Energie du vivant

Le vivant se définit par sa capacité à vivre. En biologie, un être vivant ou organisme est un système organisé qui possède des structures complexes : macromolécules, cellules, tissus, organes, appareils. Les caractéristiques d’un être vivant sont multiples : la cellule, il peut être constitué d’une seule cellule (organisme unicellulaire) ou de plusieurs cellules (organisme pluricellulaire) ; la reproduction et la croissance ; le besoin d’énergie ; les échanges avec le milieu ; la durée de vie limitée et la production de déchets. De nombreux mécanismes sont communs à tous les êtres vivants, quelque soit l’ordre auquel ils appartiennent (archée, procaryotes, eucaryotes), citons le code génétique et pour les échanges d’énergie le rôle central de l’adénosine triphosphate (ATP).
Chez les organismes vivants, la vie est maintenue grâce à l’apport continu d’énergie qui préserve leur équilibre interne. Ils produisent et consomment de l’énergie.
Seuls les êtres vivants sont capables de produire la matière qui les constitue en prélevant dans le milieu qui les entoure les nutriments et les minéraux ou en consommant d’autres êtres vivants. Ceux capables de produire leur propre matière organique sont les « producteurs », les autres sont des « consommateurs » primaires, secondaires ou tertiaires et des décomposeurs. Ces organismes constituent la chaîne alimentaire.

ac Grenoble

Les organismes ont besoin d’énergie. Le terme « énergie » vient du latin energia, lui-même issu du grec ancien ἐνέργεια/energeia qui signifie ≪ force en action ≫. De manière très générale et conceptuelle, quelque soit le domaine d’étude et d’observation, on appelle énergie l’élément nécessaire pour provoquer un changement de situation, c’est à dire faire évoluer ce que l’on observe d’un état initial à un état modifié. L’énergie est fondamentale et à l’origine de nos capacités d’actions et de transformations dans ce monde. D’un point de vue physique, l’énergie correspond à la capacité d’un système à exécuter un travail dont le résultat correspondra à un ou une combinaison de déplacement (mouvement), production de chaleur, lumière, électricité…
Les processus énergétiques mises en œuvre par le vivant ont principalement pour base l’oxydoréduction ou transfert d’électrons. Ces mécanismes résultent d’une longue évolution depuis les premières formes de vie jusqu’à aujourd’hui. Ces processus sont au nombre de quatre :

• deux « stockent » de l’énergie en fabriquant leur propre matière organique à partir de matières inorganiques (prébiotique) : la photosynthèse et la chimiosynthèse ;

• deux libèrent l’énergie stockée dans les molécules organiques : la respiration cellulaire et la fermentation.

La photosynthèse

La photosynthèse est le processus bioénergétique qui permet aux plantes et à certaines bactéries de synthétiser de la matière organique en transformant de l’énergie lumineuse (photons) en énergie chimique. C’est la principale voie de transformation du carbone minéral en carbone organique. Lire la suite

La chimiosynthèse

Certaines théories de l’évolution et de l’origine de la vie posent l’hypothèse que la vie ait pu apparaître avec des espèces utilisant la chimiosynthèse. Connue depuis le dix-neuvième siècle, cette voie métabolique de synthèse de composés organiques consiste à coupler la réduction endothermique du dioxyde de carbone (gaz carbonique CO2) avec l’oxydation du soufre, du fer, du manganèse, etc… présents dans le milieu pour édifier de grosses molécules organiques. Cette chimiosynthèse permet aux bactéries du sol, des fonds vaseux et des sources hydrothermales des abysses de mener une vie autotrophe.
Beaucoup de micro-organismes vivant dans les zones sombres et profondes des océans peuvent utiliser la chimiosynthèse pour produire de la biomasse à partir de molécules carbonées. Deux catégories principales peuvent être distinguées :

• l’énergie de la chimiosynthèse provient de réactions impliquant l’oxydation des substances telles que le sulfure d’hydrogène (H2S) ou de l’ammoniac (NH3) en présence ou non d’oxygène dans le milieu ;

• dans quelques rares sites où des molécules de dihydrogène (H2) sont disponibles, l’énergie disponible à partir de la réaction entre le CO2 et H2 (conduisant à la production de méthane, CH4) peut être suffisamment importante pour entraîner la production de biomasse.

Dans les environnements où la lumière ne pénètre pas, ou dans certains environnements extrêmes (très chauds, anoxiques…), seuls des micro-organismes chimiosynthétiques peuvent vivre. Ils peuvent à leur tour être consommés par d’autres organismes dans l’océan. Ils peuvent aussi faire partie d’associations symbiotiques entre organismes chimiosynthétiques et organismes hétérotrophes. C’est ce qui se produit autour des sources hydrothermales. Dans ces milieux, bien moins rares qu’on ne le pensait autrefois, des populations significatives, de plus d’une centaine d’espèces d’animaux peuvent vivre à partir de la production primaire chimiosynthétiques de quelques espèces exploitant les sources hydrothermales, clathrates de méthane, les suintements froids, ou cadavres de grands cétacés en décomposition.

La respiration cellulaire

La respiration cellulaire est l’ensemble des processus du métabolisme cellulaire (catabolisme) qui convertit l’énergie chimique contenue dans les nutriments : oses (glucides), acides aminés (peptides), acides gras (lipides) en adénosine triphosphate (ATP). L’oxydation des molécules organiques entraîne la formation de CO2, d’eau et d’énergie, énergie qui permet la synthèse d’ATP, accumulateurs d’énergie. La respiration cellulaire nécessite donc un apport constant en O2. Les réactions complexes, en particulier le cycle de Krebs se déroulent dans les mitochondries, organites qui se trouvent dans le cytoplasme des cellules eucaryotes, et dans le cytosol des bactéries. La respiration cellulaire fournit l’énergie nécessaire à une cellule pour fonctionner. Lire la suite

Fermentation

La fermentation est un processus qui permet à certains êtres microscopiques vivants dans des milieux sans oxygène (anaérobie) comme des bactéries, des levures (champignons unicellulaires) de produire de l’énergie sous forme d’adénosine triphosphate (ATP) à partir de molécules organiques. Plus précisément, la fermentation est un mode de respiration cellulaire qui met en œuvre un système de transfert d’électrons reposant sur des petites molécules solubles du cytosol — souvent des acides organiques ou leurs dérivés — et non sur une chaîne respiratoire membranaire. La production d’ATP se fait souvent par phosphorylation au niveau du substrat. Dans la fermentation, la production d’ATP est plus faible car la dégradation des molécules organiques est partielle mais est en revanche plus rapide que par phosphorylation oxydative car elle se déroule dans le compartiment cellulaire où l’ATP est consommé. Lire la suite

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