Exercices — La photosynthèse et l'énergie du vivant

1. Les réactifs (ce qui est consommé) sont le dioxyde de carbone $\text{CO}_2$ et l’eau $\text{H}_2\text{O}$. Les produits (ce qui est fabriqué) sont le glucose $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ (une molécule de matière organique) et le dioxygène $\text{O}_2$.

2. C’est l’énergie lumineuse du Soleil, captée par la chlorophylle des feuilles.

3. Elle est stockée sous forme d’énergie chimique, dans les liaisons de la molécule de glucose.

Réflexe à retenir : la photosynthèse convertit de l’énergie lumineuse en énergie chimique — c’est le point d’entrée de presque toute l’énergie du vivant.

1. La respiration cellulaire consomme du glucose et du dioxygène pour libérer l’énergie chimique stockée, en produisant du dioxyde de carbone et de l’eau :

$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\ \text{O}_2 \longrightarrow 6\ \text{CO}_2 + 6\ \text{H}_2\text{O}$

2. C’est l’équation inverse de la photosynthèse : les réactifs de l’une sont les produits de l’autre. La photosynthèse stocke de l’énergie, la respiration la libère pour les besoins de la cellule.

3. Oui ! Une plante respire en permanence, jour et nuit (ses cellules ont toujours besoin d’énergie). En revanche, elle ne fait la photosynthèse que le jour, quand il y a de la lumière.

Réflexe à retenir : ne dis jamais « la plante respire la nuit et fait la photosynthèse le jour » — elle fait les deux le jour, et seulement la respiration la nuit.

On applique la définition :

$\eta = \frac{10}{1\ 000} = 0{,}01 = 1{,}0\ \%$

Seul 1 % environ de l’énergie lumineuse reçue est converti en matière organique — le reste est réfléchi, transmis, ou perdu sous forme de chaleur. C’est l’ordre de grandeur à retenir pour la photosynthèse (autour de 1 %).

Astuce de vérification : un rendement est toujours inférieur à 1 (à 100 %) — on ne crée jamais d’énergie, on ne fait que la convertir en en perdant au passage.

1. La vache incorpore environ 10 % de l’énergie de l’herbe :

$5\ 000 \times 0{,}10 = 500\ \text{kJ}$

2. L’humain incorpore environ 10 % de l’énergie de la vache :

$500 \times 0{,}10 = 50\ \text{kJ}$

Sur les $5\ 000\ \text{kJ}$ de départ, il ne reste que $50\ \text{kJ}$ après deux maillons : à chaque étape, environ 90 % de l’énergie est perdue.

Réflexe à retenir : c’est pour cela qu’une alimentation végétale « court-circuite » un maillon et nécessite beaucoup moins de surface agricole pour la même énergie disponible.

1. L’énergie stockée est la fraction $\eta$ de l’énergie reçue :

$E_{\text{stockée}} = \eta \times E_{\text{reçue}} = 0{,}005 \times 5{,}0 \times 10^{9} = 2{,}5 \times 10^{7}\ \text{kJ}$

2. On calcule d’abord le besoin d’une personne pendant 100 jours :

$E_{\text{personne}} = 10^{4} \times 100 = 10^{6}\ \text{kJ}$

Le nombre de personnes nourries vaut alors :

$N = \frac{E_{\text{stockée}}}{E_{\text{personne}}} = \frac{2{,}5 \times 10^{7}}{10^{6}} = 25\ \text{personnes}$

Réflexe à retenir : dans ce type d’exercice, procède toujours en deux temps — d’abord l’énergie disponible, ensuite l’énergie nécessaire par personne — puis divise l’une par l’autre. Attention au piège des pourcentages : $0{,}5\ \% = 0{,}005$ (et non $0{,}05$ !).