CARACTÉRISTIQUES IDENTIFIANT LE MONDE VIVANT

 CARACTÉRISTIQUES IDENTIFIANT LE MONDE VIVANT

1.1. Composition chimique élémentaire de la matière vivante

Bien que n’apportant pas de renseignements directement utiles aux biologistes, la comparaison de la composition atomique de la matière vivante actuelle avec celle des éléments de la biosphère (la croûte terrestre : atmosphère + hydrosphère + lithosphère) est intéressante ; elle souligne en effet les caractères originaux de la constitution chimique du monde vivant. L’analyse des atomes constitutifs de divers êtres vivants, comparée à celle du monde minéral (voir tableau 1.1), permet de tirer les conclusions suivantes :

– tous les atomes constitutifs des êtres vivants se rencontrent aussi dans la croûte, ce qui semble logique dans la mesure où la vie a pris naissance à la surface de la Terre, bien que les choses soient plus compliquées (voir chapitre 15). Il y a cependant peu de ressemblances entre les deux listes, classées par ordre décroissant d’abondance ;

– seuls 20 à 25 éléments sont recensés chez les êtres vivants, la variation portant sur certains atomes rares non représentés dans toutes les espèces. On

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Tableau 1.1

Composition pondérale élémentaire comparée entre la biosphère et deux types d’organismes : animal (corps humain) et végétal (pied de luzerne)
Trois groupes d’atomes, respectivement abondants, peu abondants et rares peuvent être distingués chez les êtres vivants ; quatre éléments : C, H, O, N, rendent compte de plus de 96 % de la masse de ces derniers. L’abondance en O, significativement supérieure chez les Végétaux, tient au degré d’hydratation plus élevé en moyenne chez les cellules végétales, relativement aux cellules animales. (D’après G. Bertrand, 1951).

distingue trois groupes, selon leur importance : 4 atomes abondants, 7 atomes moyennement oupeu abondants, environ 15 atomes «traces», dont une dizaine sont universels et indispensables à la vie ; les deux premières catégories représentent à elles seules 99 % de la masse totale ;
– la matière vivante sélectionne de façon considé- rable certains éléments du milieu : N (170 fois), C (100 fois), H (10 fois), S et P (6 fois), de sorte que la composition chimique globale des êtres vivants est qualitativement différente de celle du monde minéral ;
– l’oxygène est l’élément le plus représenté dans les deux mondes, car il est un constituant de l’eau ; il est le plus lourd de ceux abondants chez les êtres vivants et le plus léger de ceux abondants dans la croûte terrestre ;
– en dehors de l’oxygène, le monde vivant est caractérisé par le carbone (monde des molécules organiques) alors que le monde minéral est caractérisé par le silicium (monde des silicates). Il faut remarquer que les quatre éléments le plus abondants chez les êtres vivants : C, H, O, N, sont capables de réaliser des liaisons covalentes en mettant en œuvre : 1 électron (H), 2 électrons (O), 3 électrons (N) et 4 électrons (C) pour saturer leurs orbitales périphériques (à 2 ou 8 positions). Ces éléments sont les plus légers qui soient capables de réaliser des liaisons covalentes (les trois derniers pouvant réaliser des liaisons simples, doubles ou triples) ; avec ces quatre atomes, les êtres vivants élaborent une grande diversité de biomolécules, depuis des molécules simples et de petite taille jusqu’à des macromolécules ayant une organisation très sophistiquée.

Le carbone a ainsi un rôle central en chimie organique car il peut, étant situé à mi-chemin entre les atomes électropositifs et électronégatifs, se combiner aisément avec O ou N, aussi bien qu’avec H (on parle alors de forme réduite). De plus, il se lie à lui-même pour donner des chaînes linéaires ou ramifiées, des cycles ou des structures tridimensionnelles. L’unique forme minérale de C directement accessible aux êtres vivants est le CO2 de l’atmosphère ou dissous dans l’eau, que seuls les Végétaux verts et quelques bactéries photosynthétiques sont capables d’extraire de la biosphère.

Outre ces atomes majeurs, deux autres, moins abondants, entrent aussi dans la constitution de certaines molécules organiques : S et P (dans les protéines et les acides nucléiques). Tous les autres éléments existent sous forme ionique, dissous dans les liquides intra- ou intercellulaires, où ils ont des fonctions capitales (cations : Na anions : Cl insolubles ou de complexes avec des macromolé- cules (en général des protéines). , K+ , Ca 2++ , NO3–, PO43–, etc.), sous forme de sels–

1.2. Organisation macro- et microscopique

Les êtres vivants les plus accessibles à l’observation directe (dite macroscopique) sont caractérisés par une morphologie et une organisation générale très diverses et souvent complexes ; celles-ci ont servi depuis longtemps à classer les millions d’espèces vivantes et à poser les premiers jalons de la théorie de l’évolution. C’est aussi cette morphologie caractéristique qui permet aux paléontologues de reconnaître, par analogie, dans des formations entièrement minéralisées la pré- sence d’organismes fossilisés et incorporés au monde inanimé ; s’accompagnant de symétries (par rapport à un axe ou un plan), elle constitue donc dans un premier temps un bon critère d’identification. Il peut y avoir cependant des difficultés avec certains cas particuliers d’êtres vivants contractant des liens étroits avec le milieuminéral (Lichens incrustants, par exemple) ou bien eux-mêmes fortement minéralisés (Algues calcaires). Cette diversité, qui frappe d’abord l’observateur, cache malgré tout une profonde unité de structure et de composition des êtres vivants. cette complexité se manifeste le plus, et ce, jusqu’à l’échelle des cellules, qui représentent les plus petites unités de vie. L’utilisation du microscope et les techniques de la cytologie sont alors indispensables pour en réaliser l’analyse (voir chapitre 2) ; un organisme animal supérieur contient plus de 200 types cellulaires différents ! L’existence de structures emboîtées : organes, tissus, cellules, organites, édifices supramoléculaires, apparaissent gazeux fondamentalement caractéristiques du monde vivant et le différencient des constructions miné- rales simples que sont les cristaux. La variété et la complexité des roches que les géologues identifient dans le monde minéral sont moins grandes que celles des structures observées chez les organismes vivants, à tous les niveaux d’organisation.
Des structures biologiques microscopiques ont été C’est au niveau de l’organisation interne que exceptionnellement conservées de façon convenable dans des fossiles, au point qu’on peut dater (précurseurs), grâce à cette énergie et 3) assemblage de ces précurseurs en macromolécules à l’apparition, au cours des temps géologiques, des premières cellules procaryotiques ou eucaryotiques (voir chapitre 16). L’organisation précise de ces cellules sera donnée dans le chapitre suivant.

1.3. Métabolisme

Les organismes vivants prélèvent leur matière (minérale ou organique) dans le milieu, mais géné- ralement ils la décomposent, la réorganisent (en consommant pour cela de l’énergie) avant d’en faire leur propre matière : c’est une croissance «par l’intérieur», par opposition à la croissance «par l’extérieur» d’un cristal, dans le monde miné- ral. Ce dernier s’accroît en surface, en effet, à partir de sa solution saturée, tout en gardant une certaine symétrie. Il peut aussi se fragmenter, disparaître, avoir des formes variables en fonction des paramètres du milieu, mais tout cela n’a rien à voir avec la vie, même si cela la mime parfois.
Les êtres vivants ont la capacité unique d’extraire de l’énergie à partir de leur environnement et de la transformer pour construire leurs propres structures. Celle-ci se présente soit sous une forme physique : radiations lumineuses, soit sous la forme de molécules minérales ou organiques, qui sont modifiées et/ou dégradées pour libérer l’énergie contenue dans leurs liaisons chimiques.

L’énergie ainsi produite est aussi transformée en travail mécanique (à l’échelle des cellules et des organismes), en travail osmotique (échanges ioniques) ou simplement en chaleur. En l’absence de toute croissance, le simple renouvellement permanent des constituants de la matière vivante (turn-over) et l’entretien des structures spécifiques exige la mise en œuvre des mêmes processus. Cette activité chimique, appelée métabolisme, implique des échanges permanents de matière et d’énergie avec l’environnement ; l’absence absolue de tels échanges est le seul vrai signe de mort (à l’exception des cellules congelées à très basse température et capables de «revivre», après réchauffement).
Le métabolisme constitue un ensemble hautement intégré de réactions chimiques ayant trois fonctions précises : 1) extraction et stockage de l’énergie, 2) transformation des molécules exogènes en matériaux de construction de la cellule

1.4. Capacité de réaction

Cette expression recouvre une grande diversité de phénomènes et de mécanismes caractérisant à la fois les êtres vivants et la matière vivante ellemême ; ils peuvent en effet être décrits à toutes les échelles d’analyse : les organismes, les cellules et même les molécules isolées.
Les réactions des organismes animaux à des stimuli externes, physiques ou chimiques, sont bien connues ; elles mettent en jeu divers systèmes ou appareils : sensoriel, nerveux, musculaire…, souvent d’une grande complexité structurale, et qui induisent des réponses comportementales élaborées. Bien que des systèmes non vivants appartenant au domaine de la cybernétique puissent mimer certains comportements typiques du vivant, il n’y a pas de comparaison possible entre un moucheron et un robot, même sophistiqué, tous deux
attirés par une source lumineuse ! Les Végétaux eux-mêmes, plutôt inertes en général, manifestent parfois des réactions rapides et visibles : mouvements des feuilles de la sensitive, des plantes carnivores… Certaines Bactéries sont sensibles au champ magnétique terrestre et orientent leur déplacement en fonction de celui-ci !
Au sein des organismes et des cellules, tous les mécanismes de régulation visant à maintenir l’équilibre physicochimique du milieu intérieur ou du contenu cellulaire, à court ou long terme (homéostasie), relèvent également de cette capacité de réaction des êtres vivants vis-à-vis de facteurs externes. Les exemples en physiologie animale ou végétale ne manquent pas et ce manuel en décrira plusieurs à l’échelle cellulaire.
Le niveau moléculaire offre lui aussi de multiples illustrations d’une capacité de réponse pré- sentée par de nombreuses protéines. Les
modifications de la conformation générale des enzymes, des récepteurs et des transporteurs membranaires, des protéines de régulation des gènes…, sous l’action d’effecteurs ou de ligands variés, s’accompagnent invariablement d’une modification de leur fonctionnement. Il faut bien comprendre que tout ce qui se manifeste à l’échelle visible, macroscopique, et qui touche au concept d’excitabilité au sens large, trouve en dernière analyse son origine dans cette propriété remarquable des macromolécules protéiques, et qui appartient en propre à la matière vivante.

ron 3,5 milliards d’années, les premiers «systèmes vivants» étaient des objets (des êtres ?) beaucoup plus simples que ceux connus actuellement. Il ressort ainsi que les notions d’autoreproductibilité et d’évolution semblent fondamentales, avant celles de métabolisme et de structure, car elles peuvent déjà s’appliquer à des systèmes moléculaires élé- mentaires tels que les acides nucléiques, qui sont dotés de ces deux qualités, comme on le verra plus loin. La définition de la vie devrait être conçue et exprimée en termes plus larges que ceux généralement appliqués aux êtres vivants «traditionnels».

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