Synthèse de substances organiques effectuée par les plantes vertes exposées à
 la lumière, ainsi que certaines bactéries.
 On dit que les organismes pratiquant la photosynthèse sont phototrophes.

 La photosynthèse serait apparue il y a 3 milliards d'années.
 L'analyse de roches sud-africaines (région de Barbeton) en 2011 a repéré des
 traces de photosynthèse vieilles de 3,4 milliards d'années ; anoxygénique
 (sans émission d'oxygène), cette photosynthèse primordiale se contentait alors
 d'oxyder les ions Fer (Fe2+) en suspension dans l'eau des océans.
 L'étude des roches d'Isua (Groenland), âgées de 3,8 milliards d'années, fait
 apparaître une surreprésentation de l'istope 56Fe du fer dont seule la
 photosynthèse peut expliquer l'origine, repoussant d'autant son âge [02/2013].
 La photosynthèse moderne avec émission de dioxygène (O2) remonte quant à elle
 au moins à 2,4 milliards d'années, puisqu'elle a provoqué la Grande Oxydation
 et la crise biologique planétaire qui s'en est suivie.
 La photosynthèse est apparue 1,2 milliards d'années après la formation de la
 Terre (il y a donc 2,3 M.A.) : c'est en effet l'âge des plus anciennes algues
 fossiles au monde (Bangiomorpha pubescens), découvertes en Arctique [02/2018].

 La photosynthèse consiste en la transformation de l'énergie lumineuse en
 énergie chimique : à partir du gaz carbonique atmosphérique et de l'eau, les
 plantes vertes réalisent la synthèse de glucides (substances organiques riches
 en énergie) grâce à l'énergie lumineuse emmagasinée par la chlorophylle,
 pigment contenu dans les feuilles de ces plantes.
 L'acide phosphoglycérique est un produit immédiat de la photosynthèse, à partir
 duquel s'élaborent les aliments organiques de la plante (glucides, lipides,
 protides).

 Formule générale : 6CO2 + 6H2O + hm -> C6H12O6 + 6O2

 La plupart des végétaux sont autotrophes car ils puisent directement dans le
 milieu la matière minérale (eau, sels minéraux, gaz carbonique), pour
 fabriquer, par photosynthèse, les molécules organiques nécessaires à leur
 croissance et à leur vie. La photosynthèse, dépend d'un pigment, généralement
 la chlorophylle, et utilise l'énergie solaire. Chez les végétaux supérieurs, ce
 sont surtout les feuilles qui la réalisent. La lumière est capturée puis
 transformée en énergie chimique dans les chloroplastes, petits organites
 cellulaires contenant le pigment. Le processus comprend deux phases : la phase
 claire et la phase sombre (ou obscure). La phase claire utilise l'énergie
 solaire pour produire des molécules énergétiques (ATP et NADPH), qui seront
 utilisées pour la synthèse des sucres (cycle de Calvin) au cours de la phase
 sombre. Ces sucres simples sont à l'origine de la synthèse de molécules plus
 complexes (glucides, lipides, protides).

 L'équation générale de la photosynthèse se résume ainsi : La formule H2A
 représente un composé pouvant être oxydé, c'est-à-dire pouvant céder des
 électrons ; le CO2 représente le dioxyde de carbone; et CH2 est une
 généralisation pour les hydrocarbures incorporés dans l'organisme en
 croissance. Dans la grande majorité des organismes photosynthétiques - c'est-à-
 dire les plantes vertes et les algues - le H2A utilisé est l'eau (H2O) ; pour
 certaines bactéries photosynthétiques toutefois, le H2A est le H2S. La
 photosynthèse utilisant l'eau étant la plus répandue, c'est celle-ci qui sera
 traitée en détail.

 La photosynthèse consiste en deux étapes : une série de réactions
 photochimiques indépendantes de la chaleur disponible et une série de réactions
 thermochimiques indépendantes de la lumière. Le rendement des réactions de la
 première série, appelée la phase claire, peut être augmenté en augmentant
 l'intensité de la lumière (dans certaines limites) mais pas en augmentant la
 température. Celui de la deuxième série, appelée la phase sombre, peut être
 amélioré en augmentant la température (toujours dans certaines limites) mais
 pas en augmentant l'intensité lumineuse.

 La phase claire est la première étape de la photosynthèse et correspond à
 l'absorption de la lumière par des pigments. La chlorophylle est le plus
 important d'entre eux car il est essentiel au procédé. Elle capture l'énergie
 lumineuse dans les portions violettes et rouges du spectre lumineux et la
 transforme en énergie chimique à travers une série de réactions. Différentes
 formes de chlorophylle et d'autres pigments (des caroténoïdes et des
 xanthophylles) absorbent d'autres longueurs d'ondes de lumière et transmettent
 l'énergie obtenue à la chlorophylle pour qu'elle achève la transformation. Ces
 pigments annexes agrandissent donc les portions du spectre lumineux pouvant
 être converti par la photosynthèse.

 La photosynthèse a lieu à l'intérieur des cellules dans des organites appelés
 chloroplastes qui contiennent la chlorophylle et les autres molécules, en
 particulier les enzymes, nécessaires aux différentes réactions. La lumière est
 absorbée par les pigments, ce qui élève leurs électrons à un niveau énergétique
 supérieur. L'énergie est ensuite transférée en une forme spéciale de
 chlorophylle appelée centre de réaction. Les électrons excités sont conduits à
 un récepteur d'électrons, remplacés par des électrons des molécules d'eau, et
 de l'oxygène est libéré. Les électrons excités passent à travers une chaîne de
 transport, et de l'ATP (Adénosine TriPhosphate), une molécule riche en énergie,
 est créée pendant ce processus. La lumière absorbée passe ensuite à son centre
 de réaction, et les électrons excités sont conduits à un accepteur d'électrons.
 Ils sont ensuite conduits par une autre chaîne de transport pour activer le
 coenzyme. Le NADP (Nicotinamine Adénine Dinucléotide Phosphate) est réduit en
 NADPH2. Les électrons perdus sont remplacés par ceux transférés le long de la
 chaîne de transport. La phase claire fournit donc de l'énergie sous forme d'ATP
 et de l'hydrogène dans le NADPH2.

 La phase sombre a lieu dans le stroma (ou matrice) du chloroplaste, où
 l'énergie stockée dans les liaisons de l'ATP est utilisée pour réduire le
 dioxyde de carbone en carbone organique. Ceci est accompli à travers une série
 de réactions connue sous le nom de cycle de Calvin. A chaque tour de cycle, une
 molécule de dioxyde de carbone entre et est combinée au départ avec un pentose
 (ribose 1,5-diphosphate) pour former deux molécules d'un composé à trois
 carbones (3-phosphoglycérate). Trois tours de cycle, chacun consommant une
 molécule de CO2, deux de NADPH2, et trois d'ATP, produisent une molécule à
 trois carbone, le 3-phosphate glycéraldéhyde, dont deux molécules en se
 combinant forment un sucre à six carbones, le glucose. Le ribose diphosphate
 est régénéré à chaque tour du cycle.

 Ainsi, l'effet net de la photosynthèse est la capture temporaire d'énergie
 lumineuse dans les liaisons chimiques de l'ATP lors de la phase claire, et la
 capture permanente d'énergie sous forme de glucose lors de la phase sombre.
 L'eau est dissociée durant la phase claire pour fournir les électrons qui
 transfèrent l'énergie lumineuse pour former de l'ATP et du NADPH2. Le dioxyde
 de carbone est réduit pendant la phase sombre pour produire la base de la
 molécule de sucre.

 Si les chimistes pouvaient utiliser une photosynthèse artificielle, il en
 résulterait d'énormes potentialités d'utilisation de l'énergie solaire à grande
 échelle. Beaucoup de recherches sont en cours à cet égard. Une molécule
 artificielle restant polarisée suffisamment longtemps pour interagir avec les
 autres molécules n'a pas encore été trouvée, mais les recherches sont
 prometteuses.

 Hatena, un micro-organisme marin, semble être à un stade intermédiaire de
 l'endosymbiose ; il a été observé en plein processus d'incorporation d'une
 algue, non pour la digérer, mais pour exploiter sa capacité à réaliser la
 photosynthèse [12/2005].

 La limace de mer Elysia chlorotica, non contente de ressembler à une grosse
 feuille verte, est aussi le seul animal capable de photosynthèse : l'algue dont
 elle se nourrit lui fournit les chloroplastes qu'elle stocke, mais pour les
 utiliser elle a intégré à son génome les gènes de la photosynthèse [12/2008] !

 Une étude émaricaine vient de montrer que l'ADN des chloroplastes (les
 structures dans lesquelles se déroule la photosynthèse) de Cyanophora paradoxa
 renferme de nombreux gènes d'origine bactérienne, venant appuyer l'hypothèse
 selon laquelle les chloroplastes (tout comme les mitochondries) seraient les
 vestiges de bactéries.
 Une analyse plus poussée a montré que ces gènes bactériens semble provenir de
 cyanobactéries (justement capables de photosynthèse), dont les gènes se
 retrouvent aussi chez d'autres végétaux : algues vertes, algues rouges et
 plantes terrestres.
 Ce faisceau d'indices laisse à penser qu'il y a un milliard d'années, une
 cellule aurait absorbé une cyanobactérie dont elle aurait hérité la capacité à
 effectuer la photosynthèse : tous les végétaux seraient ainsi les descendants
 de cette cellule [04/2012] !

 En 2007, des chercheurs de Berkeley (USA) ont envoyé des impulsions lasers sur
 les molécules de chlorophylle de bactéries refroidies à -196 °C, et ont obtenu
 un signal inattendu, correpondant à des fluctuations énergétiques répétées et
 particulièrement longues, qui résulteraient d'une "cohérénce quantique".
 C'était la première fois que l'on observait ce phénomène chez un être vivant.
 Les particules en état de cohérence interagissent très fortement entre elles,
 quelle que soit la distance qui les sépare ; comme le chat de Schroedinger,
 elles occupent aussi plusieurs niveaux énergétiques en même temps.
 Dans le cas de la chlorophylle, en se propageant d'une molécule à l'autre,
 c'est comme si l'énergie explorait plusieurs chemins à la fois pour choisir le
 meilleur, en minimisant les déperditions.
 Deux arguments furent opposés à cette théorie : la très faible température de
 l'expérience, peu compatible avec la vie biologique - or en 2010 un comportement
 similaire a été observé à température ambiante chez des algues ; et le fait que
 ces fluctuations pourraient résulter des vibrations individuelles des pigments
 chlorophylliens - or une simulation numérique réalisée en janvier 2014 à Londres
 montre que les vibrations de deux chlorophylles à température ambiante partagent
 les mêmes propriétés, et sont totalement enchevêtrées, relevant donc de
 l'"intrication quantique".  Si leur répartition spatiale était traduite en
 termes de probabilité, on obtiendrait un chiffre négatif !
 Pour s'assurer définitivement que le rendement très élevé de la photosynthèse
 (95 % de l'énergie solaire est convertie en énergie chimique, en quelques
 milliardièmes de secondes) est dû à un phénomène quantique, il fraudrait
 supprimer les cohérences quantiques de manière artificielle puis mesurer le
 rendement photosynthétique résultant : plusieurs équipes y travaillent.
 Car si la nature a trouvé un moyen de préserver et d'optimiser la cohérence
 quantique dans des ensembles désordonnés et à température ambiante, la mise au
 point d'un ordinateur quantique s'en trouverait grandement facilitée [05/2014].

 En parallèle de la photosynthèse qui permet aux chloroplastes de synthétiser
 des molécules organiques à partir de l'air ambiant, une autre réaction,
 parasite, se produit parfois : la "photorespiration", dans laquelle la plante
 capte de l'oxygène au lieu du CO2 et produit du glycolate, un composé inutile
 et toxique pour elle...
 Des chercheurs de l'université de l'Illinois et du ministère de l'Agriculture
 américain ont introduit dans la plante les gènes de deux enzymes végétales
 permettant de dégrader le glycolate au sein du chloroplaste, et aussi inactivé
 la protéine qui l'en fait sortir.
 Ils sont ainsi parvenu à améliorer de 40 % le rendement de la photosynthèse !
 Les plantes transgéniques ainsi dopées se sont nettement plus développées.
 Reste à vérifier que cette modification n'a pas d'effets indésirables sur
 plante (stabilité de la photosynthèse, propriétés, qualité nutritive).
 Un enjeu de taille car la hausse des températures accentue la photorespiration
 [02/2019].