Introduction

La feuille est l’organe spécialisé dans la photosynthèse chez les plantes vertes.

La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis, composition) est le processus bioénergétique qui permet aux plantes et à certaines bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées...) de synthétiser de la matière organique (La matière organique (MO) est la matière carbonée produite en général par...) en exploitant la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...). Les besoins nutritifs de ces organismes sont du dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un...) de l’eau et des sels minéraux. La photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et...) est à la base de l'autotrophie de ces organismes. La photosynthèse est la principale voie de transformation du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) minéral (Un minéral est une substance normalement inorganique, plus rarement organique, formée...) en carbone organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande...).

La photosynthèse se déroule dans les membranes des thylakoïdes, chez les plantes, les algues et les cyanobactéries, ou dans la membrane plasmique (La membrane plasmique, ou plasmalemme, est la membrane qui délimite une cellule, elle...) chez les bactéries photosynthétiques. Une conséquence importante est la libération de molécules de dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2,...). À l’échelle planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire...), ce sont les algues et le phytoplancton marin qui produisent le plus d’oxygène, suivi des forêts. On a longtemps cru que les mers froides et tempérées étaient les seules à avoir un bilan positif en termes d’oxygène, mais une étude récente montre que les océans (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par...) subtropicaux oligotrophes sont également producteurs d’oxygène, bien qu'ayant une production saisonnière irrégulière. Ces océans jouent donc un rôle en termes de puits de carbone. Pour le sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) de l'hémisphère nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.), la production d’oxygène est basse début d’hiver, augmente jusqu’en août pour redescendre à l'automne (L'automne est l'une des quatre saisons des zones tempérées. Elle se place entre l'été et...). De même on a longtemps cru que l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) n'était produit que dans les couches très superficielles de l’océan, alors qu'il existe également du nanoplancton, vivant généralement à grande profondeur, photosynthétique^{[réf. souhaitée]}. Dans les zones de dystrophisation ou dans les zones mortes de la mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.), ce bilan peut être négatif. Le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) d’énergie capté par la photosynthèse (à l’échelle planétaire) est immense, approximativement 100 térawatts: qui est environ de 10 fois plus élevé que la consommation énergétique mondiale (intégrée sur un an). Ce qui signifie qu'environ un peu moins du millième de l’insolation reçue par la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) est captée par la photosynthèse et fournit toute l’énergie de la biosphère (La notion de biosphère désigne à la fois un espace et un processus auto-entretenu (jusqu'à ce...).
En tout, les organismes photosynthétiques assimilent environ 100 milliards de tonnes de carbone en biomasse ( En écologie, la biomasse est la quantité totale de matière (masse) de toutes les espèces...), chaque année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...).

La découverte du mécanisme

• Dans l'Antiquité, Aristote (Aristote (en grec ancien...) pensait que le sol fournissait aux plantes les éléments dont elles ont besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...).
• Au XVII^e siècle, Jan Baptist van Helmont démontre qu'un saule (Le saule (Salix) est un genre d'arbres, d'arbustes, d'arbrisseaux de la famille des Salicacées...) planté en bac a pris 77 kg en 5 ans alors que le sol contenu dans le bac ne diminue que de 57 g ; il attribue la différence à l'action de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...).
• Au XVIII^e siècle, plusieurs scientifiques mettent en évidence les notions de respiration (Dans le langage courant, la respiration désigne à la fois les échanges gazeux (rejet...) et de production d’oxygène par les plantes et l'importance de la lumière dans ce dernier phénomène. Ce sont d’abord deux chimistes anglais : Stephen Hales en 1727, qui pense que l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) et la lumière contribuent à la croissance des plantes, et Joseph Priestley (Joseph Priestley (13 mars 1733 à Birstall, West Yorkshire –...) entre 1771 et 1777 qui met en évidence le rejet d’oxygène. À leur suite, Jan Ingen-Housz, médecin (Un médecin est un professionnel de la santé titulaire d'un diplôme de docteur en...) et botaniste hollandais, établit en 1779 le rôle de la lumière dans la production d’oxygène par les plantes. Puis Jean Senebier, un pasteur suisse, à partir des travaux d’Antoine Lavoisier sur la composition de l'air, comprend que les plantes consomment du dioxyde de carbone et rejettent du dioxygène lors de cette phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...).
• Au début du XIX^e siècle, Nicolas Théodore de Saussure démontre la consommation d’eau lors de la photosynthèse. La chlorophylle (La chlorophylle (mot composé en 1816 à partir des racines grecques...) est isolée par des chimistes français en 1817, Pierre Joseph Pelletier et Joseph Bienaimé Caventou.
• Au milieu du XIX^e siècle les grandes lignes du mécanisme sont comprises, transformation de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) lumineuse, consommation d’eau et de dioxyde de carbone, production d’amidon et rejet de dioxygène.
• C'est au cours du XX^e siècle que l'explication plus détaillée du processus s’établit. Le début du siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...) voit la description de la structure chimique de la chlorophylle puis la découverte de l'existence des types a et b. Robert Emerson établit en 1932 que 2500 molécules de chlorophylle sont nécessaires pour émettre 1 molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) d'O₂. Dans les années 1930, les travaux de Robert Hill permettent d'y voir plus clair. À l'issue de ses expériences, la photosynthèse se présente comme une réaction d'oxydo-réduction au cours de laquelle le carbone passe d'une forme oxydée à une forme réduite : CO₂ → HCHO ; et l'oxygène d'une forme réduite à une forme oxydée : H₂O → O₂
• On a récemment découvert du nanoplancton qui vit à des profondeurs où il n'y a pratiquement plus de lumière. Certaines algues marines (cryptophytes, dont rhodomonas sp. et chroomonas sp.), à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) ambiante et en condition d'illumination défavorable, savent, grâce à des « antennes » protéiques, et semble-t-il grâce à des protéines (bilines) utilisées en plus de la chlorophyle, mieux capter la lumière et utiliser la cohérence quantique pour optimiser leur utilisation du rayonnement solaire (En plus des rayons cosmiques (particules animées d'une vitesse et d'une énergie extrêmement...) incident. Cela leur permet de conduire plus de 95 % des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) jusqu'à leur "but"). Ce phénomène qui pourrait exister chez d'autres végétaux, voire être courant.