prématuré. Et certains sont plus avantagés que d'autres, dotés d'un écran total naturel. Jusqu'alors, les scientifiques pensaient que les animaux, tels que les poissons se procuraient ces "molécules anti-UV" grâce à leur alimentation. Or, des chercheurs de l'Oregon State University ont prouvé que cette hypothèse n'était pas valable. L'étude, publiée le 12 mai 2015 dans la revue eLife, démontre que le poisson-zèbre (Danio rerio) fabriquerait lui-aussi sa propre protéine anti-UV et qu'il ne serait peut-être pas le seul animal à avoir cette capacité.
Le poisson-zèbre fabrique sa propre crème solaire

Alors qu'on pensait que les poissons se protégeaient du soleil grâce à leur alimentation, l'hypothèse est tombée à l'eau. Il fabrique lui-même sa propre molécule protectrice !

PROTECTION. Comme nous, les animaux et les plantes doivent se protéger des effets néfastes du soleil, sous peine d'accuser un vieillissement cellulaire prématuré. Et certains sont plus avantagés que d'autres, dotés d'un écran total naturel. Jusqu'alors, les scientifiques pensaient que les animaux, tels que les poissons se procuraient ces "molécules anti-UV" grâce à leur alimentation. Or, des chercheurs de l'Oregon State University ont prouvé que cette hypothèse n'était pas valable. L'étude, publiée le 12 mai 2015 dans la revue eLife, démontre que le poisson-zèbre (Danio rerio) fabriquerait lui-aussi sa propre protéine anti-UV et qu'il ne serait peut-être pas le seul animal à avoir cette capacité.


Tout le monde est protégé... sauf nous !
Les algues, les coraux et certains invertébrés fabriquent leurs molécules anti-UV, appelées MAAs, grâce à trois enzymes spécifiques. Et, en théorie, ce n'est pas censé être le cas chez les vertébrés. Pourtant, des chercheurs ont trouvé chez le poisson-zèbre un gène responsable de la synthèse d'une enzyme similaire. Et ont démontré expérimentalement que l'animal était capable de produire du gadusol, une molécule protectrice anti-UV distincte des MAAs. Une découverte historique, puisque c'est la première fois qu'est observée la biosynthèse de cette molécule. D'après leurs observations, les gènes entrant dans la fabrication du gadusol étaient déjà présents chez les embryons, infirmant ainsi la théorie de l'alimentation.


ORIGINE.  Ces biologistes ont ensuite cherché si d'autres espèces possédaient, elles aussi, ce gène responsable de la production du gadusol. Et surprise ! Il est également présent chez les amphibiens, les reptiles et les oiseaux. Fabriquent-ils eux aussi leur écran total personnel ? Les chercheurs n'en savent rien... Ils ignorent en outre si le gadusol a d'autres propriétés intéressantes en dehors de sa capacité protectrice. Reste que la découverte de la biosynthèse du gadusol pourrait se révéler intéressante pour la fabrication future de crèmes solaires naturelles.

Tout le monde est protégé... sauf nous !
Les algues, les coraux et certains invertébrés fabriquent leurs molécules anti-UV, appelées MAAs, grâce à trois enzymes spécifiques. Et, en théorie, ce n'est pas censé être le cas chez les vertébrés. Pourtant, des chercheurs ont trouvé chez le poisson-zèbre un gène responsable de la synthèse d'une enzyme similaire. Et ont démontré expérimentalement que l'animal était capable de produire du gadusol, une molécule protectrice anti-UV distincte des MAAs. Une découverte historique, puisque c'est la première fois qu'est observée la biosynthèse de cette molécule. D'après leurs observations, les gènes entrant dans la fabrication du gadusol étaient déjà présents chez les embryons, infirmant ainsi la théorie de l'alimentation.


ORIGINE.  Ces biologistes ont ensuite cherché si d'autres espèces possédaient, elles aussi, ce gène responsable de la production du gadusol. Et surprise ! Il est également présent chez les amphibiens, les reptiles et les oiseaux. Fabriquent-ils eux aussi leur écran total personnel ? Les chercheurs n'en savent rien... Ils ignorent en outre si le gadusol a d'autres propriétés intéressantes en dehors de sa capacité protectrice. Reste que la découverte de la biosynthèse du gadusol pourrait se révéler intéressante pour la fabrication future de crèmes solaires naturelles.

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Optogénétique : éclairer les neurones pour retrouver la mémoire ?

Des chercheurs américains sont parvenus à restaurer la mémoire de souris rendues amnésiques en activant certains groupes de neurones par émissions lumineuses.

AMNÉSIE. Qu'elles soient dues à un traumatisme crânien, un stress post-traumatique ou une maladie neurologique comme Alzheimer, les causes d'une amnésie implique des mécanismes encore largement débattus chez les neuroscientifiques. En d'autres termes, pourquoi et comment perd-on la mémoire ? C'est à cette question controversée que des travaux surprenants sur la souris vont peut-être permettre de répondre. En effet, des chercheurs sont parvenus à réactiver la mémoire perdue de rongeurs grâce... à la lumière ! Une expérience qui apporte un nouvel éclairage sur le mécanisme biologique de l'amnésie et ouvre potentiellement la voie à des traitements, selon une étude publiée jeudi 27 mai 2015 dans la revue américaine Science. "Cette recherche fait avancer la compréhension sur la nature de l'amnésie, une question très controversée en neurosciences", estime Susumu Tonegawa, professeur au centre de recherche sur l'apprentissage et la mémoire du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et directeur du Riken Brain Science Institute au Japon, associé au MIT, qui a dirigé ces travaux.

La mémoire perdue d'un amnésique : disparue, ou inaccessible ?
Ces dernières années, le débat scientifique s'est articulé autour de cette question : l'amnésie résulte-t-elle de dommages infligés aux cellules cérébrales spécifiques ? Ou bien est-ce l'accès aux souvenirs qui est empêché par un réarrangement consécutif à un choc ou une pathologie ? "La majorité des scientifiques privilégient la théorie de la destruction du stockage de l'information, mais cette recherche montre que cela est probablement erroné, juge le professeur Tonegawa, lauréat du Nobel de Médecine en 1987. L'amnésie est un problème de récupération de la mémoire", tranche-t-il.

Les chercheurs supputaient l'existence dans le cerveau d'un réseau de neurones qui, activés pendant la formation d'un souvenir, entraînent des changements physiques ou chimiques appelés engrammes. Si ces groupes de neurones - appelés engrammes par extension - sont ensuite réactivés par une image, une odeur ou une saveur, toute la mémoire enregistrée devrait revenir. Pour démontrer l'existence de ces groupes de neurones engrammes, les scientifiques ont utilisé l'optogénétique chez des souris : technique consistant à ajouter des protéines aux neurones pour leur permettre d'être activés par la lumière.

Le souvenir de la décharge électrique effacé... puis réactivé
Si on n'a pas encore la preuve de l'existence des neurones engrammes, leur fonctionnement supposé a été imaginé par les spécialistes. Ils supposent que ces neurones subissent des modifications chimiques selon un processus appelé "la consolidation de la mémoire". Un des changements clé consiste au renforcement des synapses, ces structures qui permettent à des groupes de neurones de se transmettre des messages. Pour éprouver ce fonctionnement théorique, les chercheurs du MIT ont tenté de voir ce qui se passerait si cette consolidation des synapses ne se produisait pas. Ainsi, ils ont administré à des souris une substance chimique, l'anisomycine, qui bloque la synthèse de protéines dans les neurones immédiatement après la formation d'un nouveau souvenir, empêchant cette consolidation.

EXPÉRIENCE. Concrètement, un premier groupe de rongeurs avait été placé dans une cage dite "A" où il avait reçu une décharge électrique dans les pattes. Placées ultérieurement dans cette même cage, les souris non traitées ont aussitôt montré leur frayeur indiquant qu'elles se souvenaient de cette expérience traumatisante. En revanche, les autres, auxquelles ont avait administré de l'anisomycine, empêchant la consolidation de la mémoire, étaient de toute évidence sans souvenir et sont restées sans réaction. Par la suite, les chercheurs ont réactivé le processus de consolidation des synapses par des impulsions lumineuses chez ces souris amnésiques, lesquelles ont alors recouvré totalement la mémoire de la décharge électrique. Et même placées dans une autre cage, elles étaient paralysées de peur.
Cette recherche a donc permis de dissocier les mécanismes de stockage de la mémoire de ceux permettant de la former et de la récupérer, souligne Thomas Ryan, un chercheur du MIT, coauteur de cette recherche. Pour le professeur Tonegawa cela montre que dans certaines formes d'amnésie la mémoire du passé n'a peut-être pas été effacée, mais est simplement "inaccessible". Selon lui, "ces travaux fournissent un éclairage surprenant sur la nature de la mémoire et vont stimuler de futures recherches sur la biologie de la mémoire et de sa restauration clinique".

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