Image en en-tête : La molécule de glucose est une source universelle d’énergie chimique pour toutes les cellules vivantes de la Terre, avec ou sans oxygène. Source : https://www.instagram.com/p/Cx7u7R5RkDm/ (@Microbiologyupdate).
Sur une planète où il y a de la vie, le carbone duCO2 est massivement réduit par cette vie. D’une part, pour fabriquer des biomolécules à partir desquelles la cellule vivante construit son corps. D’autre part, pour décomposer (réoxyder) cette molécule de carbone réduit et ainsi en tirer de l’énergie. le schéma ci-dessous résume cela. Nous reviendrons plus loin sur ce schéma.
Le CO2 se trouve partout dans le système solaire (et au-delà) en grandes quantités. Il est très répandu. Il est également réduit sans vie (abiotiquement) dans des réactions spontanées, mais pas aussi massivement que par la vie. Le carbone réduit spontanément apparaît dans une grande variété de molécules, mais pas dans les grandes molécules organiques plus complexes, pas dans les grandes « biomolécules » en d’autres termes. De nombreuses molécules organiques ont déjà été découvertes sur des astéroïdes et des comètes. L’une des découvertes récentes les plus frappantes provient de l’échantillon ramené sur Terre par la mission OSIRIS-REX (NASA) depuis l’astéroïde Bennu. Dans cet échantillon, on a trouvé les cinq nucléotides à partir desquels l’ADN et l’ARN sont fabriqués, ainsi que 14 des 20 acides aminés que la vie terrestre utilise pour construire toutes ses protéines. Il peut donc être clair que le carbone peut être réduit spontanément sans l’intervention de la vie, et que même la plupart des unités de base à partir desquelles les biomolécules sont fabriquées peuvent effectivement apparaître d’elles-mêmes. Mais encore une fois : réduire massivement le carbone pour ensuite fabriquer des substances organiques tout aussi massivement plus complexes avec lui, seule la vie le fait pour autant que nous le sachions.
Revenons un instant sur le schéma qui donne une vue d’ensemble de tout le métabolisme. Il montre comment les cellules vivantes utilisent la forme oxydée commune du carbone – leCO2 – pour construire leur propre corps d’une part, et pour récolter de l’énergie à partir de la forme réduite du carbone d’autre part. Le GLUCOSE est la molécule symbolisée dans le diagramme pour la forme réduite du carbone. Mais comment cette simple molécule peut-elle représenter un fait super-complexe comme les cellules vivantes avec toute leur activité chimique ? La vie est constituée de quatre grands groupes de biomolécules (graisses, sucres, protéines, acides nucléiques), et pas seulement de glucose. Qu’en penses-tu ?
La réponse, très complète, se trouve sur le poster mondialement connu de Roche Biochemical Pathways. Les fans qui n’ont pas encore ce poster chez eux devraient le commander au plus vite en utilisant le bouton ci-dessous. Il te sera livré gratuitement par la poste ! Tu peux aussi déjà télécharger son image numérique ici sur astrobiology.co.uk.
Il s’agit d’une vue d’ensemble de toutes les étapes biochimiques essentielles que les cellules vivantes utilisent pour transformer le glucose ou d’autres aliments en toutes les biomolécules dont elles ont besoin. En suivant certaines voies indiquées sur le poster, tu peux en fait fabriquer toutes les graisses, les protéines, les acides nucléiques ou les sucres que tu veux. Et les cellules vivantes sont construites de telle sorte qu’elles possèdent toutes les enzymes et les structures nécessaires pour emprunter ces voies biochimiques particulières (« chemins »). Le sens inverse est également possible. Si nous mangeons d’autres organismes, nous pouvons reconvertir toutes les biomolécules mangées en glucose ou en d’autres biomolécules dans nos cellules.
Pourquoi le glucose a-t-il été choisi comme point de départ de toutes les voies biochimiques nécessaires ? Eh bien, le glucose est effectivement le point de départ des voies les plus couramment utilisées (« voies ») dans la vie sur Terre. Dans ce cours, résumé de façon très succincte, nous allons voir de quelles voies il s’agit principalement. Plus loin dans ce chapitre « partie 2 », nous aborderons plusieurs exemples.
Les autotrophes sont les « producteurs
Nous pouvons diviser le diagramme ci-dessous en deux moitiés, l’une gauche et l’autre droite. Toutes les vies ne peuvent pas compléter le diagramme de gauche à droite.
Pour la moitié gauche : pour transformer leCO2 (carbone oxydé) en glucose (carbone réduit), tu dois faire partie des organismes « autotrophes ». Autotrophe signifie littéralement « qui se nourrit de lui-même ». Ces organismes sont capables d’auto-réduire leCO2 de l’air ou de l’eau, c’est-à-dire d’ajouter un électron au carbone. Après de nombreuses étapes intermédiaires, la molécule de départ, le glucose, est créée, avec laquelle toute vie peut continuer à se nourrir. Ce processus est également appelé « fixation du carbone ». Il existe au total 6 façons connues de fixer le carbone. Toutes les six utilisent l’énergie de l’environnement et s’emparent d’un électron d’une autre molécule de l’environnement pour permettre la réduction du carbone. La molécule à laquelle ils arrachent un électron est appelée le donneur d’électrons. Certains utilisent l’énergie de la lumière pour ce processus (photosynthèse), tandis que d’autres utilisent l’énergie de liaison des molécules de l’environnement (chimiosynthèse). Nous allons aborder des exemples de ces deux types d’organismes dans le cadre des « étapes » de la vie sur Terre. Les organismes capables de fixer le carbone fournissent donc de la nourriture à tout le monde : à eux-mêmes et à tous les organismes hétérotrophes (= non autotrophes). C’est pourquoi nous les appelons aussi les « producteurs ».
Tout le monde est un « consommateur
Les autotrophes sont donc capables de fixer le carbone (à gauche : duCO2 au glucose). Les hétérotrophes ne peuvent pas le faire et doivent donc toujours se nourrir de biomolécules fabriquées par les autotrophes. Les hétérotrophes se trouvent uniquement sur le côté droit du diagramme, où les biomolécules sont fabriquées à partir du glucose d’une part (graisses, ADN/ARN, sucres et protéines) et où le glucose est décomposé pour en tirer de l’énergie d’autre part. Cette énergie est toujours stockée dans des molécules d’ATP (voir ci-dessous). Les biomolécules qui constituent le corps cellulaire sont fabriquées à partir de toutes sortes d’intermédiaires issus de la décomposition du glucose. L’élaboration de nouvelles biomolécules est appelée anabolisme (la partie « construction » du métabolisme). Comme les hétérotrophes utilisent la nourriture fabriquée à l’origine par les autotrophes, ils sont appelés consommateurs.
Mais ne te méprends pas, les autotrophes sont, bien sûr, eux-mêmes des consommateurs. Ils se trouvent eux aussi du côté droit du diagramme. Chaque cellule vivante doit construire son corps en fabriquant toutes sortes de biomolécules, et chaque cellule vivante a constamment besoin d’énergie (ATP) pour rester en vie et faire tout ce qu’une cellule fait. En d’autres termes, tous les êtres vivants sur Terre sont des consommateurs, et seuls certains sont également des producteurs.
Rappelle-toi que les autotrophes ont emprunté un électron à une molécule extérieure (le donneur d’électrons) pour réduire le carbone. Tu verras dans les exemples plus loin qu’en fin de parcours, après la décomposition du glucose (catabolisme), un électron est finalement redonné à une autre molécule, l’accepteur d’électrons. L’exemple le plus connu d’un tel accepteur d’électrons est l’oxygène, la raison pour laquelle nous respirons. Une fois que l’électron a été donné à l’oxygène, il va être transformé enH2O, c’est-à-dire en eau.
La Terre aujourd’hui avec ses plantes et ses animaux
Sur Terre, la vie est dominée par deux variantes des principes décrits ci-dessus. La fixation du carbone se produit principalement par la photosynthèse dans laquelle l’eau est le donneur d’électrons, émettant de l’oxygène gazeux. C’est le travail des producteurs dominants, à savoir toutes les plantes et les cyanobactéries. À leur tour, les consommateurs dominants sont tous les organismes qui mangent d’autres organismes (hétérotrophes) et qui pratiquent la respiration avec de l’oxygène gazeux (respiration aérobie). L’oxygène est ici l’accepteur d’électrons. Toutes les formes de vie complexes procèdent ainsi : les plantes, les animaux, les champignons et les organismes unicellulaires complexes. Il y a aussi beaucoup de bactéries et d’archées qui font de même.
Que ces formes de métabolisme soient dominantes dans la vie terrestre n’a pas toujours été le cas. Et tout au long de l’histoire de la Terre, d’autres formes de métabolisme ont également persisté et joué un rôle important dans l’ensemble du cycle du métabolisme des nutriments et de l’énergie. C’est encore le cas aujourd’hui. Pour les astrobiologistes, il est crucial de comprendre toutes ces différentes formes de métabolisme sur terre. Nous en avons besoin pour comprendre l’origine de la vie sur une planète et pour estimer quels endroits sont habitables ou non. Beaucoup d’organismes vivent dans des endroits extrêmes où d’autres formes de métabolisme sont nécessaires pour survivre. Nous ne pouvons certainement pas nous limiter à des conditions comme celles de la planète Terre d’aujourd’hui, où la lumière du soleil et l’oxygène sont disponibles en abondance.