Photosynthèse et énergie

Une plante verte ne tire pas l’essentiel de sa matière sèche de la terre du pot. Le carbone de ses molécules organiques provient du dioxyde de carbone de son environnement. Les organismes chlorophylliens utilisent l’énergie lumineuse pour produire de la matière organique à partir de matière minérale. Cette conversion est la photosynthèse. Elle se déroule notamment dans les chloroplastes des cellules végétales éclairées.

L’eau, le dioxyde de carbone et les ions minéraux participent à la nutrition de la plante. Les pigments, dont les chlorophylles, absorbent certaines longueurs d’onde de la lumière. Une partie de l’énergie absorbée permet les transformations chimiques ; toute l’énergie lumineuse reçue n’est donc pas convertie en énergie chimique stockée. Une feuille peut aussi réfléchir ou transmettre de la lumière.

Un bilan simplifié de la production de glucose s’écrit : 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂, grâce à un apport d’énergie lumineuse. Ce bilan conserve les atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène. Il résume plusieurs réactions et ne décrit pas leur succession. Les ions minéraux ne figurent pas dans cette écriture simplifiée ; ils restent indispensables à la construction et au fonctionnement de l’organisme.

La matière organique produite peut être utilisée immédiatement, transformée en réserves ou intégrée aux tissus de la plante. Les racines, les fruits et les graines peuvent ainsi recevoir des molécules fabriquées dans les parties chlorophylliennes. Dire que la photosynthèse produit de l’énergie serait imprécis : elle transforme une énergie reçue en une autre forme, sans créer d’énergie.

Les organismes chlorophylliens respirent eux aussi. Lors de la respiration cellulaire, des molécules organiques sont transformées en présence de dioxygène ; du dioxyde de carbone et de l’eau sont produits. L’énergie chimique devient disponible pour les activités cellulaires et une partie est dissipée sous forme thermique. La respiration ne se limite ni aux poumons ni aux animaux : elle concerne également les cellules des végétaux.

Le bilan simplifié de la respiration du glucose est l’inverse de celui écrit pour la photosynthèse. Les mécanismes ne sont pourtant pas une seule réaction que l’on ferait fonctionner à l’envers. La photosynthèse nécessite un apport lumineux, alors que la respiration se poursuit aussi dans l’obscurité. Une plante éclairée peut effectuer les deux simultanément ; un appareil mesure alors le résultat net de leurs échanges.

Supposons qu’une culture fixe 100 g de carbone par photosynthèse sur une durée donnée et qu’elle en rejette 40 g par respiration. Si l’on néglige les autres pertes de matière organique, le gain net de carbone est de 60 g. Il ne s’agit pas de 60 g de plante fraîche : celle-ci contient aussi de l’eau et d’autres éléments. La grandeur mesurée et ses unités doivent rester explicites.

À l’échelle de la planète, la photosynthèse des plantes, des algues et de nombreux microorganismes fournit la matière organique à la base de presque tous les réseaux alimentaires. Sur les continents comme dans les océans, les producteurs primaires incorporent du carbone minéral à leur matière. Le phytoplancton désigne les organismes microscopiques photosynthétiques vivant en suspension dans l’eau ; une petite taille individuelle n’empêche pas une grande importance collective.

Un consommateur obtient des molécules organiques en mangeant d’autres organismes ou leurs produits. Un herbivore dépend ainsi directement des producteurs ; un prédateur en dépend indirectement par ses proies. Les décomposeurs transforment de la matière organique morte et contribuent au retour d’éléments minéraux dans l’environnement. La matière peut circuler dans des cycles, alors que l’énergie chimique transférée est progressivement dissipée en chaleur.

Toute la matière d’un niveau alimentaire n’atteint pas le suivant : une partie n’est pas consommée, une partie est rejetée et une autre est transformée au cours de la respiration. Il n’existe pas un pourcentage universel applicable à chaque chaîne alimentaire. Une représentation doit préciser si elle compare de la matière sèche, du carbone, une énergie ou une production par unité de temps.

Mesurer la biomasse présente à un instant ne revient pas à mesurer la production pendant une année. Une population de microorganismes peut se renouveler rapidement et produire beaucoup de matière avec un stock instantané limité. Pour comparer des milieux, on doit donc garder les mêmes surfaces, durées et unités. Cette distinction évite de classer leur rôle uniquement d’après une photographie de leur végétation.

Les aliments apportent des molécules organiques et des nutriments nécessaires au fonctionnement humain. Leurs transformations fournissent de l’énergie à l’organisme. Pour effectuer un bilan quantitatif, on exprime les apports et les dépenses sur la même durée. Le joule est l’unité du Système international ; les étiquettes peuvent aussi utiliser la kilocalorie. Une kilocalorie correspond à 4,184 kJ.

L’énergie n’est pas le seul critère d’une alimentation équilibrée. L’organisme a besoin d’eau, de protéines, de glucides, de lipides, de vitamines et d’éléments minéraux en proportions adaptées. Deux menus de même valeur énergétique peuvent différer par leur composition. Les besoins varient selon de nombreux facteurs ; les valeurs d’un exercice ne constituent donc pas une prescription personnelle.

Des déséquilibres alimentaires peuvent concerner une insuffisance d’apports, un excès durable ou un manque de certains nutriments. Ils interviennent, avec d’autres facteurs, dans des problèmes de santé tels que la dénutrition ou certaines maladies métaboliques. Une association statistique observée dans une population ne permet pas à elle seule de diagnostiquer une personne ni d’attribuer sa santé à un aliment isolé.