Les plantes sont partout autour de nous. Il est facile de s’habituer à leur présence. Mais, imaginez un monde sans herbes vertes luxuriantes et sans arbres – une planète recouverte d’un désert. Pourrions-nous survivre ? Les plantes font partie intégrante de notre environnement et fournissent la nourriture, l’oxygène et les fibres dont nous dépendons pour survivre. Et leur capacité à réaliser la photosynthèse est l’un des phénomènes les plus étonnants et essentiels de la nature.

C’est quelque chose qu’Alessia Para Gallio, professeur assistant de recherche à Northwestern et au jardin botanique de Chicago, connaît bien. Elle a obtenu une maîtrise en sciences biologiques à l’université de Pavie, en Italie, et un doctorat en botanique physiologique à l’université d’Uppsala, en Suède, avec une thèse sur le développement des plantes. Ses recherches actuelles portent sur l’horloge circadienne et la nutrition minérale chez les plantes.

Science en société a parlé avec Para Gallio de l’importance de la photosynthèse, et du rôle qu’elle joue dans ses recherches.

Au niveau de base, qu’est-ce que la photosynthèse ?

La photosynthèse est le processus par lequel l’énergie lumineuse du soleil est absorbée et convertie en composés organiques. Les composés organiques sont essentiellement différentes formes de sucre. Ils sont métabolisés, puis de l’énergie en est extraite. Et ces formes d’énergie peuvent ensuite être utilisées par des systèmes biologiques comme nous, par exemple, et les animaux en général.

Que se passe-t-il lorsque les pigments absorbent la lumière du soleil ?

Les pigments sont des molécules spéciales qui participent à la récolte de la lumière du soleil. Lorsque vous faites briller la lumière sur un pigment, l’absorption des photons peut énergiser les électrons et les faire passer d’un état de basse énergie à un état de plus haute énergie. Pour revenir à l’état de basse énergie, l’énergie est rapidement cédée sous forme de chaleur, de lumière, de phosphorescence ou, dans le cas des pigments photosynthétiques, elle peut être transférée à une autre molécule de pigment comme la chlorophylle.

Quel rôle joue la chlorophylle ?

La chlorophylle est probablement le pigment absorbant la lumière le plus important, non seulement chez les plantes, mais aussi chez les algues et les bactéries. Lorsque la chlorophylle est excitée, elle libère un électron vers un accepteur d’électrons, initiant une chaîne de transport d’électrons. Cela signifie que les électrons sont transférés du donneur (réducteur) à l’accepteur (oxydant), qui a un niveau d’énergie légèrement inférieur.

Pendant le transfert d’électrons, des protons (c’est-à-dire des ions hydrogène) sont pompés à travers la membrane des chloroplastes, les organites spécialisés où se déroule la photosynthèse. Les chloroplastes fonctionnent donc comme de petites batteries, avec un potentiel différent de chaque côté, et cette différence est utilisée pour créer de l’énergie.

Pourquoi la photosynthèse est-elle importante ? Que se passerait-il si nous ne l’avions pas ?

Les plantes, les algues et les bactéries sont les seuls organismes capables de récolter la lumière du soleil et d’utiliser l’énergie pour transformer le CO2 (dioxyde de carbone) en matière organique. Le dioxyde de carbone étant l’un des principaux polluants atmosphériques, les organismes photosynthétiques permettent en fait de garder l’air propre. Au cours de ce processus, ils produisent de l’oxygène, qui constitue une part importante de l’air que nous respirons. Ainsi, moins de plantes signifie moins de recyclage du dioxyde de carbone et moins de production d’oxygène. Les plantes nous donnent également de la nourriture et des fibres pour fabriquer des vêtements et sans la photosynthèse, nous ne serions pas en mesure de maintenir la vie que nous menons.

Quel rôle joue la photosynthèse dans vos recherches ?

Je m’intéresse à deux sujets principaux. Le premier est la nutrition minérale des plantes en général et l’azote en particulier. Le métabolisme de l’azote est étroitement lié à la photosynthèse car l’un des produits de l’assimilation de l’azote, le glutamate, est la source de la chlorophylle. Et les sucres qui sont produits par la photosynthèse sont utilisés pour fabriquer du glutamate et d’autres acides aminés.

L’un des premiers signes de carence en azote est la chlorose, une condition dans laquelle les feuilles deviennent jaunes parce qu’il n’y a pas assez d’azote pour fabriquer du glutamate. Par conséquent, il n’y a pas assez de chlorophylle.

L’autre sujet qui m’intéresse beaucoup est l’horloge circadienne des plantes, et la façon dont l’horloge circadienne régule de nombreux aspects différents du développement et du métabolisme des plantes.

Et l’un des processus qui est sous une régulation circadienne très serrée est la photosynthèse. Ce que fait l’horloge circadienne, c’est de préparer l’organisme à ce qui va suivre. Ainsi, avant l’aube, tous les gènes nécessaires à la photosynthèse sont activés, de sorte que dès qu’il y a de la lumière (lever du soleil), le processus est prêt à démarrer. Il n’y a donc pas de décalage entre le moment où le soleil se lève et celui où les plantes sont prêtes à utiliser la lumière qu’il émet.

De même, avant de nous réveiller, nous avons besoin que notre adrénaline monte, que les niveaux de certaines hormones changent et que des sucres entrent en circulation. Ainsi, lorsque le réveil sonne, nous sommes prêts à partir. Et certaines études suggèrent que sans horloge circadienne, nous aurions une crise cardiaque chaque fois que nous nous réveillons parce que nous ne serions pas prêts pour cela.

C’est donc l’avantage d’avoir une horloge circadienne. Vous êtes prêt pour ce qui va arriver, si ce qui va arriver arrive tous les jours.

Donc, les plantes et les humains ont une horloge circadienne similaire ?

Oui, l’architecture moléculaire est différente mais la fonction est la même, c’est-à-dire s’adapter à une vie sur une planète qui a une période de rotation de 24 heures, et des cycles de lumière et d’obscurité qui alternent.

Comment la météo affecte-t-elle la photosynthèse ?

La photosynthèse est très sensible à l’intensité lumineuse. Donc, en général, le système s’arrête à midi, ou au plus fort des heures les plus chaudes de la journée, parce que trop d’énergie du soleil peut endommager la structure biologique. Elle fait circuler beaucoup d’électrons qui deviennent alors très toxiques pour les structures biologiques. Les chercheurs veulent donc s’assurer qu’ils utilisent une intensité lumineuse adaptée. Et quand c’est juste trop, le système s’arrête.

En hiver, quand il n’y a pas de feuilles sur les arbres, que se passe-t-il pour notre approvisionnement en oxygène ?

Je ne crois pas que nous respirons uniquement l’oxygène qui est produit là où nous vivons. Par exemple, l’Amazonie produit beaucoup d’oxygène et il finit par nous parvenir aussi. Donc, nous ne sommes pas seulement dépendants des plantes qui sont autour de nous. Nous sommes dépendants de la quantité de plantes sur la planète, sur la terre.

Les scientifiques ont-ils trouvé un moyen de reproduire le processus de photosynthèse ?

C’est un défi depuis de nombreuses années, et de nombreux laboratoires ont relevé ce défi. Mais, récemment, un groupe de l’Institut royal de technologie de Stockholm a réussi à produire un catalyseur capable d’utiliser la lumière du soleil pour scinder l’eau en oxygène comme le fait la photosynthèse.

L’importance de cette découverte n’est pas seulement liée à l’oxygène. Lorsque vous scindez l’eau, il y a aussi la production d’hydrogène, et c’est vraiment important pour l’urgence que nous avons à trouver des sources alternatives d’énergie renouvelable.

Donc, s’ils arrivent à faire fonctionner cela correctement, ils pourraient l’utiliser pour produire de l’énergie renouvelable ?