Pourquoi les plantes sont-elles vertes ?
― Elles n'utilisent pas la lumière la plus abondante
Une feuille verte, c'est tellement banal qu'on ne s'interroge même pas. Pourtant, « paraître verte » signifie « renvoyer la lumière verte sans l'absorber ». Et parmi toute la lumière que le Soleil envoie au sol, c'est justement autour du vert qu'elle est la plus abondante. La plante rejette donc, délibérément, la ressource la plus riche qui s'offre à elle. Pourquoi en est-il ainsi ? La question reste ouverte.
Une pomme rouge paraît rouge parce qu'elle renvoie la lumière rouge. Les autres couleurs sont absorbées et ne reviennent pas vers nous.
Autrement dit, la couleur que l'on voit est celle que l'objet n'a pas « utilisée ». La couleur absorbée, elle, ne nous parvient jamais.
Regardons maintenant une feuille. Si elle paraît verte, c'est qu'elle renvoie la lumière verte. Elle ne l'absorbe pas, ne l'utilise pas.
Les plantes vivent de lumière. Et cette même plante refuse de recevoir une certaine couleur, qu'elle renvoie aussitôt. Or c'est justement la couleur qui arrive en plus grande quantité depuis le Soleil.
Les pigments qui captent la lumière absorbent bien le rouge et le bleu. Le vert, beaucoup moins. Ce vert restant nous parvient, d'où la couleur verte des feuilles.
Si l'on décompose la lumière du Soleil par couleur, c'est autour du vert-jaune qu'elle est la plus intense. Or c'est précisément cette zone que la plante n'exploite pas.
À première vue, cela ressemble à un gros gâchis. Mais en faisant le calcul, c'est cette idée même de « gâchis » qui devient suspecte.
Remettons en question l'idée de « gâchis »
Rejeter la lumière verte ressemble bien à une perte. Mais ce n'est vrai que si la lumière vient à manquer.
Qu'en est-il réellement ? Par une journée ensoleillée, à midi, la lumière reçue serait plus du double de ce que la plupart des plantes terrestres peuvent utiliser. Le surplus, même reçu, n'aurait nulle part où aller.
Pire encore, un excès de lumière est nocif. Le mécanisme qui capte la lumière s'endommage lui-même sous l'effet d'un afflux trop important. C'est pourquoi la plante possède un système qui convertit délibérément l'excès de lumière en chaleur pour s'en débarrasser.
Autrement dit, pour la plante, la lumière du jour n'est pas « ce qui manque » mais « ce qu'il y a en trop, et dont il faut se débarrasser ».
Elle était de toute façon en excès.
Alors, qu'est-ce qui manque réellement ? L'eau et le dioxyde de carbone de l'air. Pour capter le CO₂, la plante ouvre de petits pores dans ses feuilles, mais l'eau s'en échappe par ce même chemin. Les jours secs, il ne lui reste qu'à fermer ces pores. La lumière peut alors être aussi abondante qu'elle veut, aucune matière première n'entre plus.
Ce qui freine la photosynthèse, ce n'est généralement pas la lumière, mais l'eau ou le dioxyde de carbone. Vu sous cet angle, le fait de rejeter le vert perd beaucoup de son poids.
Reste à savoir pourquoi c'est le « vert »
« On peut le rejeter puisqu'il est en excès » explique pourquoi la plante peut se le permettre, mais pas pourquoi elle choisit précisément le vert.
C'est là que la question reste ouverte. Plusieurs hypothèses existent.
L'intensité lumineuse varie sans cesse selon les nuages et l'heure. Plutôt que d'exploiter le sommet du pic, utiliser un point légèrement décalé rendrait le rendement plus stable, selon une explication proposée récemment.
L'idée est que la plante aurait évité une longueur d'onde déjà exploitée par d'autres organismes. Mais les preuves à l'appui de cette idée restent minces.
L'hypothèse A peut surprendre. Plutôt que de choisir l'endroit qui rapporte le plus, on choisirait celui où la variation est la plus faible. Ce n'est pas le rendement qui prime, mais la régularité.
Pour un être vivant, c'est une stratégie cohérente. Recevoir toujours la même quantité facilite la conception des mécanismes du corps, bien plus qu'en recevoir énormément par intermittence.
Mais ce n'est là qu'une explication parmi d'autres proposées, pas une réponse définitive. « Pourquoi les plantes sont-elles vertes » reste une question ouverte.
« Le vert n'est pas utilisé » n'est vrai que sur terre.
Dans l'eau, la lumière rouge est absorbée dès les faibles profondeurs, et ce qui pénètre le plus profondément, ce sont le bleu et le vert. Certaines algues vivant à ces profondeurs possèdent un pigment supplémentaire dédié à l'absorption de la lumière verte. C'est pourquoi elles paraissent rouges ou brunâtres.
Si les algues des grands fonds tirent vers le rouge, c'est le résultat d'une adaptation à la lumière disponible à cet endroit. « Les plantes sont vertes » n'est qu'une réponse parmi d'autres, propre au milieu terrestre.
À l'automne, les feuilles semblent virer soudainement au rouge ou au jaune. En réalité, aucune nouvelle couleur n'est créée.
Le pigment jaune est déjà présent dans la feuille depuis le début. Il était simplement masqué par l'abondance du pigment vert. Quand le froid arrive et que le pigment vert se décompose, le jaune caché en dessous apparaît.
Le rouge, lui, obéit à une autre logique : il serait produit à nouveau, spécifiquement à l'automne. Pourquoi cette dépense supplémentaire ? Une hypothèse évoque une protection contre l'excès de lumière, mais le débat se poursuit sur ce point aussi.
Ce qu'on peut vérifier chez soi
- Déchirez quelques feuilles bien vertes (épinard, par exemple) et mettez-les dans un verre avec un peu d'alcool à 90°
- Écrasez les feuilles avec le dos d'une cuillère et laissez reposer environ 10 minutes. Le liquide devient vert foncé
- Découpez un filtre à café en bande étroite, plongez-en seulement le bas dans le liquide, verticalement (sans le submerger)
- En remontant le long du papier, le liquide sépare les couleurs. Outre le vert, une bande jaunâtre devrait apparaître
- Ce jaune, c'est le pigment qui apparaît quand les feuilles jaunissent à l'automne. Il était là depuis tout l'été
Les étapes 4 et 5 sont l'essentiel de cette observation. Vous constatez de vos propres yeux que « la couleur d'automne n'est pas créée » mais « une couleur cachée qui ressort ». N'utilisez jamais l'alcool près d'une flamme. Aérez la pièce, ne portez rien à la bouche. Faites cette expérience avec un adulte, et lavez-vous les mains à la fin.
En résumé
Une feuille paraît verte parce qu'elle renvoie la lumière verte au lieu de l'absorber. Et c'est justement autour du vert que la lumière solaire arrive le plus abondamment. Mais pour la plante, la lumière est en excès ; ce qui manque, c'est l'eau et le dioxyde de carbone. La rejeter ne pose donc aucun problème. Reste que « pourquoi choisir précisément le vert à rejeter » n'a toujours pas de réponse définitive.
Plus une chose paraît évidente,
plus il arrive qu'on ne sache pas en expliquer la raison.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, chiffres et liens avec les programmes scolairesDu collège aux sujets encore en recherche, chaque niveau est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « biologie de base » / « physique de base » du lycée
- Lycée+Programme de « biologie » avancé du lycée, ou contenu complémentaire des manuels
- UniversitéContenu de spécialité universitaire (physiologie végétale), non vu au lycée
- RechercheSujet encore en cours d'étude, non enseigné comme « établi » même à l'université
CollègeVocabulaire : lumière et feuille
- Chlorophylle : principal pigment qui capte la lumière. Absorbe bien le rouge et le bleu, peu le vert.
- Spectre d'absorption : quantité absorbée, couleur par couleur. C'est la courbe en pointillés du texte.
- Stomate : petit pore de la feuille. Capte le dioxyde de carbone, mais laisse l'eau s'échapper.
- Saturation lumineuse : état où augmenter encore l'intensité lumineuse n'augmente plus la photosynthèse.
- Caroténoïdes : pigments jaune-orangé. Présents dans la feuille dès l'été, mais masqués par le vert.
LycéeVérifions par le calcul : quel est le véritable « excès » ?
Le texte affirme que « la lumière est en excès ». Le chiffrer permet de mesurer précisément cet excès. Rien que des divisions.
Taux de perte ＝ largeur de la bande rejetée ÷ largeur de la bande utilisable
| Plage de lumière utilisable pour la photosynthèse | environ 400–700 nm |
| Bande peu absorbée | environ 500–600 nm |
| Largeur de la plage utilisable | 700 − 400 ＝ 300 nm |
| Largeur de la bande rejetée | 600 − 500 ＝ 100 nm |
| Taux | 100 ÷ 300 ≒ 0,33 (environ 33 %) |
Environ un tiers est rejeté. Et c'est justement dans cette bande que la lumière solaire au sol est la plus forte. Sur le papier, cela ressemble bien à un gâchis.
※ En réalité, le vert n'est pas totalement inabsorbé, l'absorption est seulement faible. De plus, l'épaisseur de la feuille permet des réflexions internes répétées qui en absorbent une partie. Ce calcul ne vise qu'à donner un ordre de grandeur.
La quantité de lumière reçue par la plante s'exprime en nombre de photons. L'unité est technique, ne regardez que le rapport des nombres.
| Quantité reçue à midi par temps clair | environ 2000 |
| Ce que la plupart des plantes terrestres peuvent utiliser | jusqu'à environ 1000 |
| Combien de fois plus arrive-t-il ? | 2000 ÷ 1000 ＝ 2 fois |
Le double du nécessaire arrive. Au-delà, davantage de lumière n'augmente plus la photosynthèse. Le 33 % « rejeté » calculé au ① tient déjà largement dans cet excédent.
Même si la plante pouvait absorber tout le vert, la lumière reçue augmenterait, mais le plafond d'utilisation resterait le même. L'excédent grandirait simplement davantage.
Suivons cette fois l'énergie. Comme dans l'article sur les lucioles, il suffit de suivre où elle va, étape par étape.
| Lumière reçue au sol par temps clair | environ 1000 W/m² |
| Dont longueurs d'onde utilisables pour la photosynthèse | environ 45 % ＝ 1000 × 0,45 ＝ 450 W/m² |
| Part réellement convertie en énergie chimique par une culture | environ 1 à 2 %, selon les estimations |
| Part réellement stockée | 1000 × 0,01 ＝ 10 W/m² |
Sur 1000, il n'en reste que 10. Le « 33 % rejeté » évoqué au ① n'est qu'une part minime de cette perte bien plus vaste.
Autrement dit, l'intuition selon laquelle « pouvoir absorber le vert rendrait la photosynthèse bien plus efficace » ne tient pas. L'entrée est déjà en excès ; en faire entrer davantage ne changerait rien.
Il faut d'abord identifier où se trouve le véritable goulot d'étranglement. La perte la plus visible n'est pas forcément la vraie contrainte.
※ L'efficacité de conversion varie fortement selon la culture et les conditions ; la limite théorique serait un peu plus élevée. Ce calcul ne vise qu'à donner un ordre de grandeur.
Pour capter le dioxyde de carbone, la feuille doit ouvrir ses pores. Mais l'eau s'échappe par ce même pore.
| Proportion de CO₂ dans l'air | environ 0,04 % (environ 400 ppm) |
| Proportion d'oxygène dans l'air | environ 21 % |
| L'oxygène est combien de fois plus abondant que le CO₂ ? | 21 ÷ 0,04 ＝ 525 fois |
Le gaz recherché ne représente que 4 dix-millièmes de l'air. Pour en capter une quantité aussi diluée, il faut garder les pores ouverts en permanence.
Et comme on l'a vu dans l'article sur la remontée de l'eau dans les arbres, l'eau perdue ne peut être compensée que par les racines. Les jours secs, la plante préfère fermer ses pores et arrêter la photosynthèse.
Ce qui manque, ce n'est pas la lumière, mais l'eau et le dioxyde de carbone. C'est ce que suggère l'ensemble des points ① à ④.
Lycée+Une lumière trop forte endommage l'appareillage
Impossible de « laisser en l'état » un excès de lumière. Si l'énergie reçue n'a nulle part où aller, elle se transforme en agent capable d'endommager les molécules environnantes. Le mécanisme même de captation de la lumière s'abîme, et sa réparation demande des efforts.
La plante possède donc un système qui convertit l'excès de lumière en chaleur pour l'évacuer. Par temps clair, les feuilles font fonctionner ce système en permanence.
C'est là un point essentiel. La plante ne laisse pas échapper de la lumière par accident : elle la rejette délibérément. Vu ainsi, ne pas absorber le vert n'est plus une « perte », mais relève d'une « conception qui, dès le départ, choisit de ne pas la recevoir ». Ne pas recevoir dès le début coûte moins cher que recevoir puis rejeter.
Ce n'est toutefois qu'un point de vue parmi d'autres. Les plantes d'ombre, elles, peuvent manquer de lumière ; dans ce cas, pouvoir absorber le vert leur serait avantageux. De fait, certaines plantes de sous-bois disposent de dispositifs pour exploiter une gamme de lumière plus large. « Les plantes terrestres sont uniformément vertes » n'est donc pas exact.
UniversitéL'hypothèse « éviter le sommet du pic »
En 2020, une explication intéressante a été proposée. Et si ce que recherchait la plante n'était pas la puissance maximale, mais une puissance stable ?
L'intensité lumineuse varie sans cesse selon les nuages, l'heure, le chevauchement des feuilles. Exploiter le sommet du pic du spectre revient à subir ces variations de plein fouet. En revanche, en utilisant deux points situés sur les flancs du pic (côté rouge et côté bleu) et en jouant sur leur différence, les variations globales tendent à s'annuler.
Selon cette hypothèse, si le creux d'absorption se trouve dans le vert, ce n'est pas parce qu'on l'évite, mais parce qu'on exploite les deux côtés à la fois.
Cela dit, ce n'est qu'une explication parmi d'autres proposées. Elle concorde bien avec certaines observations, mais ne rend pas compte de toutes les plantes ni de toutes les algues. Il vaut mieux ne pas la traiter comme une « réponse établie » pour l'instant.
Recherche« Pourquoi le vert ? » reste une question ouverte
- Il n'existe pas encore d'explication définitive. Priorité à la stabilité, héritage des conditions initiales de l'évolution, contraintes chimiques des pigments : plusieurs hypothèses coexistent. Plutôt que l'une d'elles seule, plusieurs facteurs combinés seraient probablement en jeu.
- L'hypothèse selon laquelle « d'autres organismes utilisaient déjà d'autres longueurs d'onde » manquerait de preuves. Il est vrai que des micro-organismes dotés d'autres mécanismes de captation de la lumière existent depuis longtemps, mais rien ne prouve pour l'instant qu'ils aient précédé les plantes. L'idée est séduisante, mais ce n'est pas une explication établie.
- Des tentatives se poursuivent pour créer des cultures « capables d'utiliser aussi le vert ». L'idée est qu'élargir la plage de lumière utilisable augmenterait le rendement. Mais comme on l'a vu en ② et ③, l'entrée est déjà en excès, il faut donc bien identifier où une telle amélioration serait réellement efficace. Certains travaux suggèrent qu'accélérer la bascule qui évacue l'excès de lumière en chaleur serait plus efficace.
- La limite supérieure de l'efficacité de la photosynthèse elle-même fait encore débat. L'écart entre le maximum théorique et les valeurs réelles des cultures est important. Jusqu'où cet écart peut-il être réduit par l'amélioration, et à partir d'où devient-il une limite de principe ? Ce n'est pas encore clair.
La raison de la couleur la plus familière de notre planète n'est toujours pas pleinement expliquée. « Une chose trop évidente pour qu'on se la demande » qui, une fois posée, se révèle être une question difficile : cet article en est, je crois, un bon exemple.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Photosynthèse / lumière et couleur | La couleur perçue est celle qui est réfléchie |
| Lycée | Biologie de base・Photosynthèse et facteurs environnementaux | Saturation lumineuse, l'eau et le CO₂ comme facteurs limitants |
| Lycée | Physique de base・Longueur d'onde de la lumière | La bande 400–700 nm et le calcul de la part rejetée |
| Lycée+ | Biologie・Spectres d'absorption et d'action | Photoinhibition, dispositif d'évacuation thermique de l'excès de lumière |
| Université | Physiologie végétale・Photobiologie | Hypothèse des deux flancs du spectre, efficacité de conversion |
| Recherche | Recherche en photosynthèse (non résolu) | Pourquoi le vert, où agir pour augmenter le rendement |
| ― | Observation | Séparer les pigments, mécanisme des couleurs d'automne |
- Arp, T. B. et al., Quieting a noisy antenna reproduces photosynthetic light-harvesting spectra, Science 368, 2020 (hypothèse de la priorité à la stabilité).
- Zhu, X.-G., Long, S. P. & Ort, D. R., What is the maximum efficiency with which photosynthesis can convert solar energy into biomass?, Curr. Opin. Biotechnol. 19, 2008.
- Kromdijk, J. et al., Improving photosynthesis and crop productivity by accelerating recovery from photoprotection, Science 354, 2016.
- Taiz, L. & Zeiger, E., Plant Physiology and Development (manuel de référence en physiologie végétale).
- Société japonaise de photosynthèse (日本光合成学会), exposé de vulgarisation sur la photosynthèse.
※ La découpe des longueurs d'onde, la quantité de lumière et l'efficacité de conversion varient fortement selon l'espèce végétale et le milieu. Cet article présente des ordres de grandeur communément cités.
※Cet article est une vulgarisation scientifique grand public. Pour l'expérience avec l'alcool, évitez toute flamme, aérez la pièce, et réalisez-la impérativement avec un adulte. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension. Concernant « pourquoi les plantes sont vertes », plusieurs explications sont encore à l'étude à ce jour.