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Comment se fait-il que seule une poignée d'animaux puisse faire la photosynthèse ?

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Autant que je sache, toute l'énergie dont dépendent les êtres vivants vient du soleil. Il est traité par les plantes lors de la photosynthèse. Ces plantes sont consommées par les herbivores, qui à leur tour sont consommés par les carnivores. L'énergie s'écoule de cette façon, la photosynthèse étant la base cruciale de toutes les autres couches.

Il y a quelques jours, je me demandais pourquoi les animaux ne font pas de photosynthèse ? Cette histoire parle de quelques animaux exotiques capables de faire de la photosynthèse, mais ils semblent être un cas limite.

Il semble qu'il y ait une règle empirique : si une créature peut faire de la photosynthèse, elle ne peut pas bouger. Pourquoi cela est-il ainsi? Ne serait-il pas bénéfique pour un mammifère herbivore de pouvoir créer des sucres directement à partir de la lumière du soleil ? Ils n'auraient pas du tout à paître, juste à trouver de l'eau et du soleil. Il est possible qu'ils aient plus de facilité à éviter les prédateurs et à s'étendre sur plus de territoire.

Pouvez-vous penser à une bonne raison pour laquelle de telles créatures ne sont jamais devenues courantes ?


Tout est question d'énergie.

On estime qu'il faut 5 000 mètres carrés de plantes pour nourrir la personne moyenne dans le monde développé, tandis que la même source donne le plus bas possible pour un humain dans des conditions idéales à 700 mètres carrés. En comparaison, la personne moyenne couvre moins d'un mètre carré. Bien qu'il y ait beaucoup de déchets (les animaux ne peuvent manger que quelques pour cent de l'énergie produite par la plante), l'énergie totale disponible à partir de la photosynthèse est encore de plusieurs ordres de grandeur inférieure aux besoins quotidiens d'un animal typique.

Même dans le cas de la limace que vous avez liée (dont vous vous attendez à ce qu'elle nécessite le moins d'énergie possible pour un animal mobile), il semble qu'elle tire peu ou pas de son énergie réelle de la photosynthèse.

Par conséquent, vous voyez la photosynthèse limitée à la vie qui a des besoins énergétiques extraordinairement faibles, ce qui signifie généralement être stationnaire (ou se déplacer très, très lentement comme dans le cas de certaines plantes). Dès que vous vous adaptez à une niche mobile et plus énergétique, vous avez besoin d'accéder à beaucoup plus d'énergie que la photosynthèse ne peut en fournir.


La quantité d'énergie provenant du Soleil est limitée (environ 750 W/m^2, perpendiculairement à la lumière entrante). Il faut une quantité d'énergie relativement importante pour se déplacer, de sorte qu'un animal photosynthétique ne serait pas capable de se déplacer beaucoup ou très souvent. (Et en fait, les exemples connus ne le font pas.)


Une recherche surprenante révèle que la photosynthèse pourrait être aussi vieille que la vie elle-même

La découverte remet également en question les attentes quant à la façon dont la vie aurait pu évoluer sur d'autres planètes. L'évolution de la photosynthèse qui produit de l'oxygène est considérée comme le facteur clé de l'émergence éventuelle d'une vie complexe. On pensait que cela prenait plusieurs milliards d'années pour évoluer, mais si en fait la vie la plus ancienne pouvait le faire, alors d'autres planètes pourraient avoir développé une vie complexe beaucoup plus tôt qu'on ne le pensait auparavant.

"Maintenant, nous savons que le photosystème II montre des modèles d'évolution qui ne sont généralement attribués qu'aux enzymes connues les plus anciennes, qui étaient cruciales pour l'évolution de la vie elle-même." — Dr Tanai Cardona

L'équipe de recherche, dirigée par des scientifiques de l'Imperial College de Londres, a retracé l'évolution des protéines clés nécessaires à la photosynthèse jusqu'à l'origine possible de la vie bactérienne sur Terre. Leurs résultats sont publiés et librement accessibles dans BBA – Bioénergétique.

Le chercheur principal, le Dr Tanai Cardona, du Département des sciences de la vie de l'Imperial, a déclaré : « Nous avions précédemment montré que le système biologique permettant de produire de l'oxygène, connu sous le nom de Photosystème II, était extrêmement capable de le placer sur la chronologie de l'histoire de la vie.

« Maintenant, nous savons que le photosystème II montre des modèles d'évolution qui ne sont généralement attribués qu'aux plus anciennes enzymes connues, qui étaient cruciales pour l'évolution de la vie elle-même. »

Production précoce d'oxygène

La photosynthèse, qui convertit la lumière du soleil en énergie, peut se présenter sous deux formes : l'une qui produit de l'oxygène et l'autre non. La forme productrice d'oxygène est généralement supposée avoir évolué plus tard, en particulier avec l'émergence des cyanobactéries, ou algues bleu-vert, il y a environ 2,5 milliards d'années.

Bien que certaines recherches aient suggéré que des poches de photosynthèse productrices d'oxygène (oxygénique) aient pu exister avant cela, elle était toujours considérée comme une innovation qui a mis au moins quelques milliards d'années à évoluer sur Terre.

La nouvelle recherche révèle que des enzymes capables d'effectuer le processus clé de la photosynthèse oxygénée – la division de l'eau en hydrogène et oxygène – pourraient en fait avoir été présentes dans certaines des premières bactéries. Les premières preuves de la vie sur Terre ont plus de 3,4 milliards d'années et certaines études ont suggéré que la première vie pourrait bien avoir plus de 4,0 milliards d'années.

Colonies de cyanobactéries au microscope.

Comme l'évolution de l'œil, la première version de la photosynthèse oxygénée a peut-être été très simple et inefficace car les premiers yeux n'ont détecté que la lumière, la première photosynthèse peut avoir été très inefficace et lente.

Sur Terre, il a fallu plus d'un milliard d'années aux bactéries pour perfectionner le processus menant à l'évolution des cyanobactéries, et deux milliards d'années de plus aux animaux et aux plantes pour conquérir la terre. Cependant, cette production d'oxygène était présente si tôt que cela signifie dans d'autres environnements, comme sur d'autres planètes, que la transition vers une vie complexe aurait pu prendre beaucoup moins de temps.

Mesurer les horloges moléculaires

L'équipe a fait sa découverte en traçant « l'horloge moléculaire » des protéines clés de la photosynthèse responsables de la division de l'eau. Cette méthode estime le taux d'évolution des protéines en examinant le temps entre les moments évolutifs connus, tels que l'émergence de différents groupes de cyanobactéries ou de plantes terrestres, qui portent aujourd'hui une version de ces protéines. Le taux d'évolution calculé est ensuite prolongé dans le temps, pour voir quand les protéines ont évolué pour la première fois.

« Nous pourrions développer des photosystèmes capables de réaliser de nouvelles réactions chimiques complexes, vertes et durables, entièrement alimentées par la lumière. » — Dr Tanai Cardona

Ils ont comparé le taux d'évolution de ces protéines de photosynthèse à celui d'autres protéines clés dans l'évolution de la vie, y compris celles qui forment des molécules de stockage d'énergie dans le corps et celles qui traduisent les séquences d'ADN en ARN, dont on pense qu'il est né avant l'ancêtre de toute vie cellulaire sur Terre. Ils ont également comparé le taux à des événements connus pour s'être produits plus récemment, lorsque la vie était déjà variée et que des cyanobactéries étaient apparues.

Les protéines de photosynthèse ont montré des modèles d'évolution presque identiques aux enzymes les plus anciennes, remontant loin dans le temps, suggérant qu'elles ont évolué de manière similaire.

Le premier auteur de l'étude, Thomas Oliver, du Département des sciences de la vie de l'Impériale, a déclaré : « Nous avons utilisé une technique appelée Reconstruction de séquences ancestrales pour prédire les séquences protéiques des protéines photosynthétiques ancestrales.

« Ces séquences nous donnent des informations sur le fonctionnement du photosystème II ancestral et nous avons pu montrer que bon nombre des composants clés nécessaires à l'évolution de l'oxygène dans le photosystème II peuvent être attribués aux premières étapes de l'évolution de l'enzyme. »

Diriger l'évolution

Connaître l'évolution de ces protéines clés de la photosynthèse n'est pas seulement pertinent pour la recherche de vie sur d'autres planètes, mais pourrait également aider les chercheurs à trouver des stratégies pour utiliser la photosynthèse de nouvelles manières grâce à la biologie synthétique.

Le Dr Cardona, qui dirige un tel projet dans le cadre de sa bourse UKRI Future Leaders Fellowship, a déclaré : de les changer pour produire de nouveaux types de chimie.

« Nous pourrions développer des photosystèmes capables de réaliser de nouvelles réactions chimiques complexes, vertes et durables, entièrement alimentées par la lumière. »


Science futuriste

Les scientifiques ont longtemps poursuivi l'idée de maintenir les gens en vie en utilisant des parties d'animaux - un processus appelé xénotransplantation. Mais on a longtemps pensé que c'était impossible. Les premières expériences ont montré que le corps met environ cinq minutes pour rejeter un organe d'une autre espèce. "Personne n'oserait parler" de la conduite d'essais cliniques pour la xénotransplantation, déclare Leo Bühler, président de l'International Xenotransplantation Association.

Pour qu'un rein, un cœur ou un poumon de porc maintienne une personne en vie, le système immunitaire humain doit être amené à ne pas reconnaître qu'il provient d'une espèce différente. C'est là qu'intervient la technologie d'édition de gènes Crispr, permettant aux chercheurs d'apporter des modifications ciblées à un ensemble complet de gènes dans de nombreux endroits simultanément. Crispr – abréviation de répétitions palindromiques courtes et régulièrement espacées en cluster – a été utilisé par eGenesis pour éliminer du génome du porc un groupe de virus dont certains craignent qu’ils ne se propagent à l’homme après une greffe. Maintenant, ils travaillent également à supprimer les marqueurs qui identifient les cellules comme étrangères afin que le système immunitaire humain ne les rejette pas

Wenning Qin dans son laboratoire à eGenesis. Photographie : Tony Luong/The Guardian


Photosynthèse

La photosynthèse est le processus par lequel les plantes utilisent la lumière du soleil, l'eau et le dioxyde de carbone pour créer de l'oxygène et de l'énergie sous forme de sucre.

Feuilles d'arbres vertes

Les feuilles de la plante sont vertes car cette couleur est la partie de la lumière du soleil réfléchie par un pigment dans les feuilles appelé chlorophylle.

Photographie avec l'aimable autorisation de Shutterstock

La plupart de la vie sur Terre dépend de la photosynthèse. Le processus est effectué par les plantes, les algues et certains types de bactéries, qui captent l'énergie de la lumière du soleil pour produire de l'oxygène (O2) et de l'énergie chimique stockée dans le glucose (un sucre). Les herbivores obtiennent ensuite cette énergie en mangeant des plantes, et les carnivores l'obtiennent en mangeant des herbivores.

Le processus

Au cours de la photosynthèse, les plantes absorbent du dioxyde de carbone (CO2) et de l'eau (H2O) de l'air et du sol. Dans la cellule végétale, l'eau est oxydée, ce qui signifie qu'elle perd des électrons, tandis que le dioxyde de carbone est réduit, ce qui signifie qu'elle gagne des électrons. Cela transforme l'eau en oxygène et le dioxyde de carbone en glucose. La plante libère ensuite l'oxygène dans l'air et stocke de l'énergie dans les molécules de glucose.

À l'intérieur de la cellule végétale se trouvent de petits organites appelés chloroplastes, qui stockent l'énergie de la lumière du soleil. Dans les membranes thylakoïdes du chloroplaste se trouve un pigment absorbant la lumière appelé chlorophylle, qui est responsable de la couleur verte de la plante. Pendant la photosynthèse, la chlorophylle absorbe l'énergie des ondes de lumière bleue et rouge et réfléchit les ondes de lumière verte, faisant apparaître la plante verte.

Réactions dépendantes de la lumière vs réactions indépendantes de la lumière

Bien qu'il y ait de nombreuses étapes derrière le processus de photosynthèse, il peut être décomposé en deux étapes principales : les réactions dépendantes de la lumière et les réactions indépendantes de la lumière. La réaction dépendante de la lumière a lieu dans la membrane thylacoïdienne et nécessite un flux constant de lumière solaire, d'où le nom de lumière-dépendant réaction. La chlorophylle absorbe l'énergie des ondes lumineuses, qui est convertie en énergie chimique sous la forme des molécules ATP et NADPH. L'étape indépendante de la lumière, également connue sous le nom de cycle de Calvin, se déroule dans le stroma, l'espace entre les membranes thylakoïdes et les membranes chloroplastiques, et ne nécessite pas de lumière, d'où le nom de lumière-indépendant réaction. Au cours de cette étape, l'énergie des molécules d'ATP et de NADPH est utilisée pour assembler des molécules de glucides, comme le glucose, à partir de dioxyde de carbone.

Cependant, toutes les formes de photosynthèse ne sont pas égales. Il existe différents types de photosynthèse, dont la photosynthèse C3 et la photosynthèse C4. La photosynthèse C3 est utilisée par la majorité des plantes. Il s'agit de produire un composé à trois carbones appelé acide 3-phosphoglycérique pendant le cycle de Calvin, qui se transforme en glucose. La photosynthèse en C4, quant à elle, produit un composé intermédiaire à quatre carbones, qui se divise en dioxyde de carbone et en un composé à trois carbones au cours du cycle de Calvin. Un avantage de la photosynthèse C4 est qu'en produisant des niveaux plus élevés de carbone, elle permet aux plantes de prospérer dans des environnements sans beaucoup de lumière ou d'eau.

Les feuilles de la plante sont vertes car cette couleur est la partie de la lumière du soleil réfléchie par un pigment dans les feuilles appelé chlorophylle.


Nous avons posé cette question à Howard Griffiths, du département des sciences végétales de l'université de Cambridge.

Quand on m'a posé cette question sur le rôle du clair de lune dans la photosynthèse, ma première réponse n'était pas un hasard ! Parce que l'intensité lumineuse que nous reflétons sur la lune est de l'ordre de 100 à 1000 fois trop faible pour soutenir la photosynthèse dans la plupart des plantes en pot terrestres et des plantes que nous avons dans notre jardin.

Cependant, j'ai creusé un peu et j'ai regardé les dernières analyses des taux de photosynthèse chez les algues. Assez étonnamment, il semble que certains groupes de très petits phytoplancton puissent être capables de photosynthèse en utilisant la lumière de la lune, à condition qu'elle se trouve sous les tropiques et à condition qu'elle ne soit pas atténuée par une colonne d'eau, qui a tendance à absorber lumière de façon exponentielle.

La réponse est donc toujours "probablement non" car, de toute évidence, le phytoplancton se développe dans une colonne d'eau, il est donc peu probable qu'il soit capable de capter l'intensité lumineuse.

Cependant, cela ouvre également un certain nombre de questions intrigantes car les plantes essaient certainement d'éviter la lumière de la lune. Je suis sûr que beaucoup d'entre vous sont familiers avec le pliage des feuilles que nous voyons dans le trèfle qui pousse dans vos pelouses et beaucoup de plantes dans le jardin plient leurs feuilles la nuit. Darwin s'est intéressé à cela et a pensé que cela avait à voir avec les feuilles essayant de maintenir leur équilibre thermique la nuit.

Ce que nous pensons qui se passe maintenant, c'est que les feuilles essaient d'éviter le clair de lune afin d'éviter que leurs rythmes circadiens ne soient perturbés par ces intensités lumineuses variables, car elles réagissent certainement au clair de lune. En fait, on sait maintenant que de nombreux animaux - des animaux aussi divers que les serpents et les crocodiles - et toute une gamme de plantes et de systèmes différents, y compris les humains - sont très sensibles au clair de lune et à la façon dont il peut interrompre notre contrôle circadien et notre perception de douce journée.


Comment se fait-il que seule une poignée d'animaux puisse faire la photosynthèse ? - La biologie

En utilisant l'énergie de la lumière du soleil, les plantes peuvent convertir le dioxyde de carbone et l'eau en glucides et en oxygène dans un processus appelé photosynthèse. Comme la photosynthèse nécessite la lumière du soleil, ce processus ne se produit que pendant la journée. Nous aimons souvent penser à cela comme à des plantes qui "respirent du dioxyde de carbone et "respirent de l'oxygène". Cependant, le processus n'est pas exactement aussi simple. Tout comme les animaux, les plantes ont besoin de décomposer les glucides en énergie. L'oxygène est nécessaire pour ce faire. Puis pourquoi les plantes se débarrassent-elles de tout l'oxygène qu'elles produisent lors de la photosynthèse ? La réponse est, ils ne. Les plantes conservent en fait une petite quantité de l'oxygène qu'elles ont produit lors de la photosynthèse et utilisent cet oxygène pour décomposer les glucides et leur donner de l'énergie.

Mais que se passe-t-il la nuit lorsqu'il n'y a pas de lumière solaire nécessaire à la photosynthèse ? Fait intéressant, afin de maintenir leur métabolisme et de continuer à respirer la nuit, les plantes doivent absorber l'oxygène de l'air et dégager du dioxyde de carbone (ce qui est exactement ce que font les animaux). Heureusement pour nous tous, respirateurs d'oxygène, les plantes produisent environ dix fois plus d'oxygène pendant la journée que ce qu'elles consomment la nuit.

Les plantes transforment le sucre en énergie en utilisant les mêmes processus que nous. L'oxygène est nécessaire pour décomposer le sucre en dioxyde de carbone, libérant de l'énergie que les plantes peuvent utiliser pour rester en vie.

Cependant, les plantes puisent également l'énergie du soleil (lumière), le dioxyde de carbone de l'atmosphère et l'eau du sol qu'elles utilisent toutes pour fabriquer du sucre et libérer de l'oxygène. (Ils utilisent le « carbone » du dioxyde de carbone pour construire la molécule de sucre). Comme il n'y a pas de soleil la nuit, cela donne aux plantes un moyen de rester en vie, même lorsqu'il n'y a pas de lumière.

Cependant, les plantes utilisent du sucre pour construire à peu près tout ! La cellulose, la substance dure des plantes, n'est qu'un ensemble de molécules de sucre liées entre elles. Nous ne pouvons pas le digérer, mais certains animaux le peuvent. De même, les plantes fabriquent de l'amidon (sucre lié ensemble, mais pas aussi étroitement) pour stocker de l'énergie pour la nuit. Nous sommes capables de digérer l'amidon.

Étant donné que les plantes utilisent le sucre qu'elles produisent pour plus que de l'énergie, ils produisent plus d'oxygène qu'ils n'en consomment.

Excellente question ! Les plantes produisent de l'oxygène, car lors de la photosynthèse, elles absorbent du dioxyde de carbone (CO2 une forme gazeuse de carbone lié à deux molécules d'oxygène) et de l'eau (H2O un oxygène lié à deux atomes d'hydrogène) et les combiner en utilisant l'énergie lumineuse pour produire des sucres et de l'oxygène. Celui-ci stocke l'énergie dans des liaisons chimiques (dans les sucres) et libère de l'O2. L'équation chimique pour cela est:
6CO2 + 6H2 C6H12O6(sucre) + 6O2

Les plantes utilisent ces sucres comme nous le faisons lorsque nous les consommons, pour produire de l'énergie. Les plantes utilisent les sucres qu'elles fabriquent en les oxydant (avec O2, tout comme nous) pour libérer l'énergie stockée dans les liaisons. Ils libèrent du CO2 (comme nous, quand nous respirons). Mais, lorsque les plantes font la photosynthèse, elles libèrent plus d'O2 lors de la photosynthèse qu'ils ne consommeront lors de la respiration (en oxydant les sucres qu'ils ont fabriqués). Ils libèrent l'oxygène à travers les mêmes pores qui permettent au CO2 d'entrer dans les cellules de leurs feuilles.

La réponse rapide à votre question est que l'oxygène n'est qu'un déchet lorsque les plantes font la photosynthèse.

Les plantes peuvent faire deux choses importantes :
Utiliser l'énergie du soleil pour transformer le CO2 (dioxyde de carbone) et H2O (eau) en sucre (C6H12O6) avec de l'oxygène (O2) laissé pour compte. C'est photosynthèse.

Et ils peuvent :
Décomposer le sucre (C6H12O6) en CO2 (dioxyde de carbone) et H2O (eau), mais ils ont besoin (O2) l'oxygène pour le faire. C'est respiration cellulaire.

Nous ne pouvons faire que la deuxième chose.
Les première loi de la thermodynamique nous dit que la matière ne peut être ni créée ni détruite. Il ne peut pas venir de rien et il ne peut pas disparaître. Donc le même nombre d'atomes (C, H, O) doit entrer et sortir. Écrivons la photosynthèse comme équation équilibrée.

Photosynthèse:
6CO2 + 6H2O donne C6H12O6 + 6O2
Comptez le nombre d'atomes de carbone de chaque côté de la flèche. Si vous en avez six d'un côté, il en faut six de l'autre. Comptez maintenant les atomes d'hydrogène. (6 X 2) d'un côté et 12 de l'autre. Combien y a-t-il d'atomes d'oxygène sur le côté gauche ?
(6 X 2) + (6 X 1) = ___. Maintenant combien y a-t-il d'atomes d'oxygène dans le glucose ? 6.
Donc il vous reste des atomes d'oxygène. C'est là que le O2 vient de. C'est la matière résiduelle de la fabrication du sucre. Tout comme lorsque vous faites quelque chose, les morceaux que vous coupez ne disparaissent pas. La plante respire l'oxygène, ce qui est bon pour nous tous, les animaux, car nous avons besoin d'oxygène, comme vous le savez.

Y aurait-il des animaux sans plantes ? Y aurait-il des plantes sans animaux ?

Les plantes produisent de l'oxygène en tant que déchet de la fabrication du sucre en utilisant la lumière du soleil, le dioxyde de carbone et l'eau. Si une plante a besoin d'énergie, mais n'a pas de lumière du soleil, elle peut brûler le sucre qu'elle a fabriqué lorsqu'elle avait la lumière du soleil, ce qui nécessite de l'oxygène.


Feuilles

L'échange d'oxygène et de dioxyde de carbone dans la feuille (ainsi que la perte de vapeur d'eau lors de la transpiration) se produit à travers des pores appelés stomates (singulier = stomie).

Normalement, les stomates s'ouvrent lorsque la lumière frappe la feuille le matin et se ferment la nuit. La cause immédiate est un changement dans la turgescence de la cellules de garde. La paroi interne de chaque cellule de garde est épaisse et élastique. Lorsque la turgescence se développe dans les deux cellules de garde flanquant chaque stomie, les parois externes minces se gonflent et forcent les parois internes à prendre la forme d'un croissant. Cela ouvre la stomie. Lorsque les cellules de garde perdent leur turgescence, les parois internes élastiques retrouvent leur forme d'origine et la stomie se ferme.

Temps Pression osmotique lb/in 2
7 heures du matin 212
11h 456
17h 272
12 minuit 191

Le tableau montre la pression osmotique mesurée à différents moments de la journée dans des cellules de garde typiques. La pression osmotique dans les autres cellules de l'épiderme inférieur est restée constante à 150 lb/in 2 (

1000 kilopascals, kPa). Lorsque la pression osmotique des cellules de garde est devenue supérieure à celle des cellules environnantes, les stomates s'ouvrent. Le soir, lorsque la pression osmotique des cellules de garde tombait à peu près à celle des cellules environnantes, les stomates se fermaient.

Ouverture des stomates

L'augmentation de la pression osmotique dans les cellules de garde est causée par une absorption de potassium ions (K + ). La concentration de K + dans les cellules de garde ouvertes dépasse de loin celle des cellules environnantes. Voici comment il s'accumule :

  • La lumière bleue est absorbée par phototropine qui active une pompe à protons (une H + -ATPase) dans la membrane plasmique de la cellule de garde.
  • L'ATP, généré par les réactions lumineuses de la photosynthèse, entraîne la pompe.
  • Au fur et à mesure que les protons (H + ) sont pompés hors de la cellule, son intérieur devient de plus en plus négatif.
  • Cela attire des ions potassium supplémentaires dans la cellule, augmentant sa pression osmotique.

Fermeture des stomates

Bien que les stomates ouverts soient essentiels à la photosynthèse, ils exposent également la plante au risque de perdre de l'eau par transpiration. Environ 90 % de l'eau absorbée par une plante est perdue par transpiration. Chez les angiospermes et les gymnospermes (mais pas chez les fougères et les lycopsides), l'acide abscissique (ABA) est l'hormone qui déclenche la fermeture des stomates lorsque l'eau du sol est insuffisante pour suivre la transpiration (qui se produit souvent vers la mi-journée).

  • L'ABA se lie aux récepteurs à la surface de la membrane plasmique des cellules de garde.
  • Les récepteurs activent plusieurs voies interconnectées qui convergent pour produire
    • une élévation du pH dans le cytosol
    • transfert de Ca 2+ de la vacuole au cytosol

    Les stomates ouverts fournissent également une ouverture par laquelle les bactéries peuvent envahir l'intérieur de la feuille. Cependant, les cellules de garde possèdent des récepteurs capables de détecter la présence de molécules associées à des bactéries appelées motifs moléculaires associés aux agents pathogènes (PAMP). Le LPS et la flagelline en sont des exemples. Lorsque les cellules de garde détectent ces PAMP, l'ABA médie la fermeture de la stomie et ferme ainsi la porte à l'entrée bactérienne.

    Ce système de l'immunité innée ressemble à celui que l'on trouve chez les animaux.

    Densité des stomates

    La densité des stomates produits sur les feuilles en croissance varie en fonction de facteurs tels que la Température, humidité, et intensité lumineuse autour de la plante. Cela dépend aussi de la concentration de gaz carbonique dans l'air autour des feuilles. La relation est inverse c'est-à-dire que la concentration de CO 2 augmente, le nombre de stomates produits diminue et vice versa. Quelques preuves :

    • Plantes cultivées dans une atmosphère artificielle avec un niveau élevé de CO 2 ont moins de stomates que la normale.
    • Des spécimens d'herbier révèlent que le nombre de stomates d'une espèce donnée a diminué au cours des 200 dernières années, à l'époque de la révolution industrielle et de l'augmentation des niveaux de CO 2 dans l'atmosphère.

    Ces données peuvent être quantifiées en déterminant le index stomatique: le rapport du nombre de stomates dans une zone donnée divisé par le nombre total de stomates et d'autres cellules épidermiques dans cette même zone.

    Comment la plante détermine-t-elle le nombre de stomates à produire ?

    Il s'avère que les feuilles matures de la plante détectent les conditions qui les entourent et envoient un signal (sa nature est encore inconnue - mais voir ci-dessous * ) qui ajuste le nombre de stomates qui se formeront sur les feuilles en développement.

    Deux expériences (rapportées par Lake et al., dans La nature, 411:154, 10 mai 2001):

    • Lorsque les feuilles matures de la plante (Arabidopsis) sont enfermés dans des tubes de verre remplis de niveaux élevés (720 ppm) de CO 2 , les feuilles en développement ont moins de stomates que la normale même si elles poussent dans l'air normal (360 ppm).
    • Inversement, lorsque les feuilles matures reçoivent de l'air normal (360 ppm de CO 2 ) tandis que la pousse est exposée à un CO élevé 2 (720 ppm), les nouvelles feuilles se développent avec l'indice stomatique normal.

    * Un signal qui augmente la densité stomatique chez les semis d'Arabidopsis âgés de 2 jours (une configuration expérimentale différente de celle ci-dessus) est un peptide de 45 acides aminés appelé estomac qui est libéré par les cellules du mésophylle et induit la formation de stomates dans l'épiderme au-dessus.

    Les stomates révèlent les niveaux passés de dioxyde de carbone

    Parce que le CO 2 les niveaux et l'indice stomatique sont inversement liés, les feuilles fossiles pourraient-elles nous renseigner sur les niveaux passés de CO 2 dans l'atmosphère ? Oui. Tel que rapporté par Gregory Retallack (en La nature, 411:287, 17 mai 2001), son étude des feuilles fossiles du ginkgo et de ses parents montre :

    • leurs indices stomatiques étaient haute tard dans la période du Permien (il y a 275 & ndash 290 millions d'années) et à nouveau à l'époque du Pléistocène (il y a 1 & ndash 8 millions d'années). Ces deux périodes sont connues d'après les preuves géologiques pour avoir été des périodes de meugler niveaux de dioxyde de carbone atmosphérique et périodes glaciaires (avec glaciers).
    • Inversement, les indices stomatiques étaient meugler pendant la période du Crétacé, une période de haute teneur en CO 2 niveaux et climat chaud.

    Ces études soutiennent également l'importance du dioxyde de carbone en tant que gaz à effet de serre jouant un rôle important dans le réchauffement climatique.


    Processus de photosynthèse étape par étape

    Par définition, la photosynthèse est un processus par lequel les photoautotrophes convertissent l'énergie dérivée du Soleil en énergie chimique utilisable. La lumière, l'eau, la chlorophylle et le dioxyde de carbone sont les exigences de base pour ce processus.

    Étape 1

    Le dioxyde de carbone dans l'atmosphère pénètre dans la feuille de la plante par les stomates, c'est-à-dire les minuscules pores épidermiques des feuilles et de la tige des plantes qui facilitent le transfert de divers gaz et vapeur d'eau.

    Étape 2

    L'eau pénètre dans les feuilles, principalement par les racines. Ces racines sont spécialement conçues pour puiser l'eau souterraine et la transporter vers les feuilles à travers la tige.

    Étape 3

    Lorsque la lumière du soleil tombe sur la surface des feuilles, la chlorophylle, c'est-à-dire le pigment vert présent dans la feuille de la plante, emprisonne l'énergie qu'elle contient. Fait intéressant, la couleur verte de la feuille est également attribuée à la présence de chlorophylle.

    Étape 4

    Ensuite, l'hydrogène et l'oxygène sont produits en convertissant l'eau en utilisant l'énergie dérivée du Soleil. L'hydrogène est combiné au dioxyde de carbone afin de produire de la nourriture pour la plante, tandis que l'oxygène est libéré par les stomates. De même, même les algues et les bactéries utilisent du dioxyde de carbone et de l'hydrogène pour préparer leurs aliments, tandis que l'oxygène est libéré en tant que déchet.

    Les électrons des molécules de chlorophylle et les protons des molécules d'eau facilitent les réactions chimiques dans la cellule. Ces réactions produisent de l'ATP (adénosine triphosphate), qui fournit de l'énergie pour les réactions cellulaires, et du NADP (nicotinamide adénine dinucléotide diphosphate), essentiel au métabolisme des plantes.

    L'ensemble du processus peut être expliqué par une seule formule chimique.

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    Alors que nous absorbons de l'oxygène et émettons du dioxyde de carbone pour produire de l'énergie, les plantes absorbent du dioxyde de carbone et émettent de l'oxygène pour produire de l'énergie.

    La photosynthèse a plusieurs avantages, non seulement pour les photoautotrophes, mais aussi pour les humains et les animaux. L'énergie chimique stockée dans les plantes est transférée aux animaux et aux humains lorsqu'ils consomment de la matière végétale. Il aide également à maintenir un niveau normal d'oxygène et de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Presque tout l'oxygène présent dans l'atmosphère peut être attribué à ce processus, ce qui signifie également que la respiration et la photosynthèse vont de pair.

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    Si vous souhaitez savoir comment se déroule le mécanisme de division cellulaire à l'intérieur du corps humain, reportez-vous à l'article suivant. Le processus de la mitose et ses étapes&hellip


    Principales structures et résumé de la photosynthèse

    La photosynthèse nécessite la lumière du soleil, du dioxyde de carbone et de l'eau comme réactifs de départ (Figure 4). Une fois le processus terminé, la photosynthèse libère de l'oxygène et produit des molécules de glucides, le plus souvent du glucose. Ces molécules de sucre contiennent l'énergie dont les êtres vivants ont besoin pour survivre.

    Figure 4. La photosynthèse utilise l'énergie solaire, le dioxyde de carbone et l'eau pour libérer de l'oxygène et produire des molécules de sucre stockant de l'énergie.

    Les réactions complexes de la photosynthèse peuvent être résumées par l'équation chimique illustrée à la figure 5.

    Figure 5. Le processus de photosynthèse peut être représenté par une équation, dans laquelle le dioxyde de carbone et l'eau produisent du sucre et de l'oxygène en utilisant l'énergie de la lumière du soleil.

    Bien que l'équation semble simple, les nombreuses étapes qui se déroulent au cours de la photosynthèse sont en réalité assez complexes, de la même manière que la réaction résumant la respiration cellulaire représentait de nombreuses réactions individuelles. Avant d'apprendre les détails de la façon dont les photoautotrophes transforment la lumière du soleil en nourriture, il est important de se familiariser avec les structures physiques impliquées.

    Chez les plantes, la photosynthèse a lieu principalement dans les feuilles, qui sont constituées de nombreuses couches de cellules et ont des faces supérieure et inférieure différenciées. Le processus de photosynthèse ne se produit pas sur les couches superficielles de la feuille, mais plutôt dans une couche intermédiaire appelée mésophylle (Figure 6). L'échange gazeux du dioxyde de carbone et de l'oxygène se produit à travers de petites ouvertures régulées appelées stomates.

    Chez tous les eucaryotes autotrophes, la photosynthèse a lieu à l'intérieur d'un organite appelé chloroplaste. Chez les plantes, des cellules contenant des chloroplastes existent dans le mésophylle. Les chloroplastes ont une double membrane (intérieure et extérieure). Dans le chloroplaste se trouve une troisième membrane qui forme des structures empilées en forme de disque appelées thylakoïdes. Des molécules de chlorophylle sont incrustées dans la membrane thylacoïdienne, un pigment (une molécule qui absorbe la lumière) à travers laquelle commence tout le processus de photosynthèse. La chlorophylle est responsable de la couleur verte des plantes. La membrane thylakoïde renferme un espace interne appelé espace thylakoïde. D'autres types de pigments sont également impliqués dans la photosynthèse, mais la chlorophylle est de loin la plus importante. Comme le montre la figure 6, un empilement de thylakoïdes est appelé granum et l'espace entourant le granum est appelé stroma (à ne pas confondre avec les stomates, les ouvertures sur les feuilles).

    Connexion artistique

    Figure 6. Toutes les cellules d'une feuille n'effectuent pas la photosynthèse. Les cellules de la couche médiane d'une feuille ont des chloroplastes, qui contiennent l'appareil photosynthétique. (crédit “leaf” : modification de l'oeuvre par Cory Zanker)

    Par une journée chaude et sèche, les plantes ferment leurs stomates pour conserver l'eau. Quel impact cela aura-t-il sur la photosynthèse ?


    Comment les plantes et les animaux obtiennent-ils de l'énergie ?

    Les plantes absorbent l'énergie du soleil et utilisent la photosynthèse pour fabriquer des sucres. Les animaux ont des mitochondries qui utilisent les sucres fournis par les plantes pour produire leur propre énergie cellulaire. Les plantes qui produisent leur propre nourriture et la nourriture d'autres plantes et animaux en utilisant la photosynthèse sont appelées autotrophes.

    Le soleil fournit de l'énergie aux plantes qui l'absorbent dans leurs chloroplastes. Les chloroplastes utilisent cette énergie pour créer des molécules de sucre qui aident les plantes à pousser et à se reproduire. Ensuite, les animaux viennent manger les plantes et absorber leur énergie. Ils utilisent l'énergie obtenue des plantes pour produire leur propre énergie et la convertir en eau et en dioxyde de carbone. Les plantes utilisent le dioxyde de carbone et l'eau, et le cycle recommence. Pour obtenir de l'énergie, les animaux n'ont pas toujours besoin de manger des plantes. Ils peuvent également obtenir de l'énergie en mangeant d'autres animaux qui mangent des plantes.

    Il existe de nombreux processus différents qui se déroulent chez les plantes et les animaux qui nécessitent de l'énergie. Le travail de synthèse implique des choses comme la production d'ADN, et il nécessite de l'énergie pour se produire. Le travail mécanique impliqué dans le mouvement des muscles nécessite de l'énergie, tout comme les impulsions électriques qui voyagent du cerveau au reste du corps. Sans suffisamment d'énergie, ces processus deviennent difficiles ou impossibles.


    Photosynthèse, respiration cellulaire et fermentation

    Vous avez déjà un peu appris sur la photosynthèse grâce à notre étude des cellules végétales. Vous avez appris que la photosynthèse se produit dans les chloroplastes que l'on ne trouve que dans les cellules végétales. Pensons à ce que vous avez déjà appris d'autre.

    Vous avez déjà appris qu'il existe deux types d'organismes de base en matière d'alimentation : les producteurs et les consommateurs. Les producteurs peuvent faire leur propre nourriture. Les consommateurs obtiennent la nourriture dont ils ont besoin en mangeant d'autres organismes. Vous avez appris que seules les plantes sont productrices, et qu'elles fabriquent leur propre nourriture en combinant l'eau (H2O), dioxyde de carbone (CO2) et l'énergie du soleil pour produire du sucre (C6H12O6) et l'oxygène (O2). Ce processus, vous l'avez appris, s'appelle la photosynthèse. Dans le processus de fabrication du sucre, les cellules végétales bloquent également une partie de l'énergie qu'elles ont collectée à partir de la lumière du soleil dans la molécule de sucre.

    D'accord génial. Alors, comment les cellules (rappelez-vous que les cellules végétales et animales ont besoin d'énergie et qu'aucune ne peut utiliser directement l'énergie fournie par le soleil) tirent-elles de l'énergie de la molécule de sucre ? Ils le font avec un processus appelé respiration cellulaire. Dans la respiration cellulaire, les cellules utilisent l'oxygène pour briser la molécule de sucre. Cela libère l'énergie qui est ensuite transférée à une molécule d'ATP (adénosine triphosphate). L'ATP est le carburant dont les cellules ont besoin pour produire de l'énergie. Et où se passe la respiration cellulaire ? Comme vous l'avez appris, cela se produit dans ces mitochondries pratiques.

    Alors vraiment, vous connaissez déjà toutes les bases. Il y a juste quelques détails que vous devez apprendre, et ils sont couverts dans la section 1 du chapitre 5 de votre manuel et, bien sûr, ici. Commençons par la photosynthèse

    Photosynthèse

    Si vous examiniez des cellules végétales au microscope et que vous les compariez à des cellules animales, vous remarqueriez immédiatement deux choses. Tout d'abord, vous remarquerez la paroi cellulaire qui entoure la cellule végétale. Vous le remarquerez de la même manière que Robert Hooke l'a remarqué. La deuxième chose que vous remarquerez est qu'une cellule végétale est verte et une cellule animale est fondamentalement claire. Si vous regardiez une cellule végétale relativement grande et que vous utilisiez un microscope comme ceux que nous avons à l'école, vous remarqueriez que toute la cellule végétale n'est pas verte. Au lieu de cela, vous remarquerez qu'il y avait de gros objets verts à l'intérieur de la cellule végétale. Ces gros objets verts, bien sûr, sont des chloroplastes. Et la raison pour laquelle ils sont verts est qu'ils contiennent un pigment vert appelé chlorophylle.

    Regardez cette illustration de votre livre :

    Avez-vous remarqué à quel point la formule chimique qui définit la photosynthèse est un peu différente de la façon dont vous l'avez apprise à l'origine ? Au lieu de CO2 + H2O + lumière il montre 6CO2 + 6H2O + lumière. C'est parce que les équations chimiques, tout comme les équations mathématiques, doivent être équilibrées. La formule originale prend un atome de carbone (c'est le nombre d'atomes de carbone dans le CO2), 2 atomes d'hydrogène (c'est le nombre d'atomes d'hydrogène dans H2O), et 3 atomes d'oxygène (2 qui sont en CO2 et celui qui est en H2O) et le transforme en glucose (qui contient 6 atomes de carbone, 12 atomes d'hydrogène et 6 atomes d'oxygène) et une molécule d'oxygène (O2, qui contient 2 atomes d'oxygène). Cela ne colle pas ! Vous ne pouvez pas transformer par magie 1 atome de carbone du CO2 en 6 atomes de carbone en C6H12O6. But if you do the math with the formula in the illustration above, you'll see that the number of atoms of carbon, oxygen, and hydrogen on both sides of the equation are correct. You will get way more practice balancing chemical equations when you study chemistry in 8th grade science.

    Respiration cellulaire

    It is tempting to think of cellular respiration as the opposite of photosynthesis. If you look at the illustration from our book, below, you'll see why:

    Do you see the way the chemical formula for cellular respiration is the reverse of the chemical formula for photosynthesis? The only real difference is that in one, the energy is sunlight and in the second, the energy is the ATP molecule. It's that reversal that makes many people think of photosynthesis and cellular respiration as being opposites. They are not! Rather, they are complementary to one another. Without photosynthesis, there would be no sugar, without which there could be no cellular respiration. On the other hand, cellular respiration produces the H2O et CO2 that are needed for photosynthesis. It's really important for you to remember that cellular respiration in eukaryotic cells takes place in the mitochondria. Both animal cells and plant cells depend on cellular respiration for their energy needs, because both animal cells and plant cells need ATP. Plant cells may be able to use the energy from the sun to make sugar, but they can't use the sun's energy as fuel. They need ATP the same way that animal cells do, and ATP can only be formed through cellular respiration. The illustration below from your book shows the way that photosynthesis and cellular respiration complement each other.

    Do you see what I don't like about this illustration? Is it clear from this illustration that plant cells also have mitochondria? Not clear enough, in my opinion! So remember! Plant cells have mitochondria, too!

    Fermentation

    What happens when there is not enough oxygen to keep the cellular respiration reaction alive? Your book makes it seem like the answer is very simple. Let's start with the simple answer in your book. If there is not enough oxygen for cells to perform cellular respiration, they resort to another method of producing energy called fermentation. They still break down the sugar molecule to release the energy so that it can be transferred to an ATP molecule, but they do it without oxygen. In cellular respiration, CO2 et H2O are produced along with the energy. In fermentation, CO2 and something called lactic acid are produced. Just like your book explains, you've probably experienced fermentation yourself when you've had to run the Wednesday mile and you've really pushed yourself to get a good grade. You know that burning or stinging sensation that you feel in your muscles when you push yourself running? That's caused by a buildup of lactic acid in your muscles. No matter how hard your lungs and heart work to get oxygen to the cells in your leg muscles, they still aren't getting enough to produce all the energy they need through cellular respiration. So, they are forced to switch to fermentation, and lactic acid is produced.

    There are some organisms that get all of their energy needs from fermentation. One common example is yeast. Ouais. That same stuff that you drop into the bread maker. You should have noticed that there were lots of bubbles in the tubes containing the yeast and sugar water in our classroom. You've already seen live yeast cells in class that I projected from a microscope to the screen. A few classes got lucky and were able to see some yeast cells that were in the process of reproducing. I know you're going to be happy to hear this: yeast cells reproduce by budding! Just when you thought it was safe to forget all about budding and the pain it has caused you on past tests, it's back!

    So how does yeast make bread rise? It's pretty simple, really. Bread is made mostly of flour. You probably already know that bread is "carbs", or carbohydrates. Do you remember what carbohydrates are? That's right, they are just long strings of sugar molecules. Yeast uses those sugar molecules to get the energy it needs, and in the process it creates CO2. That CO2 makes bubbles inside of the bread dough, and those bubbles make the dough get larger, or rise.

    There is another way that fermentation caused by yeast is important. Grape juice also contains a lot of sugar. When yeast is added to grape juice, it uses the sugar for energy. Yes, it produces CO2, but it also produces alcohol. That's how grape juice is turned into wine!

    The Global Warming Connection

    Remember An Inconvenient Truth, the Al Gore documentary movie? One of the scenes in the movie showed the earth at night as photographed from space. Vice President Gore said that the large red areas were forests burning. There are plenty of naturally-occurring forest fires, but humans purposely set forests ablaze, too. In Brasil, for example, parts of the rainforest are burned to create more land for crops and housing. Think about what this means for global warming.

    Global warming is caused by too much carbon dioxide in the atmosphere. The carbon dioxide acts as a blanket. When sunlight hits the earth, it can't radiate back into space because of the carbon dioxide and other greenhouse gases that are present in the atmosphere. So, the earth gets hotter.

    Burning forests is a double-whammy. First, removing trees means that they aren't there anymore to convert carbon dioxide into sugar and oxygen. Second, when we burn the trees, we are releasing all of the carbon dioxide that they have collected. When mitochondria combine glucose with oxygen to produce energy, they are "burning" the sugar through a process called oxidation. There are many examples of oxidation in real life. When a nail gets rusty, that's oxidation. And, of course, when something burns, that's oxidation, too. The only difference between rusting, burning, and the way that mitochondria release the energy from a glucose molecule is the speed of the reaction. Rusting is very slow oxidation and burning is very fast oxidation. So burning the sugar in the trees is just a very fast version of what mitochondria do: the sugar releases carbon dioxide and energy in the form of heat. Some trees have been alive for hundreds or even thousands of years! So when we burn them, we are releasing hundreds or thousands of years worth of "captured" carbon dioxide.

    That's it, folks. If you can remember the chemical formula for both photosynthesis and cellular respiration, if you can explain how the two processes complement one another, and if you can explain what happens when there is not enough oxygen for cellular respiration, then you've learned what you need to have learned.

    These videos will help you to understand photosynthesis and cellular respiration. Don't be afraid of the complicated scientific vocabulary! You will understand more than you think if you just stop once in a while and try to make a connection between what is going on in the video and what you have already learned.



Commentaires:

  1. Hererinc

    Veuillez paraphraser le message

  2. Efran

    Je confirme. Je me suis joint à tous ci-dessus. Discutons de cette question. Ici ou dans PM.

  3. Graysen

    Félicitations, une excellente idée et à l'heure

  4. Shelby

    Étonnante! Étonnante!

  5. Gugami

    Vous n'êtes pas correcte. Je peux défendre ma position. Envoyez-moi un courriel à PM, nous parlerons.

  6. Liviu

    Le bonheur est une boule que nous poursuivons en roulant et que nous donnons un coup de pied avec notre pied quand il s'arrête. - ns.



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