le spectre d'action photosynthétique

La transformation par les végétaux de l'énergie électromagnétique, la lumière, en énergie chimique, les molécules carbonées, fait intervenir les pigments chlorophylliens. On peut se demander si toutes les longueurs d'onde ont la même importance dans la réalisation de la photosynthèse. On est alors tenté de mesurer l'action de différentes radiations lumineuses sur l'activité photosynthétique comme on sait le faire avec la lumière blanche.
Cette manipulation est délicate et les résultats obtenus doivent être interprétés avec beaucoup de prudence.
Il n'en reste pas moins que la diversité des facteurs à prendre en considération font de cette expérience un bel exemple de réalisation de protocole et de réflexion sur la validité d'un résultat expérimental.

Expérimentation

Principe de l'expérience :
Quelques brins de végétaux chlorophylliens aquatiques sont placés dans une enceinte en présence d'une sonde à oxygène. La sonde mesure en temps réel la concentration d'oxygène dans le milieu et donc, de façon indirecte, l'intensité de la photosynthèse. La plante est exposée à des radiations lumineuses de même intensité mais de longueurs d'ondes différentes. Les mesures sont transmises à un ordinateur à travers une interface et un logiciel affiche à l'écran sous forme de graphique l'évolution de la photosynthèse et éventuellement de la respiration de la plante.

Protocole expérimental :
ll est possible d'utiliser pour cette expérience un bioréacteur, mais nous lui préférerons le montage ci-contre. Il consiste à placer un tube transparent sur la sonde, à le remplir d'eau et à déposer à l'intérieur (au contact de la membrane de téflon) une dizaine de fragments de feuilles d'élodée.

Pour éviter que les fragments remontent à la surface pendant la mesure, on les stabilisera avec un petit rameau d'élodée placé la tête en bas dans le tube comme indiqué sur le dessin.

On réalisera ensuite le montage tel qu'il est indiqué sur la photographie ci-dessous, l'obscurité sera faite autour du végétal en recouvrant l'ensemble des capteurs d'une boîte munie d'une fenêtre que l'on pourra obturer à volonté.

On lancera ensuite le logiciel Réacell de JEULIN option "concentration d'oxygène" et on fera en continue cinq mesures de deux minutes chacune avec des filtres différents séparées par une minute d'obscurité. On commencera par une période d'obscurité de deux minutes.
On veillera à ce que la quantité de lumière reçue par la plante à travers chaque filtre soit rigoureusement la même.

Le choix des filtres
La réussite de l'expérience réside, entre autre, dans le choix des filtres monochromatiques utilisés pour éclairer la plante.
Il existe des filtres dont les caractéristiques techniques ont été définies pour qu'ils ne laissent passer qu'une partie du spectre électromagnétique.
Dans l'exemple ci-contre, la courbe d'absorption du filtre KODAK WRATTEN N° 47B montre que ce filtre ne laisse passer que la lumière bleu et les infrarouges.
L'utilisation de tels filtres associée à une cellule photoélectrique dont on connaît exactement les caractéristiques techniques (en particulier sa courbe de réponse) permet d'évaluer avec une bonne précision la quantité de lumière envoyée sur la plante à chaque instant.

Le choix du capteur de lumière
Pour faire une mesure précise de la lumière reçue par la plante, il faut savoir avec quel capteur on la mesure.

Le choix de la source lumineuse
Les lampes à incandescence sont trop pauvres en radiations bleues pour pouvoir être utilisées dans ce type d'expériences. Il est préférable d'utiliser une lampe halogène.

Réalisation du montage

Nous avons réalisé ce montage avec le matériel ESAO de Jeulin et un capteur lumière modifié car le capteur Jeulin ne mesure que dans l'infrarouge proche et n'est donc pas adapté à ce type de mesures.

Calcul de l'éclairement

L'énergie lumineuse est transportée sous la forme de photons. Un photon transporte un quantum d'énergie qui peut être calculé de la façon suivante :

w = h (constante de Planck) x c (vitesse de la lumière en cm/sec) / l (longueur d'onde en cm)

sa valeur s'exprime en joules. On appelle un einstein la valeur de N (nombre d'Avogadro) quanta. La valeur d'un einstein pour une longueur d'onde donnée peut facilement être calculée en appliquant la formule suivante :

un einstein = 119617 / longueur d'onde (en nm)

Ainsi pour déclencher une réaction photosynthétique exigeant une quantité de photons correspondant à un einstein il faut apporter :

	278 joules sous forme de lumière bleu profond (Kodak 47B)
ou	244 joules sous forme de lumière bleu vert (Kodak 75)
ou	226 joules sous forme de lumière verte (Kodak 74)
ou	210 joules sous forme de lumière jaune (Kodak 73)
ou	181 joules sous forme de lumière rouge (Kodak 29)
ou	171 joules sous forme de lumière rouge foncée (Kodak 70)

Pour comparer l'activité photosynthétique dans différentes longueurs d'onde il est impératif de fournir au végétal la même quantité de photons par seconde pour chaque mesure. Or bien qu'un photon "bleu" transporte plus d'énergie qu'un photon "rouge" ils ont le même rendement quantique. D'autre part le capteur BPW21 placé derrière le filtre n'a pas la même sensibilité pour chaque longueur d'onde. La valeur de l'éclairement qu'affichera le logiciel devra donc tenir compte de ces différents paramètres. On trouvera dans le tableau ci-dessous un exemple des corrections à apporter pour quelques filtres :

Référence des filtres KODAK	longueurs d'onde	valeur de 1 einstein (en joules)	valeur de 5,7 einsteins (en joules)	valeurs affichée par la BPW21 lorsqu'elle reçoit 1000 Unités Arbitraires (calculées à partir de la courbe de réponse)	valeurs à afficher sur le logiciel après correction (pour 5,7 einsteins reçus)
47B - bleu profond	430	278	1586	535	848
75 - bleu vert	490	244	1391	800	1113
74 - vert	530	226	1286	935	1203
73 - jaune	570	210	1196	1000	1196
29 - rouge	660	181	1033	700	723
70 - rouge foncé	700	171	974	450	438

Dans le tableau ci-dessus, en absence d'un étalonnage précis de l'adaptateur Jeulin lors de la réalisation du capteur BPW21, les valeurs d'éclairement affichées par le logiciel sont à considérer comme des unités arbitraires et non pas comme des Watts/m2. Cela ne change rien à la valeur de l'intensité photosynthétique mesurée.
Le nombre de 5,7 einsteins à été choisi uniquement pour que l'affichage sur l'écran ne dépasse pas 1213, valeur maximale affichée par le logiciel.

Exemple de résultats

On remarquera que les valeurs affichées pour l'éclairement ne sont pas identiques pour chaque filtre. Ceci est dû, comme on l'a dit précédemment, au fait que la réponse du capteur n'est pas la même pour chaque longueur d'onde et que l'énergie à fournir pour apporter la même quantité de quanta dépend aussi de la longueur d'onde.

Exploitation des résultats
Si, à partir du tableau de résultats, on calcule l'intensité photosynthétique nette obtenue avec chaque filtre on obtient un graphique appelé spectre d'action photosynthétique.
Les valeurs obtenues ici (carrés rouges) sont cohérentes avec la courbe théorique obtenue en laboratoire de recherche à partir d'algues vertes.
Cette courbe théorique montre nettement que les radiations bleues et les radiations rouges ont plus d'influence sur la photosynthèse que les autres radiations du spectre.