Le couplage des deux phases de la photosynthèse : l'expérience d'Arnon (1958)

Arnon sépare le contenu de chloroplastes en deux fractions. La première ne contient que des thylakoïdes. La seconde est le liquide du stroma. Il associe ensuite ces fractions, ou des molécules pures, à du dioxyde de carbone marqué au carbone 14. Il mesure enfin la radioactivité des molécules organiques formées. Toutes les mesures sont faites à l'obscurité.

La réduction du dioxyde de carbone a-t-elle besoin de la lumière au moment même où elle se produit ? Ou lui suffit-il des molécules que la lumière a fabriquées auparavant ?

Ce que l'on sait avant l'expérience

Le dégagement de dioxygène et la réduction du carbone ne sont pas une seule et même réaction. Des chloroplastes éclairés dégagent du dioxygène en réduisant un accepteur artificiel, dans un milieu privé de carbone minéral : c'est l'expérience de Hill. Les électrons arrachés à l'eau sont acceptés par le NADP, qui devient NADPH+H⁺.

La réduction du carbone, elle, se déroule dans le stroma. Des chloroplastes éclairés y accumulent de l'amidon. L'autoradiographie y révèle le carbone 14 dans les molécules organiques formées.

À l'obscurité, la fixation du dioxyde de carbone ne s'arrête pas d'un coup. Elle diminue progressivement, en quelques secondes : c'est l'expérience de Gaffron. Des réserves constituées à la lumière semblent donc s'épuiser.

Deux explications restent alors possibles. La lumière intervient peut-être au moment même où le carbone est réduit. Elle ne sert peut-être qu'à fabriquer d'avance des molécules que cette réduction consomme. L'expérience d'Arnon départage les deux.

Étape 1 sur 6

fraction des thylakoïdes fraction soluble, le stroma dioxyde de carbone marqué au carbone 14 molécules organiques formées, qui portent le carbone marqué ATP NADPH+H⁺ ADP + Pi et NADP, formes rendues à la phase photochimique La figure n'est pas à l'échelle. Le nombre de molécules dessinées est celui qui rend les rapports lisibles.

Les conditions et les résultats

Les trois tubes d'incubation et la radioactivité mesurée
	Conditions expérimentales	Quantité de ¹⁴CO₂ fixé dans les molécules organiques, en coups par minute
1	Stroma laissé à l'obscurité	4 000
2	Stroma laissé à l'obscurité + thylakoïdes préalablement éclairés	96 000
3	Stroma laissé à l'obscurité + ATP + NADPH+H⁺	97 000

Ce que montre la comparaison des trois tubes

Le premier tube donne la référence. Le stroma seul, à l'obscurité, fixe un peu de carbone marqué. Cette quantité n'est pas nulle. Elle reste vingt-quatre fois plus faible que celle des deux autres tubes.

Le deuxième tube reçoit des thylakoïdes éclairés avant le mélange. Pendant toute la mesure, le tube est à l'obscurité. La fixation du carbone y est pourtant massive. La lumière n'agit donc pas au moment où le carbone est réduit. Elle a agi avant, et sur l'autre fraction.

Le troisième tube ne reçoit aucun thylakoïde. Il reçoit de l'ATP et du NADPH+H⁺. La fixation y est aussi forte qu'avec les thylakoïdes éclairés. Ces deux molécules remplacent donc à elles seules les thylakoïdes éclairés. Elles sont ce que les thylakoïdes éclairés fournissent au stroma.

La réduction du carbone (phase non photochimique) ne dépend donc pas directement de la lumière. Elle requiert la participation d'intermédiaires produits au cours de la phase photochimique, l'ATP et le NADPH+H⁺. La photolyse de l'eau (phase photochimique) requiert quant à elle du NADP formé par réoxydation du NADPH+H⁺ lors de la phase non photochimique. Les deux phases de la photosynthèse sont liées.

Ce que l'expérience n'établit pas. Elle ne dit pas quelles molécules organiques se forment, ni dans quel ordre le carbone les traverse : c'est l'objet des expériences de Calvin. Elle ne dit pas non plus comment l'ATP et le NADPH+H⁺ se forment dans le thylakoïde éclairé. Elle établit un seul point, mais elle l'établit sans échappatoire : ces deux molécules suffisent à faire fonctionner la réduction du carbone dans l'obscurité complète.