Vie inanimée

L’une des activités qui définissent les organismes est qu’à un moment donné de leur vie, ou tout au long de celle-ci, ils grandissent. La croissance nécessite l’acquisition de la matière et l’acquisition de la matière et l’incorporation de cette matière dans une forme vivante (c’est-à-dire dans des biomolécules) impliquent de l’énergie. La matière et l’énergie sont nécessaires, mais il est important de garder à l’esprit qu’il s’agit de deux entités distinctes qui ne sont PAS interconvertibles. Les transformations énergétiques que les organismes effectuent impliquent des manipulations de la matière mais elles N’impliquent PAS la conversion de la matière en énergie. L’énergie est obtenue en réorganisant la matière, principalement en convertissant les glucides et l’oxygène en dioxyde de carbone et en eau. Ce qui complique la compréhension, c’est que la matière est nécessaire de deux manières (Fig. 1): (1) matériellement, en fournissant les matériaux qui font partie de l’organisme plus grand: les organismes sont constitués de glucides, (2) énergétiquement, car l’énergie peut être rendue disponible lorsque la matière est réarrangée, p.ex., convertissant les glucides et l’oxygène en dioxyde de carbone et en eau. Bien que la matière soit réarrangée, elle ne se transforme pas en énergie.

Matière, Énergie et Lois de la thermodynamique

La matière et l’énergie sont des acteurs clés du processus de la vie à tous les niveaux : cellule, organisme et écosystème. La matière et l’énergie sont des idées familières, mais les idées fausses sont courantes, en particulier sur l’énergie et l’interaction entre la matière et l’énergie dans les systèmes biologiques. La matière est simple: elle a de la masse, occupe de l’espace et peut être classée en éléments (par exemple, carbone, hydrogène, oxygène) qui sont souvent présents dans des mélanges spécifiques appelés molécules (par exemple, dioxyde de carbone, glucose) qui ont une composition caractéristique d’éléments et sont disposés de manière spécifique. Les êtres vivants sont faits de matière et ont une composition matérielle caractéristique, étant constitués de biomolécules telles que les protéines, les glucides et les acides nucléiques. La vie peut être en partie définie par la capacité des êtres vivants (organismes) à acquérir de la matière et à l’incorporer en eux-mêmes, c’est-à-dire à croître. La vie peut également être définie sur la base de sa capacité à manipuler la matière de manière caractéristique impliquant des transferts d’énergie.

Alors que la matière est un concept facile, l’énergie est beaucoup plus insaisissable; considérez ce qui suit:

1. L’énergie a la capacité d’affecter la matière en la réorganisant ou en la déplaçant d’un endroit à un autre.
2. L’énergie est dynamique et l’énergie associée à un morceau de matière donné, par example une molécule, dépend des circonstances ; elle est fonction de la situation dans laquelle se trouve la matière, de la vitesse dans laquelle elle se déplace, de l’emplacement dans lequel elle se trouve, en particulier de sa position par rapport à une autre matière ou par rapport aux champs électriques, magnétiques et gravitationnels (qui sont contrôlés par la matière).
3. L’énergie est une propriété des systèmes, c’est-à-dire, un assemblage de matière dans un lieu particulier et avec des relations spécifiques les unes avec les autres.
4. L’énergie décrit la capacité d’un assemblage donné de matière (un « système ») à modifier l’organisation d’un autre morceau de matière (un autre « système » ou peut-être « l’environnement »).
5. L’énergie peut amener des atomes ou des molécules à se déplacer les uns par rapport aux autres, par exemple une réaction chimique, ou provoquer un changement de position d’un objet dans un champ gravitationnel (montée ou descente), ou provoquer un changement de position d’une molécule ou d’un objet chargé dans un champ électrique.
6. Tout comme l’énergie peut provoquer le mouvement de la matière, le mouvement de la matière (c’est-à-dire le changement de position de la matière) modifie le contenu énergétique et permet de « transférer » de l’énergie d’un système à un autre ou d’une molécule à un autre
7. L’énergie peut également être transférée à la matière via un rayonnement électromagnétique, des ondes d’électricité et de magnétisme qui sont émises par n’importe quel morceau de matière dont la température est supérieure au zéro absolu (c’est-à-dire chaque morceau de matière!!!).
8. Le rayonnement électromagnétique est une « forme » d’énergie importante pour toutes les formes de vie, mais surtout pour les organismes photosynthétiques. Le rayonnement électromagnétique a une double nature et peut être décrit comme (1) un rythme de champs électriques et magnétiques, une série d’ondes avec une certaine fréquence et longueur d’onde, se déplaçant à une vitesse constante, la vitesse de la lumière, ou (2) des paquets d’énergie appelés photons. L’énergie dans un paquet (un photon) est liée à la longueur d’onde des ondes d’électricité et de magnétisme. Notez que ces photons / ondes d’électricité et de magnétisme sont capables d’interagir avec la matière et de la transformer, transférant ainsi de l’énergie à la matière.
9. Deux autres concepts liés à l’énergie sont la chaleur, qui peut affecter la matière en modifiant son énergie cinétique, en modifiant la vitesse moyenne de déplacement des molécules, et le travail, qui peut changer la position des objets dans un champ gravitationnel, ou peut-être concentrer des produits chimiques dans un endroit particulier (travail chimique). Bien que la chaleur et le travail soient liés à l’énergie et soient parfois considérés comme des « formes » d’énergie, ils pourraient mieux être décrits comme des interactions entre les systèmes ou entre un système et son environnement.

Une caractéristique commune de la matière et de l’énergie est que les deux sont conservées, ce qui est décrit dans ce que l’on appelle la première loi de la thermodynamique. Bien que la physique moderne ait démontré que la matière peut être convertie en énergie et que c’est leur entité collective (matière + énergie) qui est conservée, dans les systèmes biologiques, la matière et l’énergie ne sont JAMAIS converties l’une à l’autre et, par conséquent, nous pouvons considérer chacune comme étant conservée — il y a toujours la même quantité de matière et la même quantité d’énergie, ni l’une ni l’autre n’est créée, détruite ou épuisée. »La conservation de la matière est facile à comprendre, la matière peut être déplacée d’un endroit à un autre, par exemple accumulée dans un organisme, perdue (ou gagnée) par diffusion depuis (ou vers) un organisme. Les éléments peuvent être réarrangés, par exemple le carbone transformé de glucides en dioxyde de carbone dans le processus de respiration cellulaire, mais la quantité de matière est constante — le même nombre de carbones, d’hydrogènes et d’oxygènes. De même (et beaucoup moins appréciée), l’énergie est conservée. Il peut être « déplacé » d’un endroit à l’autre, ou transformé d’une forme à l’autre (à mesure que les molécules sont réarrangées ou déplacées les unes par rapport aux autres et par rapport aux champs gravitationnels, électriques et magnétiques), mais la quantité d’énergie est constante, immuable. Les systèmes vivants, les systèmes non vivants et les combinaisons de systèmes vivants et non vivants réorganisent la matière et, en réorganisant la matière, ils redistribuent l’énergie. Mais la première loi de la thermodynamique stipule que dans tous ces réarrangements, il y a une contrainte: après tout réarrangement, la quantité de matière et la quantité d’énergie doivent être les mêmes qu’au début.

Les êtres vivants réorganisent constamment la matière: les molécules se combinent, les molécules se séparent en morceaux, les molécules se déplacent d’un endroit à un autre. Dans toutes ces transformations, la matière doit être conservée. De plus, l’énergie doit être conservée; par conséquent, les organismes peuvent libérer de l’énergie lors de certaines transformations (car l’arrangement final de la matière dans l’organisme a moins d’énergie que l’arrangement initial); ou, si l’arrangement final a plus d’énergie que l’arrangement initial, les organismes doivent en quelque sorte avoir acquis de l’énergie pour provoquer la transformation.

Étant donné que la matière et l’énergie jouent dans des jeux à somme nulle, on pourrait penser que leurs transformations sont plutôt fastidieuses et potentiellement circulaires, les pertes à un endroit étant exactement compensées par des gains ailleurs, et le potentiel de se retrouver exactement là où vous avez commencé. Ce n’est pas le cas, il y a une direction aux transformations et c’est strictement un flux à sens unique: vous ne pouvez jamais revenir au point de départ. Cette contrainte est dictée par la deuxième loi de la thermodynamique qui stipule que malgré le fait que l’énergie est conservée, la quantité d’énergie pouvant être utilisée pour effectuer un travail est toujours décroissante. Pour la plupart, cette affirmation est surprenante car ils supposent que toute l’énergie peut être utilisée pour faire du travail; mais une certaine énergie n’est pas « utile » et la deuxième loi stipule que la quantité d’énergie « inutile » augmente toujours. La deuxième loi de la thermodynamique est extrêmement puissante et cela se reflète dans le fait qu’elle peut être définie de différentes manières. Fondamentalement, son utilité réside dans le fait qu’elle met une flèche sur les réarrangements de la matière. Étant donné deux arrangements possibles, A à B, chacun avec la même quantité de matière et d’énergie, la deuxième loi dicte que la direction du réarrangement sera toujours vers une situation qui a moins d’énergie utile. La deuxième loi indique quels réarrangements de la matière seront « spontanés », c’est-à-dire se produiront « seuls ». »Les réarrangements dans la direction opposée (la direction non spontanée) ne se produiront que si de l’énergie, de l’énergie utile, est fournie.

La deuxième loi ajoute une deuxième contrainte aux transformations; non seulement la matière et l’énergie doivent être conservées, mais la quantité d’énergie utile doit diminuer. Considérons un système A avec une certaine quantité de matière et d’énergie à la fois, un seul et même système, maintenant appelé A’, un temps plus tard; la deuxième loi dicte que, sauf interaction avec l’environnement, le seul changement de A qui soit possible lors de la transition vers A ‘ est celui où il y a une diminution de l’énergie disponible pour faire du travail; ainsi, une fois que vous quittez la situation A, vous ne pouvez pas y revenir (c’est-à-dire passer de A’ à A). Bien que l’énergie dans les deux soit la même, la quantité d’énergie disponible pour faire le travail diminue au fur et à mesure qu’elle passe de A à A. « Cela reflète l’une des façons courantes d’énoncer la deuxième loi: il n’y a pas de machines à mouvement perpétuel. Un appareil ne peut pas revenir à son point de départ sans énergie de l’extérieur.

Organismes, matière et énergie

En quoi tout cela est-il significatif pour les organismes?? Les organismes sont définis en partie par leur capacité à croître et comme la croissance nécessite l’acquisition de matière, tous les organismes doivent être capables d’acquérir les matériaux spécifiques avec lesquels ils se construisent. De plus, la croissance nécessite une énergie utile car le travail se fait dans la construction de la plupart des nouvelles molécules pour la croissance. Ce qui complique la compréhension, c’est que la matière (« nourriture ») joue un double rôle: (1) matériellement, en fournissant les matériaux qui font partie du plus grand organisme, (2) énergétiquement, en fournissant de l’énergie qui est rendue disponible au fur et à mesure que la matière est réorganisée. Les transformations de la matière et les transferts d’énergie effectués par les organismes sont entrelacés de manière à permettre d’acquérir facilement des idées fausses, mais il est important de se rappeler que la matière et l’énergie sont deux entités différentes.

Mais la croissance n’est pas la seule raison pour laquelle les organismes ont besoin de matière et ce n’est pas la seule raison pour laquelle les organismes ont besoin d’énergie.

Pourquoi les organismes ont besoin d’énergie

1. En plus d’avoir besoin d’énergie pour la croissance, les organismes ont besoin d’énergie parce qu’ils « fonctionnent » au sens physique / chimique. Ils créent des potentiels électrochimiques, ils développent une pression, ils génèrent des forces qui entraînent un mouvement. Particulièrement significatif est qu’ils effectuent un travail chimique à mesure qu’ils grandissent: de nombreuses biomolécules sont constituées d’arrangements de matière qui contiennent plus d’énergie utile que les matériaux à partir desquels ces molécules sont construites, et donc de l’énergie est nécessaire pour les synthétiser. Le processus de croissance nécessite que les organismes réorganisent le matériau, le repositionnent, de manière à ce que le nouveau matériau possède une énergie plus utile que celle dont il a été fabriqué. Cela n’est possible que si les organismes ont un « apport d’énergie » et que le travail qu’ils font est possible car une partie de l’énergie contenue dans cet apport est « utilisée » pour permettre les réarrangements des matériaux. Notez que l’énergie est conservée, mais la quantité d’énergie utile, la quantité qui peut être utilisée pour faire du travail, est diminuée.
2. Mais même dans la situation hypothétique où un organisme ne se développe pas (produisant plus de biomolécules) et ne fait pas de travail (par exemple, se déplaçant lui-même ou des matériaux en lui-même), il aurait encore besoin d’énergie simplement pour se maintenir. Les organismes existent dans un état organisé qui se dégrade spontanément à un état moins organisé. Le maintien de l’État organisé nécessite de l’énergie. Un exemple facile à comprendre de ceci implique la différence de charge trouvée à travers la membrane cellulaire, l’intérieur étant négatif par rapport à l’extérieur. Cette situation organisée se décompose spontanément en une situation moins organisée car les forces électriques poussent les ions négatifs à travers la membrane et les ions positifs. Le maintien de l’état organisé nécessite de l’énergie car le processus d’organisation (dans ce cas, le déplacement des ions à travers une membrane afin qu’ils soient plus concentrés à un endroit qu’à un autre) nécessite de l’énergie.

Comment les organismes obtiennent de l’énergie

Les besoins énergétiques des organismes sont largement satisfaits en acquérant des biomolécules (aliments), généralement des glucides, et en les traitant dans un groupe de réactions appelées respiration cellulaire. La respiration cellulaire (chapitre 19) est un processus de « combustion » contrôlé par lequel les glucides réagissent avec l’oxygène (les glucides sont oxydés), produisant du dioxyde de carbone et de l’eau. Si l’on compare la teneur en énergie de quantités équivalentes de glucides plus oxygène à celle du dioxyde de carbone plus eau, il y a beaucoup moins d’énergie dans le dioxyde de carbone plus eau. Si vous brûlez des glucides dans un feu, la différence d’énergie est libérée sous forme de chaleur et de lumière, mais dans la respiration cellulaire, moins d’énergie est libérée sous forme de chaleur et aucune sous forme de lumière, car une partie de l’énergie est « capturée » dans des produits chimiques, en particulier un appelé ATP. Parce que les produits de la réaction (dioxyde de carbone et eau) sont des gaz invisibles, beaucoup pensent que la respiration cellulaire convertit la matière en énergie. Mais c’est impossible, la première loi l’interdit! Le carbone d’origine, l’oxygène et l’hydrogène sont toujours présents, tout à l’heure sous différentes formes. De même, l’énergie d’origine reste mais est maintenant présente dans l’ATP qui se forme et l’énergie thermique qui est libérée.

Pourquoi les organismes perdent de la matière en raison de leurs besoins énergétiques

Lorsqu’un organisme effectue une respiration cellulaire, il produit deux matières (eau et dioxyde de carbone) qui sont facilement perdues et parfois « délibérément » éliminées (par exemple, chez l’homme, où la respiration, c’est-à-dire la ventilation, facilite la perte d’eau et de dioxyde de carbone). En conséquence de la respiration cellulaire, les organismes perdent continuellement de la matière sous forme de dioxyde de carbone et d’eau et, par conséquent, perdent également du poids. Ainsi, pour maintenir son poids, un organisme qui respire doit acquérir plus de « nourriture ».

Obtention de matière et d’énergie

Afin de satisfaire ses besoins énergétiques, un organisme a besoin d’un apport de glucides (ou d’autres biomolécules) à utiliser dans la respiration cellulaire. Ces glucides peuvent être obtenus de deux manières de base: (1) en consommant des biomolécules produites par d’autres êtres vivants — des glucides ou des molécules telles que des protéines qui peuvent être métabolisées pour produire des glucides ou (2) en consommant des glucides « auto-construits » qui sont produits dans des réactions (généralement des réactions photosynthétiques) qui synthétisent des glucides à partir de dioxyde de carbone et d’eau. De telles réactions utilisent des « sources » d’énergie (par exemple, la lumière du soleil) qui permettent à une réaction chimique de se produire lorsque les produits ont plus d’énergie que les réactifs. Les glucides synthétisés sont ensuite utilisés pour alimenter la respiration cellulaire, i.e., ils sont reconvertis en dioxyde de carbone et en eau. Le groupe qui consomme des glucides que d’autres organismes ont produits est appelé hétérotrophes (hétéro-autres, troph-manger; littéralement « manger les autres »), et les organismes qui fabriquent leurs propres glucides à « manger » sont appelés autotrophes (auto-auto, troph-manger; littéralement « mangeurs de soi »). Il est important de réaliser que la respiration cellulaire se produit dans les deux groupes, ils ne diffèrent que par la façon dont ils acquièrent des glucides à oxyder dans la respiration cellulaire.

Il est essentiel de garder à l’esprit que la matière et l’énergie sont deux choses différentes, mais elles sont étroitement liées. L’énergie présente dans les glucides et l’oxygène peut être « libérée » lorsque le matériau est réarrangé en dioxyde de carbone et en eau. L' »énergie libérée » peut se retrouver sous forme de chaleur, de travail ou dans un nouvel arrangement de molécules (par exemple, l’ATP est une version réarrangée de l’ADP plus le phosphate inorganique). Cependant, la deuxième loi exige que la quantité totale d’énergie dans le nouvel arrangement (par ex., le dioxyde de carbone, l’eau et l’ATP) doivent posséder une capacité de travail inférieure à celle de l’arrangement précédent (dans cet exemple, les glucides plus l’oxygène plus l’ADP plus le phosphate inorganique).

Appréciez que la « nourriture » que les organismes obtiennent, soit en la trouvant (hétérotrophes), soit en la fabriquant (autotrophes), remplit une double fonction, fournissant (1) de l’énergie (par la respiration cellulaire) et (2) de la matière (par diverses voies métaboliques où les glucides sont reconfigurés pour produire d’autres biomolécules (protéines, graisses, acides nucléiques). Si la nourriture fournit de l’énergie par le processus de respiration cellulaire, elle est transformée en dioxyde de carbone et en eau et ceux-ci ne peuvent pas être utilisés matériellement pour fabriquer des biomolécules. Alternativement, les aliments peuvent fournir des « matériaux de construction » qui sont utilisés pour fabriquer davantage de membranes cellulaires, de parois cellulaires et d’enzymes cellulaires, mais ces aliments ne « fourniront PAS d’énergie ». La nourriture ne peut pas fournir à la fois de l’énergie et des matériaux de construction! Vous ne pouvez pas « avoir » votre gâteau (construire avec) et le « manger » aussi (l’utiliser pour la respiration cellulaire).

Les principaux sujets à traiter dans cette section sur la croissance des organismes sont indiqués en caractères gras ci-dessous. La croissance a des besoins à la fois matériels et énergétiques. Comme décrit ci—dessus, presque tous les besoins énergétiques de presque tous les organismes sont satisfaits par la respiration cellulaire (chapitre 18) – l’oxydation des glucides par l’oxygène, produisant du dioxyde de carbone et de l’eau. Satisfaire les besoins matériels des organismes hétérotrophes est une histoire relativement simple; cependant, elle est plus compliquée pour les autotrophes, où elle implique à la fois la photosynthèse (chapitre 19) et la nutrition minérale (chapitre 22), l’acquisition d’éléments minéraux comme l’azote et le phosphore. Bien que la plupart des procaryotes satisfassent leurs besoins matériels et énergétiques de manière hétérotrophe ou autotrophe typique, nous examinerons également une partie de la diversité métabolique (chapitre 21) trouvée chez certains procaryotes qui révèlent des modèles très différents de satisfaire les besoins énergétiques et matériels. Cette diversité est un contraste intéressant avec les modes de vie familiers et normaux et joue également un rôle important dans la nutrition des plantes en influençant la disponibilité des nutriments des plantes. Nous examinerons brièvement comment les organismes déplacent les matériaux dans leur corps (chapitre 24), un processus qui habituellement (mais pas toujours!) « nécessite de l’énergie ». Nous examinerons également la nature des sols (chapitre 23), qui servent de réservoirs pour les nutriments et l’eau dont les plantes ont besoin. Un dernier aspect de la croissance que nous examinerons est les rythmes de croissance (chapitre 25) que les organismes, en particulier les plantes, présentent et comment cette croissance pourrait être modélisée.