Physiologie des algues
La perte des couleurs sous l'eau est due à l'absorption sélective
Les algues réalisent la photosynthèse et absorbent la lumière de leur milieu ou de leur environnement, généralement constitué d'eau salée ou d'eau douce. La lumière, lors de sa pénétration dans l'eau, subit des modifications. Les radiations de grande longueur d'onde sont d'abord absorbées, alors que les plus petites pénètrent plus profondément.
En effet, l'eau de mer se comporte comme un filtre qui absorbe progressivement les radiations lumineuses dans l'ordre décroissant de leurs longueurs d'onde (700 à 400 nm pour le spectre visible). Les radiations rouges disparaissent complètement vers 10 mètres de profondeur. Toutes les radiations sont ainsi absorbées jusqu'au vert et au bleu qui sont seules à subsister en faible quantité vers -75 à -100 mètres.
La lumière visible (lumière blanche) est composée d'un spectre de couleurs : violet, bleu, vert, jaune, orange, rouge (rangées dans l'ordre des longueurs d'onde de plus en plus élevées). Sous l'eau, il y a une perte rapide (exponentielle) de l'intensité lumineuse qui dépend de la longueur d'onde de chaque composant. Ce phénomène s'appelle l'absorption sélective et il est dû aux vibrations et aux déformations des molécules de l'eau excitées par l'absorption de la lumière. L'absorption est plus forte aux longueurs d'onde élevées, les valeurs exactes dépendant de la transparence de l'eau (sédiment, plancton...). Le rouge, le plus affecté, est réduit à 1/3 de son intensité après un mètre et essentiellement perdu après un trajet de 4 à 5 mètres sous l'eau. La figure donne une idée de l'importance relative pour différentes couleurs dans l'eau de la méditerranée; la distance de l'extinction "effective" d'une couleur est donnée en fonction de la longueur d'onde. Pour la lumière du soleil, la distance parcourue est généralement liée à la profondeur. Cela explique l'étagement littoral des algues en fonction de leur couleur.
Absorption de la lumière par les algues
Les documents suivants représentent les spectres d'absorption de l'énergie lumineuse par les pigments des plastes des algues : chlorophylles a et b, carotène, fucoxanthine et phycobilines ( Phycoérythrine et phycoérythrine ) :
Les algues ont besoin de la lumière pour se développer et se reproduire. Pour faire leur photosynthèse, elles absorbent la lumière grâce aux pigments présents dans les chloroplastes. Elles produisent ainsi du dioxygène, et transforment l'énergie lumineuse pour fabriquer leur matière comme le saccharose (sucre que l'on retrouve en chaîne dans les parois des algues).
Les différentes algues se répartissent en profondeur en fonction de la «couleur» de la lumière (appelée longueur d'onde), qu'elles absorbent grâce à leur équipement pigmentaire. Une algue absorbe la couleur complémentaire de sa propre couleur. C'est à dire qu'une algue nous apparaît rouge car elle absorbe les rayonnements dans le vert. Une algue est verte car elle absorbe les rayonnements dans le rouge. Les algues n'absorbent pas les mêmes rayons lumineux, c'est la raison pour laquelle elles possèdent différents pigments :
- Algues vertes : chlorophylle a+b et caroténoïde .
- Algues brunes : chlorophylle a+c et caraténoïde (fucoxanthine).
- Algues rouges : chlorophylle a+d et caraténoïde + phycoérythrine + phycocyanine .
Pour réaliser leur photosynthèse, elles doivent être capables d'absorber les rayons lumineux qui pénètrent dans l'eau . L'absorption, par les algues, des rayons lumineux qui entrent dans l'eau dépend :
- De la longueur d'onde de la lumière : plus la longueur d'onde est faible (proche des ultraviolets), plus elle pénètre loin en profondeur. Plus la longueur d'onde est forte (proche des infrarouges) moins elle pénètre dans l'eau.
- De l'eau de mer plus ou moins chargée en substances minérales et organiques .
- De la photopériode (Le photopériodisme est le rapport entre la durée du jour et de la nuit. Ce paramètre est un facteur écologique qui joue un rôle prépondérant sur l'activité des algues).
Algues vertes. Absorption maximale dans les longueurs d'ondes bleues (400 à 500 nm) et rouges (650 nm) (proche de 100 UA). Peu d'absorption dans le vert. (le tiers). Les radiations les plus absorbées sont d'ailleurs les plus efficaces (spectres superposables).
Algues rouges. Forte absorption (presque 100 UA) des longueurs d'ondes 450 à 600 nm (bleues et vertes). Peu d'absorption dans les longueurs d'ondes rouges, sauf vers 700nm (> à 600 nm) (proche de 50 UA).
Les radiations les plus efficaces sont comprises entre 500 et 600 nm (radiations vertes) : efficacité proche de 75 UA.
Radiations moins efficaces dans le bleu et le rouge (2 à 3 fois moins efficaces) (spectres non superposables).
Bilan: Les radiations les plus absorbées et les plus efficaces sont les radiations bleues et rouges pour les algues vertes.
Les radiations absorbées par les algues rouges sont les bleues et vertes (plus les rouges, mais moindre) mais les plus efficaces sont les radiations vertes.
Composition en pigments.
Les deux algues possèdent de la chlorophylle a, des carotènes. Seule l'algue verte possède de la chlorophylle b. Seule l'algue rouge possède de la phycoérythrine et de la phycocyanine.
Les deux algues présentent des pigments différents.
Algues vertes. La composition en pigments permet l'absorption des longueurs d'ondes 400 à 500 nm par chla, b et carotènes
(bleu) et 620 à 700 nm par chl a et b (rouge). On retrouve un défaut d'absorption entre 500 et 620 nm (vert).
Algues rouges. La composition en pigments permet l'absorption des longueurs d'ondes 450 nm à 500 par chla, carotènes et phycoérythrine (450 à 600 nm) (absorption maximale, 100 UA) et plus faible entre 600 et 700 nm par phycocyanine et ch la.
Davantage de radiations sont captées par rapport aux algues vertes (pas de réel « déficit »).
Bilan. La composition en pigments explique les différences dans les spectres d'absorption.
Phycocyanine et phycoérythrine sont des pigments spécifiques aux cyanobactéries ou "algues bleues" et aux algues rouges. Les plantes supérieures n'ont que les chlorophylles et les caroténoïdes.
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es cyanobactéries, ou cyanophycées, ou encore algues bleues (leurs anciens noms), sont des bactéries photosynthétiques, c'est-à-dire qu'elles tirent parti, comme les plantes, de l'énergie solaire pour synthétiser leurs molécules organiques. Pour capter cette lumière, elles utilisent différents pigments : des phycocyanines (de couleur bleu-vert) ou la chlorophylle.
Les cyanobactéries utilisent un ensemble de stratégies qui leur a permis de coloniser les écosystèmes. Ces stratégies leur permettent de supplanter les algues lors de conditions favorables et de persister dans l'environnement. Les cyanobactéries s'adaptent à une multitude de conditions environnementales et performent particulièrement bien sous conditions extrêmes. Il n'est donc pas surprenant qu'elles aient été parmi les premiers micro-organismes à coloniser la terre et qu'elles soient encore aujourd'hui très compétitives et parfois dominantes. D'abord, elles présentent une pigmentation diversifiée qui assure une grande
efficacité photosynthétique et une capacité à soutenir un taux de croissance relativement élevé même à de faibles intensités lumineuses. Ce sont les phycobiliprotéines (surtout la phycocyanine en eaux douces), qui confèrent cet avantage aux cyanobactéries (comparativement aux algues phytoplanctoniques qui utilisent la chlorophylle a), en leur permettant d'exploiter le rayonnement solaire disponible sur une plus grande étendue de longueurs d'ondes. Les cyanobactéries ont également développé différentes stratégies de protection contre les rayons ultraviolets (UV) et le rayonnement excessif.
SITES A CONSULTER :
Université Jussieu / Accès cours Physiologie végétale
Université Sorbonne / Physiologie microalgues et utilisation de la lumière
Université du Mans
Cours Terminale S : Photosynthèse
DOCUMENTS A TELECHARGER :
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La répartition des algues que l'on observe à marée basse est le résultat de la compétition qui s'exerce depuis 500 à 600 millions d'années entre les différents groupes. Deux facteurs jouent un rôle primordial dans cette répartition :
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l'eau, et plus précisément la durée de l'absence d'eau due au mouvement des marées,
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la quantité et la qualité (longueurs d'onde des radiations) de la lumière disponible.
En effet, l'eau de mer se comporte comme un filtre qui absorbe progressivement les radiations lumineuses dans l'ordre décroissant de leurs longueurs d'onde (700 à 400 nm pour le spectre visible). Les radiations rouges disparaissent complètement vers 10 mètres de profondeur. Toutes les radiations sont ainsi absorbées jusqu'au vert et au bleu qui sont seules à subsister en faible quantité vers -75 à -100 mètres.
L'adaptation de la nature des pigments assimilateurs a permis aux divers groupes d'algues la colonisation des différents niveaux du littoral marin.
Toutes les algues possèdent des chloroplastes renfermant de la chlorophylle a qui leur permettent d'être photosynthétiques en absorbant dans le rouge et le bleu. Selon les groupes d'algues, on retrouve d'autres pigments, dits surnuméraires. Ce sont des chlorophylles b, c, ou d, des caroténoïdes (carotènes alpha, bêta, et xantophylles), ou des phycobilines. Les caroténoïdes des algues brunes absorbent dans le bleu et la phycoérythrine (phycobiline) des algues rouges dans le vert.
La répartition des algues sur le littoral se fait donc globalement de la manière suivante :
On observe du bas vers le haut des algues rouges, brunes et vertes. Ces dernières représentent un stade pionnier du fait de leur grande capacité d'adaptation. Leur résistance aux conditions défavorables lors des marées basses leur ont sans doute permis de s'affranchir du milieu aquatique pour coloniser la terre ferme. Les végétaux terrestres dériveraient ainsi des algues vertes.
Phycophytes
Fucus serratus
Légende :
La photosynthèse
Les algues sont des organismes autotrophes. Les algues sont phototrophes et utilisent l'énergie lumineuse qui sera convertie en énergie chimique. La photosynthèse ne fonctionne cependant que sous certaines conditions :En effet, la production de dioxygène par une algue nécessite une source de carbone qu'elle trouve généralement dans l'air dissout dans l'eau.
Une tonne de de matière organique produit par une algue correspond à une tonne de Co2 en moins sur la Terre.
La photosynthèse est constituée de deux étapes différentes, la phase pétrochimiques et la phase non pétrochimique.
La phase pétrochimique connue sous le nom de phase claire se déroule dans la membrane des thylakoïdes.
Qu'est-ce qu'un thylakoïde ?
Pour répondre à cette question nous allons représenter un chloroplaste.
Comme mentionné dans les caractéristiques, le chloroplaste est un organite situé dans le cytoplasme de la micro-algue. C'est dans ce chloroplaste que se situent les thylakoïdes.
Schéma d'un chloroplaste en coupe transversale :
La lumière traverse les membranes du chloroplaste et arrive sur les thylakoïdes. La première phase commence. Le thylakoïde reçoit la lumière, une énergie lumineuse qu'il va transformer en énergie chimique. Dans la membrane du thylakoïde se trouvent des molécules photoréceptrices qu'on appelle pigments. Seuls les cellules chlorophylliennes ont la propriété de capter la lumière due à ces pigments.
Ces pigments sont verts et absorbent principalement des longueurs d'ondes bleues et rouges -très efficaces-, ce qui donne leurs couleurs vertes. Ces pigments sont essentiels à la micro-algue et sont dits photosynthétique.
Une fois la lumière captée, on assiste à une oxydation de l'eau. En effet les molécules d'oxygènes et d'hydrogènes qui constituent l'eau vont être séparées grâce à l'énergie emmagasinée. C'est au cours de cette étape cette étape que le dioxygène O2 va être formé. Cette séparation correspond à la photolyse de l'eau.
Comment se passe cette oxydation ?
Il y a en fait deux oxydoréductions qui seront couplées, elles vont former du dioxygène et une coenzyme qu'on note RH2. Voici donc l'équation :
Le dihydrogène va donc s'oxyder et perdre des électrons pour former des ions H+, puis les électrons rejetés vont être récupérés par la molécule NADP+ (Nicotinamide-adénine-dinudéotide-phosphate) et qui va se combiner aux ions H+ et se réduire en coenzyme NADPH. Cette réaction n'est cependant pas spontanée car elle nécessite une source d'énergie extérieure, ici l'énergie lumineuse.
De plus, le transfert des électrons ne se fait pas directement entre les molécules d'eau et les molécules NADP+. Il n'y a pas de contact entre le donneur et l'accepteur. Cette transition se fait par une chaîne de transporteurs qui correspond à une chaîne de protéine qui se passe tour à tour les électrons de l'eau vers la molécule NADP+. Ces molécules seront utilisées dans la deuxième phase.
Une autre réaction va se passer pour synthétiser de l'ATP, aussi nécessaire à la seconde phase.
Dans les chloroplastes se trouvent de l'ADP (Adénosine-Diphosphate) et du Pi (Phosphate inorganique). Les phosphates peuvent être ajoutés à l'ADP pour former de l'ATP (Adénine-Triphosphate). Pour pouvoir associer le Pi et l'ADP, une partie de l'énergie absorbée par le chloroplaste est nécessaire.
Schéma de la formation de l'ATP :
L'adénine et le ribose sont des composants de l'adénosine. Grâce à cette réaction, l'énergie lumineuse sera convertit en énergie chimique et être utile pour la phase sombre.
Comme bilan de cette première phase il y a donc :
- la photolyse de l'eau par oxydoréduction ;
-la production de coenzyme NADPH ;
-la synthèse de l'ATP.
La phase non pétrochimique :
On appelle aussi cette phase, la phase sombre car celle-ci n'a pas besoin de lumière pour fonctionner.
Tout d'abord, cette réaction se déroule dans le stroma du chloroplaste. (voir le schéma du chloroplaste.)
L'énergie emmagasinée auparavant dans la première phase sera réutilisée, à noter que cette énergie se trouve dans l'ATP. C'est pourquoi cette réaction n'a pas besoin de lumière pour fonctionner car elle utilisera de l'énergie chimique. La phase obscure va fixer le carbone sous forme de sucre mais elle se fera en plusieurs étapes qui forment un tout que l'on appelle cycle de Calvin. Melvin Calvin a reçu un prix Nobel de chimie en 1961 et a contribué à expliquer ce phénomène.
Voici donc : le schéma du cycle de Calvin
Comme on le voit sur le schéma, l'ensemble des réactions forment un cycle. Ce dernier commence par la combinaison du carbone et de la ribulose bisphosphate (une molécule à 5 carbones et 2 groupes phospates). Cette action se fait à l'aide de la RubisCO, une enzyme catalysante qui permet de fixer le CO2 sur la ribulose-1,5-bisphosphate. Suite à cette combinaison, on obtient une molécule à 6 carbones qui est instable. C'est pourquoi cette molécule sera divisé en deux molécules à 3 carbones chacune que l'on appelle PGA (acide phosphoglycérique).
Ce PGA aura besoin de l'énergie chimique de l'ATP pour pouvoir réagir avec le NADPH. Ces deux derniers éléments ont été produits au cours de la première phase. Donc le NADPH va perdre son hydrogène qui va être récupérer par la molécule PGA. Elle deviendra une PGAL (phosphoglycéraldéhyde) que l'on appelle aussi triose phosphate. Cette molécule peut s'assembler avec une autre molécule identique pour former un hexose comme le glucose C6H12O6. Elle peut aussi former d'autres composés organiques comme l'amidon, le fructose et le saccharose. Ces éléments sont nécessaires à la micro-algue et seront stocké comme nutriments. Enfin, pour pouvoir renouveler le cycle, le triose phosphate va redevenir du ribulose bisphosphate. On parle de la régénération du ribulose bisphosphate. Ainsi la réaction se renouvelle en boucle.
Pour conclure, la photosynthèse se fait donc en deux étapes, premièrement la capture et la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique et deuxièmement, l'utilisation de cette énergie et la fixation de CO2 pour produire des glucides. De plus la première phase rejette de l'oxygène et contribue au bien de la planète.
Comme schéma-bilan nous avons :
L'équation-bilan de la photosynthèse est notée ainsi: 6 H2O + 6 CO2 → C6H12O6 + 6 O2
Comment prouver l'existence de la photosynthèse des algues ?
Pour répondre à cette question nous avons mis en place une expérience simple pour nous montrer la formation de dioxygène à la lumière.
Pour cette expérience, nous utiliserons deux cristallisoirs, deux entonnoirs transparents (important), deux tubes à essai, une lampe et de la patience.
Voici le schéma de notre expérience :
Identification du gaz récupéré :
Après avoir laissé les micro-algues réagir, nous avons enlevé délicatement le tube à essai en gardant le gaz formé. Puis nous avons pris une allumette, nous l'avons allumée puis éteinte et juste après l'avoir éteinte, nous avons mis l'allumette encore incandescente dans le tube à essai : elle s'est rallumée.
Ce résultat signifie que dans le tube à essai se trouve du dioxygène. Ce résultat est cohérent au développement sur la photosynthèse qui nous explique la formation de l'O2 et des matières organiques.
Ces algues ont donc un impact environnemental du fait de leur métabolisme naturel.
Des algues bleues pour sauver la planète !
Les cyanobactéries : comment exploiter au mieux la lumière ? 1. Qui sont les cyanobactéries ? Les cyanobactéries sont des bactéries qui réalisent la photosynthèse qui libère de l'oxygène (comme les plantes, et pour cause, les ancêtres des chloroplastes appartiennent au lignage des cyanobactéries !). Ce sont probablement les 'architectes' de notre atmosphère. En effet, il y a environ 3 milliards d'années, elles ont produit de l'oxygène pendant des centaines de millions d'années, de sorte que l'atmosphère primitive de la Terre riche en gaz carbonique, méthane, etc s'est enrichie en oxygène jusqu'à atteindre les concentrations actuelles. Ceci était indispensable pour permettre aux autres organismes (dont nous-mêmes , les humains) d'évoluer. Actuellement, on observe dans cyanobactéries dans pratiquement tous les milieux où il y a de la lumière, de l'eau, du gaz carbonique et des minéraux. Elles se retrouvent ainsi dans des milieux qu'on dit 'extrêmes' comme les souches thermales d'eau chaude (jusque 70°C), les milieux hypersalins, et les environnements polaires. 2. Comment exploitent-elles la lumière ? Une des clefs de leur succès, est leur équipement en pigments capables de capter le plus possible de photons dans un spectre étendu de longueur d'onde. Elles sont donc équipées non seulement de chlorophylle et de caroténoïdes, comme les algues et les plantes, mais aussi de pigments spéciaux appelés 'phycobiliprotéines' et qui captent la lumière dans les longueurs d'onde où la chlorophylle n'est pas efficace
Dans la Figure 1, la ligne continue montre les zones du spectre de la lumière où la
chlorophylle est capable de capter l'énergie des photons. La ligne en pointillé donne
le rendement de la photosynthèse. Comme on peut le voir, il y a une zone allant de
480 à 650 nm, où la chlorophylle n'absorbe pas et où le rendement de la
photosynthèse avec ce pigment est très bas. C'est là qu'interviennent les
phycobiliprotéines, qui incluent deux pigments majeurs : la phycoérythrine
(absorption entre 490 et 570 nm) et la phycocyanine (absorption entre 610 et 655 nm
3. Comment les pigments coopèrent pour une photosynthèse plus efficace ?
La chlorophylle a est le pigment primordial qui participe à la photosynthèse. Les
autres pigments sont des pigments 'accessoires' ou 'antennes' qui capturent la lumière
aux autres longueurs d'onde que la chlorophylle a et qui sont capables de lui
transférer cette énergie lumineuse:
énergie de la lumière
pigments 'antennes' chlorophylle a
Tous les végétaux qui font la photosynthèse possèdent de la chlorophylle a. Certains
possèdent aussi de la chlorophylle b (ex. les épinards).
Les caroténoïdes sont une autre famille de pigments 'antennes', qui absorbent vers
450 nm (Fig. 4). On les trouve aussi dans tous les végétaux photosynthétiques et
certaines bactéries.
Fig. 4. Spectre d'absorption du béta-carotène et de la fucoxanthine
(amiens.fr/pedagogie/svt/infoprat/EvCapExp/04EvI)
Voici donc le résultat final montrant que les cyanobactéries qui ont de la
phycocyanine (toujours) et de la phycoérythrine (parfois, selon les souches), peuvent
exploiter l'énergie présente tout le long du spectre de la lumière visible (Fig. 5) :
Fig. 5.