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La photosynthèse est un processus qui utilise de l'eau, du dioxyde de carbone (CO2) et de l'énergie solaire pour synthétiser des sucres. Il est réalisé par de nombreuses plantes, algues et bactéries. Chez les plantes et les algues, la photosynthèse se produit dans des parties spéciales de la cellule appelées chloroplastes; situé dans les feuilles et les tiges. Alors que la plupart des plantes effectuent ce qu'on appelle la photosynthèse C3, les plantes qui se sont adaptées aux environnements chauds effectuent une forme modifiée appelée photosynthèse C4.
Photosynthèse C4
Dans ce type de photosynthèse, le CO2 environnemental est d'abord incorporé dans des acides à 4 carbones dans des cellules appelées mésophylles. Ces acides sont transportés vers d'autres cellules appelées cellules de la gaine de faisceau. Dans ces cellules, la réaction est inversée, le CO2 est libéré et utilisé par la suite dans la voie photosynthétique normale (C3). L'incorporation de CO2 dans les composés à 3 carbones est catalysée par une enzyme appelée Rubisco.
Avantages de la photosynthèse C4
Dans les environnements chauds et secs, la photosynthèse C4 est plus efficace que la photosynthèse C3. Ceci est dû à deux raisons. Le premier est que le système ne subit pas de photorespiration, processus contraire à la photosynthèse (voir ci-dessous). La seconde est que les plantes peuvent garder leurs pores fermés plus longtemps, évitant ainsi les pertes d’eau.
Photorespiration
Il s'agit d'un processus dans lequel, au lieu d'ajouter du CO2 au sucre en croissance, Rubisco ajoute de l'oxygène. Dans les situations où la photosynthèse se déroule rapidement (à haute température, à forte luminosité ou les deux à la fois), la quantité d’O2 disponible est telle que cette réaction devient un problème majeur. Les plantes C4 résolvent ce problème en maintenant une concentration élevée de CO2 dans la partie pertinente de la feuille (les cellules de la gaine du faisceau).
La perte d'eau
Les plantes échangent des gaz, CO2 et O2, avec leur environnement, à travers des pores appelés stomates. Lorsque les stomates sont ouverts, le CO2 peut diffuser pour être utilisé dans la photosynthèse et l'O2, un produit de la photosynthèse peut se diffuser. Cependant, lorsque les stomates sont ouverts, la plante perd également de l'eau à cause de la transpiration, et ce problème est aggravé dans les climats chauds et secs. Les plantes qui effectuent la photosynthèse en C4 peuvent garder leurs stomates fermés plus que leurs équivalents en C3, car elles sont plus efficaces pour l'incorporation de CO2. Cela minimise leur perte en eau.
Désavantages
Bien que la photosynthèse en C4 soit clairement avantageuse dans les climats chauds et secs, il n'en va pas de même dans les climats froids et humides. En effet, la photosynthèse en C4 est plus complexe: elle comporte plusieurs étapes et nécessite une anatomie spécialisée. C'est pourquoi la photosynthèse C3 est plus efficace, sauf si la photorespiration ou la perte d'eau sont des problèmes importants. C'est pourquoi la majorité des plantes effectuent la photosynthèse en C3.