Bilan énergétique : de la photosynthèse à la production de biomasse
Bilan énergétique : de la photosynthèse à la production de biomasse
Bilan énergétique : de la photosynthèse à la production de biomasse
Comment les végétaux chlorophylliens permettent une entrée puis un transfert d’énergie au sein du monde vivant et donc la production de biomasse, c’est-à-dire de matière vivante végétale, animale ou autre ?
I. La cellule chlorophyllienne : rappel sur la photosynthèse
Schéma à l’échelle cellulaire, avec une cellule végétale à gauche et une cellule non chlorophyllienne à droite, qui peut être végétale, animale ou autre.
Les cellules chlorophylliennes sont pour la plupart des cellules végétales et sont capables de photosynthèse (réaction chimique au cours de laquelle de l’énergie lumineuse provenant du Soleil est absorbée et au cours de laquelle par une suite de réactions chimiques on produit du glucose, un sucre). Ce glucose est produit en utilisant l’énergie de la lumière mais aussi en puisant dans le milieu environnant du dioxyde de carbone (CO2), des minéraux et de l’eau.
En produisant du glucose, les végétaux produisent de la matière organique. Ce glucose va pouvoir être transformé et stocké sous forme de différentes matières organiques, soit glucidiques comme le glucose, soit d’autres natures : par exemple le végétal produit ses protéines à partir du glucose formé initialement par photosynthèse. Ou bien ce glucose va pouvoir aussi être utilisé par la cellule, qui a besoin d’énergie pour vivre et faire ses activités cellulaires.
La respiration cellulaire
Il pourra secondairement être dégradé au cours d’une réaction : la respiration cellulaire. Cette réaction se fait dans des organites qu’on appelle des mitochondries ; alors que la photosynthèse se fait dans les organites équipés du pigment chlorophyllien qu’on appelle les chloroplastes.
Cette respiration cellulaire va donc consommer une partie de l’énergie chimique qui avait été stockée dans le glucose. La photosynthèse est donc une conversion d’énergie lumineuse en énergie chimique stockée dans des molécules. La respiration cellulaire utilise cette énergie.
Le fait de réaliser ses réactions de respiration cellulaire permet donc d’utiliser l’énergie chimique, de produire de l’énergie cellulaire sous forme d’une molécule qu’on appelle de l’ATP ; et permet à la cellule végétale de réaliser ses activités cellulaires.
Le glucose peut aussi être exporté vers d’autres cellules du végétal qui ne seraient pas chlorophylliennes ou bien aussi, il peut être exporté parce que le végétal est consommé par un animal par exemple.
II. La cellule non chlorophyllienne
Les cellules non chlorophylliennes (qu’elles soient dans les végétaux ou dans d’autres êtres vivants) vont récupérer ce glucose. Comme elles n’ont pas de chlorophylle, elles ne sont pas capables de réaliser la photosynthèse. Elles vont donc tirer leur énergie uniquement de la réaction de respiration cellulaire. Cette respiration cellulaire est équivalente à celle de la cellule végétale. Elle permet de produire de l’énergie chimique sous forme d’ATP et permet à la cellule de réaliser ses différentes activités cellulaires. Par exemple, une cellule musculaire a besoin de consommer de la matière organique, par exemple du glucose et le muscle va l’utiliser pour produire de l’ATP et ensuite se contracter.
Cette respiration cellulaire n’est possible qu’en présence de dioxygène (O2). Quand il n’y a pas d’O2, les cellules sont obligées de réaliser un autre type de métabolisme, pour certaines ce n’est pas possible, par exemple, les cellules animales ne sont pas capables de produire de l’énergie en absence de dioxygène.
La cellule chlorophyllienne bénéficie donc de la biomasse qui a été produite par la cellule chlorophyllienne. Autrement dit, la photosynthèse est l’entrée d’énergie dans la biosphère. Ensuite, il y a des transferts d’énergie au sein du monde vivant et des transferts de matière, notamment dans les chaînes alimentaires des réseaux trophiques.
III. À l’échelle du végétal
Schéma à l’échelle du végétal entier et de sa place au sein de la biosphère qui représente l’efficacité de la photosynthèse en terme de bilan chiffré.
Si on considère 100 % de l’énergie reçue, donc 100 % de l’énergie qui parvient de l’énergie du Soleil, à la surface d’un végétal, une partie de cette énergie va directement être réfléchie, donc ne va pas être absorbée par la feuille. Une autre partie de cette énergie va être transmise à travers la feuille puisque les feuilles de végétaux sont très fines (moins d’1 mm en général). Et seulement 66 %, donc environ deux tiers de l’énergie reçue à la surface d’une feuille, va être concrètement absorbée par le végétal. Il va pouvoir réaliser la photosynthèse à partir de cette énergie absorbée.
Il y a des pertes au cours de la photosynthèse ainsi que des pertes au sein du végétal, sous forme de chaleur ou évapotranspiration.
Parmi ces 100 % d’énergie reçue par le végétal, seulement 1 % va réellement servir à la production de biomasse. Donc il y a des pertes au cours de la réaction de photosynthèse puisque le glucose ne stocke qu’une partie de l’énergie initialement absorbée. Cette production de biomasse est la production primaire brute (PPB). Ainsi seulement 1 % de l’énergie reçue permet de former la PPB. Et si on se place à l’échelle de la Terre, puisque toute la surface de la Terre n’est pas recouverte par des végétaux (les forêts représentent moins de 30 % de la surface globale de la Terre), la puissance solaire réellement utilisée par les végétaux qui permet de produire de la biomasse est inférieure à 0,1 % de l’énergie solaire totale reçue par la Terre.
Donc on peut dire qu’une infime partie de l’énergie reçue du Soleil est ensuite convertie et entre concrètement dans la biosphère par l’intermédiaire des végétaux.
La production primaire brute
La majeure partie de la PPB va être « perdue » pour la biosphère puisque 80 % sont utilisés par la plante pour ses activités cellulaires notamment pour sa respiration. Une très grande partie est donc perdue quasiment instantanément.
Les 20 % restants vont permettre la croissance végétale : production de matière organique, croissance du végétal qui secondairement pourra éventuellement être consommé par un consommateur primaire. Cette croissance végétale correspond à la production primaire nette (PPN), c’est-à-dire la PPB à laquelle on retire tout ce qui a été perdu, notamment par respiration cellulaire.
La production primaire nette
Cette production primaire nette possède plusieurs devenir :
– une partie va alimenter les réseaux trophiques, lorsque les végétaux qui sont à la base de toutes les chaînes alimentaires sont consommés. À chaque échelon des réseaux trophiques, il y a beaucoup de pertes d’énergie et de matière, d’abord parce que lorsque l’on consomme un aliment, on en rejette une partie, on ne digère pas tout, et deuxièmement parce que lors de ces transformations, il y a des pertes, notamment de la chaleur. On considère que le rendement énergétique, le transfert d’énergie, est maximum de 10 % à chaque échelon d’une chaîne alimentaire. Ainsi, il y a beaucoup de pertes à chaque fois qu’un animal ou végétal ou que tout autre être vivant consomme de la matière et se nourrit et la transforme.
– une autre partie, à la mort du végétal, est décomposée par les décomposeurs (des bactéries, des champignons, des vers de terre, etc.). À ce moment, cette matière organique sera à nouveau minéralisée et retournera sous forme de minéraux à la terre.
– une toute petite partie, sous des conditions très particulières, notamment un enfouissement ou l’absence de dioxygène, pourra à terme et par différentes transformations donner des combustibles fossiles (charbon, pétrole ou gaz).
Conclusion
À l’échelle de toute la Terre, les végétaux qui recouvrent une certaine surface permettent donc d’absorber une infime partie de l’énergie lumineuse. Puis cette énergie lumineuse est transformée en énergie chimique, c’est la base de tous les réseaux trophiques sur notre planète et éventuellement ensuite, certains de ces végétaux donneront des combustibles fossiles à terme. Néanmoins, la proportion qui peut donner des combustibles fossiles est très faible et on sait que les combustibles fossiles sont en stock limités et non renouvelables à l’échelle du temps humain.