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Recherche sur l'usage des feuilles dans les plantes et sur quelques autres sujets relatifs à l'histoire de la végétation
Charles Bonnet, 1754


La découverte du mécanisme de la photosynthèse

> Qu’est ce que la photosynthèse ?
Tous les être vivants ont besoin de s’alimenter afin de trouver l’énergie nécessaire au fonctionnement de leur organisme. La principale source d’énergie utilisée par les organismes vivants est le glucose. Cependant tous les êtres vivants ne sont pas égaux face au glucose, car seules les plantes et certaines bactéries sont capables de le synthétiser elles-mêmes grâce à un processus assez complexe appelé photosynthèse.
Les plantes et certaines bactéries, peuvent convertir le gaz carbonique (CO2) et l’eau (H2O), sous l’action de l’énergie lumineuse, en glucose sous forme d’amidon. Cette réaction est possible grâce à un pigment vert dit assimilateur, la chlorophylle, localisée dans les chloroplastes. Cette réaction produit également de l’oxygène (O2) qui, considéré comme un déchet, est rejeté par la plante.
 

CO2 + H2O à glucide + O2


> Les grandes étapes de la découverte de la photosynthèse : 
La première expérience décisive est réalisée au XVIIe siècle par Van Helmont, médecin flamand, qui cultive un saule pendant cinq ans. Il note une augmentation de la masse de 77 kg de l’arbre  parallèlement à celle du sol qui diminue de 57 kg.  Il en déduit que la matière vivante constituant le saule ne provient pas seulement de la terre mais également de l’eau et de l’air.
 
Au XVIIIe siècle, la production d’oxygène par les plantes et l’importance de la lumière sont mises en évidence.
Stephan Hales publie un ouvrage dans lequel il déclare que la lumière et l’air sont des facteurs de la croissance des végétaux.
Puis, en 1772, J. Priestley met en évidence la production d’oxygène par les végétaux grâce à une série d’expériences simples. Il montre dans un premier temps qu’une plante placée sous une cloche peut vivre alors qu’une souris placée dans les mêmes conditions meurt asphyxiée. Dans un deuxième temps, il montre qu’une souris enfermée sous une cloche rend l’air vicié et qu’une plante placée dans cet air vicié le régénère. Il en déduit que la plante produit de l’oxygène et rapproche cette production d’oxygène à la croissance de la plante. Cependant, il omet de tenir compte du rôle de la lumière dans ses expériences. 
Un an plus tard, Jan Ingenhousz, montre que seules les feuilles sont capables de purifier l’air et uniquement à la lumière.  Le rôle de la lumière dans le phénomène de photosynthèse est alors clairement établi.
En 1782, Jean Senebier (pasteur et bibliothécaire genevois) comprend que les plantes utilisent le CO2 et qu’elles rejètent de l’oxygène dans l’atmosphère de façon universelle, sauf chez les très jeunes feuilles et les feuilles étiolées ou sénescentes.
 
Les principaux éléments de la photosynthèse sont donc découverts mais il faut attendre les progrès de la chimie et l’établissement de la loi de la conservation de matière (principe de Lavoisier) pour pouvoir progresser dans la compréhension du métabolisme des être vivants.
 
Au début du XIXe siècle, le Genevois Nicolas Benedict Théodore de Saussure établit les bases du métabolisme des plantes : il est le premier à démontrer l’assimilation photosynthétique du carbone par les plantes vertes. Il admet aussi que les plantes respirent, qu’elles libèrent du CO2 de façon équivalente à la respiration chez les animaux. Il prouve que le carbone, principal composé de la matière végétale, provient de l’atmosphère.
En 1817, la chlorophylle des feuilles est isolée par deux chimistes français, Pierre Joseph Pelletier et Joseph Bienaimé Caventou.
Julius Robert von Mayer (médecin et physicien allemand) met en évidence en 1845 le rôle de la lumière comme source d’énergie dans le phénomène de photosynthèse. Dans le langage scientifique de l’époque on dit alors "les plantes prennent une force, la lumière, et engendrent une force, l’énergie chimique" Ainsi il comprend que les plantes transforment l’énergie lumineuse en énergie chimique.
En 1864 le botaniste allemand Julius von Sachs met en évidence l'accumulation de grains d'amidon dans les chloroplastes (organites contenant la chlorophylle) en présence d'une source de lumière.
Timiriazeff, en 1877, puis Engelman, en 1885, montrent de façon que tous les pigments présents dans les organismes photosynthétiques jouent un rôle dans la production d’oxygène.
Au milieu du XIXe siècle les grandes lignes du mécanisme de la photosynthèse sont comprises, transformation de l'énergie lumineuse, consommation d'eau et de gaz carbonique, production d'amidon et rejet d'oxygène.
 
Durant le XXe siècle les découvertes successives permettent de comprendre le processus chimique détaillé de la photosynthèse. En 1905, la découverte de la nature particulière de la lumière par Einstein permet à Stark puis Bohr de comprendre de chaque molécule réagissant à la lumière absorbe de l’énergie et que cette énergie permet l’incorporation de molécule de CO2.
En 1920, Otto Warburg (prix Nobel de physiologie et de médecine en 1931) et Warbus Negelein démontrent que la photosynthèse compte plusieurs phases distinctes et que diverses molécules sont nécessaires.
En 1937, Hill met en évidence deux groupes de phases. Il démontre que les réactions nécessitant de la lumière permettent d’obtenir de l’oxygène "les réactions claires", et que l’incorporation du CO2 peut s’effectuer aussi bien à l’obscurité qu’à la lumière "les réactions sombres".
Le rythme des découvertes va alors s’emballer, Calvin, Bassham et Benson vont dès 1950 résoudre le problème des "réactions sombres". Les découvertes sont de plus en plus pointues.
Les chercheurs mettent en évidence un cycle qu’ils baptisent cycle de Calvin dans l’incorporation du dioxyde de carbone. Puis le développement de la microscopie électronique permet de préciser les connaissances obtenues en microscopie optique. Elle permet notamment d’observer les chloroplastes (organites contenant la chlorophylle). Enfin, dans les années 1950, il est démontré que seule l’eau constitue la source d’oxygène libérée lors de la photosynthèse. Le dioxyde de carbone est nécessaire à la formation du glucose. L’équation globale de la photosynthèse s’écrit donc dès lors comme suit :

6 dioxyde de carbone + 12 eau à 1 glucose + 6 oxygène + 6 eau

6 CO2 + 12 H2O à 1 glucose (C6H12O6) + 6O2 + 6H2O