Pourquoi les plantes sont-elles vertes ?

Nous avons demandé à trois de nos étudiants internationaux de premier cycle de l’école d’été ; Poppy Smith, Lyvy Hall et Tom Hammond, pourquoi les plantes sont vertes.

« La réponse courte est que les plantes nous semblent vertes, parce que la lumière rouge est la longueur d’onde la plus utile pour elles.

La réponse plus longue réside dans les détails de la photosynthèse, le spectre électromagnétique, l’énergie et les « paires spéciales » de molécules de chlorophylle dans chaque cellule végétale.

Les plantes peuvent globalement être divisées en quatre composants principaux : les racines, la tige, les fleurs et les feuilles. Les feuilles fabriquent l’énergie de la plante, ou sa nourriture, dans le cadre, comme le savent tous les élèves du GCSE, du processus appelé photosynthèse.

Les plantes (ainsi que les algues et certaines bactéries) absorbent la lumière pour fabriquer des sucres, fournissant à la plante de l’énergie et certains autres produits biochimiques utiles dont elle a besoin pour réussir sa croissance.

La lumière qui peut être vue par l’œil humain (le spectre de la lumière visible) est constituée de l’arc-en-ciel des couleurs, qui s’étend du violet au rouge. Les objets sont perçus par l’homme comme étant colorés lorsque l’objet renvoie la lumière vers nos yeux. Toutes les autres longueurs d’onde visibles de la lumière sont absorbées, et nous ne voyons que les longueurs d’onde réfléchies.

Les couleurs de la lumière visible forment une roue des couleurs. Dans cette roue, la couleur qu’un objet semble avoir est la couleur complémentaire à celle qu’il absorbe le plus fortement. Ainsi, les plantes ont l’air vert parce qu’elles absorbent le plus efficacement la lumière rouge et que la lumière verte est réfléchie.

La lumière et le spectre électromagnétique

La lumière visible fait partie du spectre électromagnétique, l’ensemble de toutes les lumières.

La lumière se déplace en ondes, elle a donc une longueur d’onde, qui correspond à la distance entre les pics des ondes. La lumière visible a des longueurs d’onde allant de 380 nanomètres pour le violet, jusqu’à 730 nanomètres pour le rouge. Pour mettre cela en perspective, un cheveu humain a une épaisseur de 100 000 nanomètres.

Les longueurs d’onde plus courtes ont une énergie plus élevée, la fréquence de la  » vague  » est plus élevée, ainsi la lumière violette a plus d’énergie que la lumière rouge.

Comment les plantes utilisent la lumière

La photosynthèse est essentiellement le processus par lequel la plante convertit le gaz atmosphérique dioxyde de carbone (CO2) et l’eau (H2O) en sucres simples, produisant de l’oxygène (O2) comme sous-produit. Pour ce faire, elle a besoin d’énergie et elle obtient cette énergie de la lumière qu’elle absorbe.

En absorbant la lumière, l’objet absorbe également une partie de l’énergie transportée par la lumière. Dans le cas des plantes, c’est le pigment chlorophylle qui absorbe la lumière, et il est pointilleux sur les longueurs d’onde qu’il absorbe – optant le plus souvent pour la lumière rouge, et un peu de lumière bleue.

L’énergie absorbée entraîne l’excitation des électrons de l’objet.

Lorsque les électrons sont excités, ils passent d’un niveau de faible énergie à un niveau d’énergie plus élevé. L’énergie de la lumière rend les électrons excités et enlève de l’énergie à la lumière – c’est un exemple de la première loi de la thermodynamique – l’énergie n’est ni créée ni détruite elle peut seulement être transférée ou changée d’une forme à une autre.

Ce processus a lieu dans des compartiments spécifiques à l’intérieur des cellules appelées chloroplastes et est divisé en deux étapes;

1 – La première étape voit une séquence de réactions qui sont « dépendantes de la lumière ». Les chloroplastes contiennent de nombreux disques appelés thylakoïdes, qui sont emballés avec de la chlorophylle. Les structures à l’intérieur des thylakoïdes, appelées photosystèmes, constituent le cœur de la machinerie de la photosynthèse et, au centre de chaque photosystème, se trouve une « paire spéciale » de molécules de chlorophylle. Les électrons de ces molécules de chlorophylle sont excités lors de l’absorption de la lumière solaire. Le travail du reste des molécules de chlorophylle dans le chloroplaste consiste simplement à transmettre l’énergie vers la paire spéciale.

2 – Un deuxième ensemble de réactions est indépendant de la lumière. Elles utilisent l’énergie captée lors de l’étape dépendante de la lumière pour fabriquer des sucres. Ces réactions se produisent dans le fluide qui baigne les thylakoïdes (le stroma).

Lors de ces réactions, le CO2 se dissout dans le stroma et est utilisé dans les réactions indépendantes de la lumière. Ce gaz est utilisé dans une série de réactions qui aboutit à la production de sucres. Les molécules de sucre sont ensuite utilisées par la plante comme nourriture de manière similaire à celle des humains, les sucres excédentaires étant stockés sous forme d’amidon, prêt à être utilisé plus tard, un peu comme le stockage des graisses chez les mammifères.

Donc, l’extrémité rouge du spectre lumineux excite les électrons dans les feuilles des plantes, et la lumière réfléchie (ou inutilisée) est composée de plus de longueurs d’onde de la couleur complémentaire (ou opposée), le vert.

Donc, les plantes et leurs feuilles sont vertes parce que la « paire spéciale » de molécules de chlorophylle utilise l’extrémité rouge du spectre de la lumière visible pour alimenter les réactions à l’intérieur de chaque cellule. La lumière verte inutilisée est réfléchie par la feuille et nous voyons cette lumière. Les réactions chimiques de la photosynthèse transforment le dioxyde de carbone de l’air en sucres pour nourrir la plante, et comme sous-produit, la plante produit de l’oxygène.

C’est cette préférence pour la lumière à l’extrémité rouge du spectre qui est à l’origine du développement de la technologie de reproduction rapide par le Dr Brande Wulff et son équipe. La technique utilisée pour la première fois par la NASA pour cultiver des plantes dans l’espace utilise une longueur de jour étendue, un éclairage LED amélioré et des températures contrôlées pour favoriser une croissance rapide des cultures.

Elle accélère le cycle de reproduction des plantes : par exemple, six générations de blé peuvent être cultivées par an, contre deux générations avec les méthodes de reproduction traditionnelles.

En raccourcissant les cycles de reproduction, la méthode permet aux scientifiques et aux sélectionneurs de plantes d’accélérer les améliorations génétiques telles que le gain de rendement, la résistance aux maladies et la résilience climatique dans une série de cultures telles que le blé, l’orge, le colza et le pois. »