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La photosynthèse est l'ensemble des réactions biophysiques et biochimiques qui permettent aux plantes vertes, qui contiennent de la chlorophylle, de synthétiser des molécules en utilisant l'énergie de la lumière du Soleil, dans les conditions naturelles. Au cours de ce processus, les feuilles vertes captent le gaz carbonique et rejettent de l'oxygène.

La première phase a lieu durant le jour. Elle consiste à transformer l'énergie lumineuse du soleil en une énergie chimique. Cette phase s'appelle la phase claire, car elle ne se produit qu'à la lumière. Par un processus photophysique, l'absorption d'un grain de lumière, l'énergie du Soleil est captée par des petites molécules colorées, appelées pigments, dont la plus connue est la chlorophylle, de couleur verte. Les chlorophylles et autres pigments agissent comme de véritables panneaux solaires mais tandis que les panneaux solaires captent l'énergie solaire et la transforment en énergie électrique, les feuilles des plantes captent l'énergie lumineuse et la transforment en énergie chimique, sous forme de molécules d'ATP et de NADPH. Cette phase dite claire est constituée en fait d'une multitude de réactions faisant intervenir de nombreuses entités aussi diverses que le photon, l'électron, la molécule d'eau, le gaz carbonique, et des assemblages de protéines, relativement grands, que l'on nomme photosystèmes. C'est lors de cette phase qu'un de ces photosystèmes brise la molécule d'eau liquide et rejette du gaz oxygène.

La seconde phase, ou phase sombre, ou cycle de Calvin, ne nécessite pas d'énergie lumineuse. Elle se produit donc de jour comme de nuit. Elle consiste à utiliser l'énergie chimique stockée sous forme de NADPH lors de la première phase pour synthétiser, à partir du gaz carbonique entré dans la feuille par des espaces appelés stomates, des molécules de glucides de petites tailles (sucres simples). Le gaz carbonique est dit « fixé », « capté » ou « emprisonné » par la plante. Les sucres créés sont soit utilisés dans d'autres réactions biochimiques, soit stockés sous forme d'amidon.

L'oxygène de l'atmosphère (en fait il s'agit de la molécule de dioxygène) est apparu sur terre suite à l'apparition des premiers organismes capables de faire de la photosynthèse. L'apparition de cet oxygène a permis aux organismes qui ne possèdent pas de chlorophylle, c'est-à-dire les animaux ou les champignons, de se développer grâce à la respiration.