La photosynthèse, un concept incontournable

L'auteur propose de suivre, pas à pas, en partant de l'école primaire pour arriver à l'université, un parcours concernant la notion de photosynthèse - une fonction primordiale du vivant, pourtant mal aimée et mal connue.

Peut-être n'est-il pas inutile de nous remettre à l'esprit ce qui caractérise " un concept " et quelques éléments relatifs à la " conceptualisation " ?
Une pierre, une chose, une fonction, une manière de faire, etc., sont toutes identifiables par un (parfois plusieurs) mot de vocabulaire qui tout compte fait symbolise la réalité en question (Britt-Mari Barth).
Le mot utilisé est une étiquette permettant, normalement, d'identifier ce qu'on veut désigner... Le mot seul est vide de sens. Le sens, une fois construit appelle à être " nommé ". C'est le jeu bien connu du couple " signifiant - signifié ".
Un enjeu essentiel de l'enseignement est bel et bien de construire du sens, de contrôler si le sens " caché " derrière les mots utilisés par les enfants est bien correct ; c'est-à-dire que les caractéristiques (on dit les attributs) attachés au mot sont bien ceux qui sont admis par tout le monde. Le dernier enjeu de l'apprentissage est d'amender si nécessaire les attributs attachés à l'étiquette.
Par jeu on pourrait utiliser l'analogie du pot de confiture. Ce qui nous importe c'est évidemment la confiture. C'est en la regardant, en la humant, en la goûtant qu'on en identifie le sens. Les étiquettes " groseille " ou " cerise " ne sont là que comme indicateurs. Elles pourraient être malencontreusement interverties et alors transmettre une information erronée. C'est ce qui se passe quand un mot est utilisé dans un sens par une personne et compris dans un autre sens par l'auditeur. Source de bien des malentendus. Catastrophe dans le cas d'une situation d'enseignement. Les dictionnaires nous aident à identifier le (parfois les !) sens de chacune des étiquettes disponibles dans notre langage.

LA NOTION PORTÉE PAR L'ÉTIQUETTE " PHOTOSYNTHÈSE "

Parmi les notions scolaires, dépliables de la maternelle à l'université, notre attention se tournera vers la notion portée par l'étiquette " photosynthèse ". Ce choix peut se défendre par le fait qu'il s'agit d'une fonction primordiale à la compréhension des équilibres naturels. Son introduction au sein du vocabulaire scientifique est dû au botaniste Barnes (1892) mais pas mal d'approches antérieures en installaient le concept.
C'est grâce à ce concept que peut se comprendre le fonctionnement de la chaîne alimentaire. En effet, la notion biologique de base est ici celle de la " production de nourriture ". Or une observation rapide des chemins suivis par l'alimentation (y compris bien entendu la nôtre) conduit aisément à modéliser " la chaîne alimentaire " ou " la pyramide alimentaire ". Les producteurs y sont le maillon essentiel, premier, et peut donc être jugé primordial. Des producteurs dépend l'ensemble de l'alimentation des autres vivants. Or le " mécanisme " de production est bien identifiable, en première approximation, à celui de la photosynthèse.
Pour percevoir l'équilibre écologique de base de tous les écosystèmes, la mise en relief de la complémentarité des fonctions de photosynthèse (production) et de respiration (combustion) est indispensable. En effet la notion même d'équilibre y est attachée : les produits de l'une des deux fonctions correspondent (globalement) aux réactifs de l'autre. Ainsi donc ces deux fonctions énergétiques sont-elles utiles à conceptualiser d'une part, à se distinguer d'autre part, à se complémenter enfin. Ce stade étant un élément de base de la construction du concept "écosystème ".
Détecté par les phyto-physiologistes comme " un déchet métabolique ", l'oxygène n'en reste pas moins un gaz dont chacun convient qu'il est essentiel sinon à La vie, au moins à Notre vie. Attention, la photosynthèse ne peut pas être lue comme une fonction végétale " qui sert à produire de l'oxygène ", (ce serait une vision par trop finaliste) ; mais elle en est néanmoins la source quasi unique. Connaître cette source, le mécanisme qui assure la production de ce gaz vital, n'est pas dénué de sens pour le commun des mortels.
" Photosynthèse " reste pourtant un terme un peu technique dont les quatre définitions⁽¹⁾ qui suivent montrent à souhait les possibles ambiguïtés de compréhension.
Selon la définition consultée on remarquera aisément que différents niveaux d'approche peuvent être envisagés.
Une clé pour établir la progression des apprentissages de la maternelle à l'université est sans doute la clé du niveau des approches. En règle générale, le niveau de l'organisme (celui où nous nous situons nous-mêmes) est le plus accessible. C'est seulement plus tard que soit le niveau macroscopique (celui de l'écosystème), soit les niveaux microscopiques (cellulaire d'abord, moléculaire ensuite) peuvent être perceptibles.
Pour ce qui est de la compréhension, y aurait-il des obstacles détectables (aides précieux pour le travail de l'enseignant) à une conceptualisation correcte et/ou à l'approche du concept dans une forme qui respecte le savoir scientifique et ses postulats épistémologiques ?

Une anecdote...
Je ne peux m'empêcher de relater l'anecdote suivante, vécue dans une classe de première année de l'enseignement secondaire. À la question " massive " de l'enseignant qui voulait sans doute savoir ce que les élèves connaissaient sur le sujet, un jeune garçon d'une douzaine d'années lui répondit après un petit moment de réflexion :
" photosynthèse ? c'est une photo où tous les membres de la famille sont bien présents ".
Belle preuve d'intelligence " analytique " où l'élément " photo " l'a conduit rapidement au concept de photographie (évidemment !) et où celui de " synthèse " lui aura sans doute rappelé la règle scolaire, que dans une synthèse, " tout doit se retrouver...". On imagine la suite. Merci à lui de nous stimuler à la réflexion didactique !
Lors de l'application expérimentale de l'ouvrage "Biologie Science expérimentale 3e ", nous avons pu recueillir, en collaboration avec près de 25 collègues enseignants du secondaire, et avec une très forte fréquence, l'interprétation suivante :
" Les plantes font de l'oxygène pour nous ".
Nous avons repéré à l'époque (1980) que cette lecture franchement " finaliste " d'un phénomène naturel relativement éloigné de leur propre vécu était systématiquement accentuée par la découpe même du cours. En effet le développement de cette partie du programme était proposé en terme de complémentarité respiration > puis > photosynthèse. L'un premier l'autre second. L'importance de l'oxygène était donc très exploitée dans le premier temps... et se poursuivait " naturellement " dans le second temps.
L'expérimentation didactique s'est donc engagée dans une restructuration complète associant les deux fonctions dans l'ordre inverse : photosynthèse >puis> respiration. Cette expérimentation a bien récolté les fruits attendus : près de 88% des élèves concernés parvenaient, à la suite du cours restructuré, à ne plus utiliser spontanément dans leur discours cette dimension finalisée de la production d'oxygène par les plantes.

André Giordan (2001) nous livre lui aussi quelques points d'analyse des " représentations " des jeunes sur le phénomène qui nous occupe. Il relate ainsi les conceptions suivantes sur la photosynthèse.

Bref, l'essentiel du phénomène de biosynthèse n'est guère présent. Lorsqu'il l'est, il passe loin derrière d'autres aspects, le plus souvent anthropomorphiques.
Quelles sont les conceptions spontanées au sortir des études secondaires (RD. 2003) ?
À la question posée - qu'est-ce que la photosynthèse - (hors contexte d'évaluation scolaire), voyons ce que répondent les jeunes gens et les jeunes filles au sortir des études secondaires.
Le tableau en bas de page montre l'analyse des réponses de 119 étudiants à cette question.
La conception d'une " transformation " de quelque chose en autre chose est présente chez 32% des réponses, mais toutes les possibilités sont envisagées par l'un ou l'autre étudiant : depuis la transformation de l'oxygène en nourriture, jusqu'à la transformation de l'énergie en lumière..., en passant par la transformation des sels minéraux en glucose...
10% des étudiants identifient la photosynthèse à la "respiration chez la plante ".
Quant à ceux qui s'aventurent à y mettre une modélisation sous forme d'une équation chimique, seulement 7% en proposent une qui soit acceptable (mais cette proportion représente quand même 30% de ceux qui s'expriment sous cette forme, disons " scientifique ".
Certains ont tenu à accompagner leur explication d'un petit croquis explicatif. Ils ne font, de manière tout à fait générale, que de redonner sous forme graphique les informations par ailleurs rédigées. Certains se contentent du dessin.

ET COMMENT POURRAIT-ON S'Y PRENDRE POUR ASSURER LA CONSTRUCTION DU CONCEPT ?

Avant de s'engager dans la pratique didactique, sans doute est-il de bon conseil de parcourir divers chemins d'approche du savoir concerné. Nous en distinguons trois. C'est indéniablement aussi une (triple) clé pour la construction des apprentissages.
Celui du cheminement historique, nous paraît être propice à repérer le cheminement des scientifiques, leurs modélisations antérieures (souvent arrive-t-il que nous repassions par les mêmes types de modélisations), les expériences " déclencheuses " (en tout cas qui ont été retenues comme telles dans l'histoire des sciences).
Celui du savoir scientifique " actualisé " souvent complexe à souhait étant donné le développement actuel des explications cytologiques et biochimiques. Mais qui, à la fois, font apparaître l'essence du mécanisme (le noyau généralisable pour identifier le phénomène) et sa complexité (biochimique) située dans le temps, dans l'espace cellulaire le plus souvent.
Celui du savoir vulgarisé qui permet de pointer les " liens utiles " à établir pour la compréhension fine, pour identifier suffisamment les implications du phénomène dans la vie quotidienne.
Fort de ces trois sources, le didacticien peut alors (et peut-être alors seulement) se mettre à l'ouvrage et construire pour les apprenants la batterie d'exercices, de tâches à conduire, de problèmes à résoudre, de règles à respecter, de notions à conceptualiser...

ENFIN, COMMENT " ÉTALER " LES APPRENTISSAGES AU LONG DE LA SCOLARITÉ ?

Nous distinguerons quelques niveaux de progression didactique :

Niveau I, celui de l'enseignement fondamental

• Les animaux mangent des plantes ou d'autres animaux (qui eux mangent des plantes)...
• Les plantes grandissent d'elles-mêmes, il suffit de les arroser de temps en temps.
• À la lumière, les plantes peuvent vivre (grotte, près d'un spot de lumière).
• En entrant dans un endroit naturel obscur (grotte) il n'y a plus de plantes... (dramatisation).
• Au noir, les plantes ne se développent pas (grotte / pot dans la pelouse... ) (expérimentation).
• Dans les grottes, on observe quelques petites plantes autour des points lumineux.
• Les cultures agricoles assurent la production de nourriture, grâce aux plantes.
• Les plantes produisent de la nourriture que nous exploitons (cultures diverses / carottes / pommes de terre / etc.).
• Les plantes sont mangées par les animaux en tous genres (forêts, feuilles, pucerons, etc.)
• ...

Approche essentiellement " phénoménologique " : les faits sont établis et reliés entre eux aux yeux des enfants. Ce niveau d'approche permet de multiplier les occasions d'étonnement, d'observation, d'expérimentations simples et directes et évite les " explications savantes " faisant appel à des notions chimiques ou autres abstractions complexes. Pas d'utilisation du terme " photosynthèse ".

Niveau II, celui du premier cycle de l'enseignement secondaire (11-13 ans)

• Il y a une suite de " mangeurs " " mangés " qui forment une sorte de chaîne dont le premier maillon est formé des plantes vertes.
• Les plantes produisent des substances nutritives.
• La chlorophylle et la lumière sont nécessaires pour la production végétale.
• ...

L'approche conceptuelle de la nutrition des plantes peut être poursuivie dès les premières années du secondaire, mais il semble opportun de la limiter, à ce moment, à des aspects sensibles (et d'écarter un moment - en tout cas sans un investissement didactique important du côté chimique - l'approche moléculaire et les équations chimiques complexes).

Niveau III, celui du second cycle de l'enseignement secondaire (14-15 ans)

• Comment les plantes produisent-elles des substances nutritives : expérimentation.
• L'eau, les sels minéraux et le gaz carbonique sont à l'origine de la production végétale.
• L'oxygène provient de la décomposition de l'eau (photolyse).
• Modélisation progressive et construction, pas à pas, des éléments de l'équation chimique de base de la photosynthèse ⁽²⁾
•...

L’équation globale est construite pas à pas. On peut même la " déplier " en faisant apparaître l'origine moléculaire de l'oxygène (c'est-à-dire la décomposition de l'eau par la lumière : photolyse).
Les lieux où la photosynthèse s'effectue sont de plus en plus cernés : les cellules vertes des plantes sont identifiées comme " responsables " de cette fonction.

Niveau IV, celui du second cycle de l'enseignement secondaire (16-18 ans)

• La photosynthèse chlorophyllienne s'effectue au sein des chloroplastes.
• On peut identifier une phase où la lumière est nécessaire (phase claire) et une phase où elle est inutile (phase sombre).
• Quelles conséquences écologiques au temps des premières productions photosynthétiques ?
• ...

Le mécanisme chimique est resitué au niveau cellulaire (chloroplaste).
Le phénomène " photosynthèse " est restitué dans les temps évolutifs (antérieur à la présence d'oxygène sur terre / possible avec l'apparition préalable de C02 par les fermentations bactériennes / rééquilibrage avec l'apparition de la respiration).

Niveau V, celui de l'enseignement universitaire (premières années orientation scientifique)

• Deux photo-systèmes chlorophylliens interviennent dans la photosynthèse (systèmes II et I) ; les résultats sont : la cassure de molécules d'eau en oxygène et hydrogène / le transport d'hydrogène vers le NADPH2 .
• Le NADPH2 peut, avec des sources d'énergie propres (ATP), assurer la réduction de molécules de gaz carbonique au sein d'une chaîne cyclique de substances organiques (dont le PGAL).
• On distingue des plantes à photosynthèse en C4 et en C5 (selon les substances réceptrices du CO2).
• ...

Les niveaux cytologiques et biochimiques sont abordés : photosystèmes / cycle de calvin / distinction entre les voies métaboliques...

Enfin, nous réservons à ce moment l'approche " recherche " qui pourrait constituer un sixième niveau. On aurait ainsi déterminé des niveaux didactiques d'approche " concentriques " pour la construction conceptuelle de la fonction photosynthétique...
Pour chacun d'entre eux, les enseignants devraient pouvoir bénéficier d'une panoplie d'activités, ou d'approches didactiques, testées et dont chacune soit respectueuse du niveau pour lequel elle est pensée. Pourrait-on alors espérer que cette " fonction primordiale des végétaux verts " soit mieux connue, mieux aimée et respectée dans des actes concrets vis-à-vis des plantes ?

Daniel Rousselet
Instituteur, Agrégé en Biologie, Docteur en Sciences de l'éducation.
Professeur aux Facultés Universitaires de Namur et dans la Haute École Catholique de Namur.

Notes
(1) Nous avons volontairement écarté les définitions franchement erronées parfois présentes dans les glossaires de certains ouvrages prétendument " de formation scientifique ". Difficulté donc, pour le non spécialiste, de séparer le bon grain de l'ivraie !
(2) Copies d'un développement didactique complet, relatif à la photosynthèse (Biologie science expérimentale 3°) peuvent être obtenue auprès de daniel.rousselet@fundp.ac.be

Bibliographie
BARTH B.-M. (1987), L'apprentissage de l'abstraction, Retz, Paris.
CAMPBELL N. A. (1995), Biologie, De Boeck Université, Bruxelles.
DE WIT C. D. HENDRICK (1997), La vie racontée, une biographie de la Biologie, Presses polytechniques et universitaires romandes, Lausanne.
GIORDAN A. (2001), Pédagogie de la vulgarisation du savoir scientifique, Résonances, Sion(CH).
AZLIAK P. (1974), Physiologie végétale, nutrition et métabolisme, Hemann, Paris.
RAVEN P. H., EVERT R. F., EICHHORN S. E. (2000), Biologie Végétale, De Boeck Université, Bruxelles.
ROUSSELET D. (1998), Biologie Science Expérimentale 3e, De Boeck, Bruxelles.
ROUSSELET D., " Les Préconceptions, appuis pour la mise au point des outils didactiques ", in GIORDAN, GIRAULT et CLEMENT, (1994) Conceptions et connaissances, Peter Lang, Berne.
TAYLOR G. R. (1963), Histoire illustrée de la Biologie, Hachette, Paris.