La photosynthèse

Dans l'environnement, la source de lumière pour la photosynthèse est le soleil. Dans ce dernier se déroule la réaction de fission nucléaire au cours de laquelle de l'hélium est produit à partir d'atome d'hydrogène. La réaction s'accompagne d'un fort dégagement d'énergie : la température de la surface du soleil est d'environ 6000K dissipe l'ensemble du spectre électromagnétique dont les très énergétiques radiations cosmiques, gamma, X et ultraviolettes. Elles sont capables d'induire des réactions chimiques rapidement et sont absolument incompatibles avec le développement d'une vie telle que nous la connaissons. Pour que les organismes puissent utiliser les radiations solaires, il est indispensable qu'elles soient filtrées. C'est le rôle de l'atmosphère.

L'énergie transportée par un photon peut-être aisément calculée à l'aide de l'équation.

\(E = h c/λ\)

Dans cette équation, la constante de Planck, h, vaut 6,6 10^-34 J s tandis que c et λ représentent respectivement la vitesse de la lumière (m s^-1) et la longueur d'onde (m).

Remarquons immédiatement que l'énergie associée à l'onde est inversement proportionnelle à la longueur d'onde λ. Donc plus la valeur de la longueur d'onde est importante, plus l'énergie est faible (Tableau 1).

Comment exprimer l'énergie lumineuse ? C'est une longue histoire que nous allons parcourir rapidement. L'unité historique est le lumen (lm). Un lumen correspond au flux lumineux dispensé par une chandelle sur une unité de surface, tous les points de cette surface se trouvant à une unité de distance de la source. L'intensité de l'illumination ou illuminance s'exprime alors en lux (lm m^-2) (les pays anglo-saxon utilisant le pied comme unité de mesure de longueur, l'illuminance s'exprime en foot candles (lm ft^-2)). Ces définitions illustrent bien les difficultés d'utilisation de ces unités, en particulier pour les scientifiques. De plus, elles ne prennent pas en compte l'énergie associée au flux lumineux. Or nous avons vu plus haut que la valeur de cette énergie variait en fonction de λ. Afin de prendre en compte ce facteur, la densité de flux radiant ou irradiance a été définie. Elle se mesure en watt (W) m^-2.

Nous avons constaté plus haut la dualité onde-particule des photons (paragraphe "La dualité onde-particule"). Il est donc possible de compter les photons comme des atomes. Cette possibilité est d'autant plus intéressante que les photons réagissent avec les autres molécules dans des proportions bien définies.

Afin de décrire cette possibilité, la densité de flux de photons (“photon flux density” ou PFD) a été créée. Elle mesure le nombre de photons tombant sur une unité de surface par unité de temps. Son unité est mol m^-2 s^-1. Comme nous allons le voir dans quelques instants, les pigments de l'appareil photosynthétique n'absorbent pas toutes les longueurs d'ondes. Afin de mesurer la quantité de photons délivrés par les sources de lumière utilisable par la photosynthèse (ou “photosynthetic active radiation” = PAR) et ainsi les comparer entre elles, une unité particulière a été créée pour mesurer la quantité de photons délivrée par les sources de lumière utilisées dans les expériences sur la photosynthèse. Il s'agit de la densité de photons utilisables (400-700 nm) par la photosynthèse (“photosynthetic photon flux density”). Le tableau 2 résume ces différentes unités.

Des appareillages spécifiques sont disponibles pour mesurer ces intensités. Ils sont équipés de sondes planes (2 π) ou sphérique (4 π) (Figure 10). Le choix du type de sonde est crucial pour une mesure. En effet, la sonde plane détecte essentiellement les photons incidents dont la trajectoire forme un cône incident au plan de la sonde. Au contraire la sonde sphérique détecte les photons indépendamment de leur distribution dans l'espace.