La chimiosynthèse est un processus que certains organismes utilisent pour obtenir de l’énergie pour la production de nourriture, semblable à la photosynthèse, mais sans utiliser la lumière du soleil. L’énergie provient de l’oxydation des produits chimiques inorganiques que les organismes trouvent dans leur environnement. Le processus se produit dans de nombreuses bactéries et dans un autre groupe d’organismes appelés archées. Les formes de vie qui utilisent cette méthode pour obtenir de l’énergie se trouvent dans une variété d’environnements, y compris le sol, les intestins des mammifères, les gisements de pétrole et dans des conditions extrêmes, comme autour des bouches hydrothermales au fond de l’océan. Ils sont adaptés à des circonstances qui pouvaient être courantes il y a des milliards d’années, ce qui a conduit certains scientifiques à théoriser qu’ils pourraient être les descendants directs de la première vie sur Terre.
Méthodologie
Les organismes qui fabriquent leur propre nourriture à partir de produits chimiques inorganiques, au lieu d’utiliser des matières organiques déjà existantes, sont connus sous le nom d’autotrophes. Les aliments sont constitués de glucides, tels que le glucose, mais leur fabrication nécessite de l’énergie. Là où la lumière du soleil est disponible, les autotrophes l’utiliseront généralement pour effectuer la photosynthèse, mais dans les endroits où aucune lumière n’atteint, différents types ont évolué qui utilisent à la place de l’énergie chimique. Les formes de vie qui font cela sont connues sous le nom de chemautotrophes. Un certain nombre de méthodes différentes sont apparues, déterminées par les conditions et les produits chimiques disponibles.
La chimiosynthèse utilise des réactions d’oxydoréduction, également appelées réactions redox, pour fournir l’énergie nécessaire à la fabrication de glucides à partir de dioxyde de carbone et d’eau. Ce type de réaction implique la perte d’électrons d’une substance et l’ajout d’électrons à une autre. La substance recevant les électrons – généralement l’oxygène – aurait été réduite, tandis que celle qui les fournit s’est oxydée. La réduction nécessite de l’énergie, mais l’oxydation la libère. Les deux réactions se produisent toujours ensemble, mais celles utilisées en chimiosynthèse entraînent une libération globale d’énergie.
Comme pour la photosynthèse, les réactions réelles sont très complexes et impliquent un certain nombre d’étapes, mais elles peuvent être résumées en termes de matières premières et de produits finaux, dont l’un sera de la nourriture sous forme de glucides. Lorsque des sulfures sont disponibles, ils peuvent être oxydés, produisant du soufre ou des sulfates. Le fer peut également être oxydé, d’une forme connue sous le nom de fer II au fer III, qui a un électron de moins. Le méthane, qui est présent à certains endroits sous forme de gaz naturel, peut être une source à la fois d’énergie et de carbone pour certains micro-organismes, et est également un sous-produit de la chimiosynthèse par d’autres organismes. L’oxydation de l’ammoniac en nitrites et nitrates est une autre méthode qui fournit de l’énergie à certaines formes de vie.
De nombreux organismes qui utilisent la chimiosynthèse pour fabriquer des aliments vivent dans des environnements avec des températures, des pressions, une salinité ou d’autres conditions extrêmes qui sont hostiles à la plupart des formes de vie. Ceux-ci sont appelés extrêmophiles. Ils ont diverses adaptations qui leur permettent de survivre, comme des enzymes inhabituelles qui ne sont pas désactivées par des températures élevées.
Environnements
Les sources hydrothermales comptent parmi les environnements les plus remarquables de la planète. Ils consistent en des flux d’eau chaude et riche en produits chimiques qui s’écoulent du fond de l’océan dans des zones géologiquement actives, telles que les dorsales médio-océaniques. Bien qu’apparemment hostiles à la vie, sans lumière, avec des températures proches de 212°F (100°C) et pleins de produits chimiques toxiques pour la plupart des formes de vie, ils ont des écosystèmes prospères et diversifiés soutenus par des micro-organismes chimiosynthétiques. Ces microbes sont constitués de bactéries, mais aussi d’archées, un très ancien groupe d’organismes qui sont superficiellement similaires, mais chimiquement et génétiquement très différents.
L’eau chaude produite par les bouches hydrothermales est très riche en sulfures, que les microbes utilisent pour la chimiosynthèse, libérant parfois du méthane comme sous-produit. Les micro-organismes qui produisent ce gaz sont appelés méthanogènes. D’autres microbes chimiosynthétiques dans cet environnement obtiennent de l’énergie par l’oxydation du méthane, convertissant ainsi le sulfate en sulfure. L’oxydation du méthane a également lieu dans des zones où le pétrole – un mélange d’hydrocarbures comprenant du méthane – s’infiltre vers le haut dans le fond marin.
Les écologies entourant les évents des grands fonds sont beaucoup plus riches que celles plus éloignées de ces sources chimiques, qui doivent survivre uniquement sur la matière organique morte descendant lentement des eaux au-dessus. Les formes de vie chimiosynthétiques fournissent non seulement la base de plus grandes communautés d’organismes qui consomment les microbes pour survivre, mais forment également d’importantes relations symbiotiques avec d’autres organismes. Un exemple intéressant est le ver tubicole, qui commence sa vie avec une bouche et un intestin, qu’il utilise pour absorber un grand nombre de bactéries chimiosynthétiques. À un stade ultérieur, il perd sa bouche et continue de survivre en consommant la nourriture produite par ses bactéries internes.
Des micro-organismes extrémophiles chimiosynthétiques ont été trouvés dans des sources chaudes, où ils survivent grâce à l’oxydation du soufre ou de l’ammoniac, et dans les roches profondément sous la surface, où ils obtiennent de l’énergie en oxydant le fer. La chimiosynthèse a également lieu dans des endroits plus familiers. Par exemple, dans le sol, les bactéries nitrifiantes transforment l’ammoniac en nitrites et nitrates, tandis que les archées génératrices de méthane peuvent être trouvées dans les marais et les marécages, dans les eaux usées et dans les intestins des mammifères.
Importance et utilisations possibles
Les bactéries nitrifiantes dans le sol fournissent de l’azote utilisable pour les plantes et sont une partie cruciale du cycle de l’azote – sans elles, les plantes et les animaux ne pourraient pas exister. Il est très possible que les premières formes de vie aient utilisé la chimiosynthèse pour créer des composés organiques à partir de composés inorganiques, et ces processus peuvent donc être responsables de l’établissement de la vie sur Terre. Les scientifiques ont suggéré un certain nombre de façons dont les chimautotrophes pourraient être utilisés à bon escient. Par exemple, ils pourraient être utilisés pour produire du méthane comme carburant. Étant donné que bon nombre de ces organismes vivent de produits chimiques toxiques pour l’homme et libèrent des sous-produits inoffensifs, ils pourraient également être utilisés pour détoxifier certains types de déchets toxiques.
Chimiosynthèse et autres planètes
La capacité de certains organismes chimiosynthétiques à prospérer dans des conditions extrêmes a conduit certains scientifiques à suggérer que de telles formes de vie pourraient exister sur d’autres planètes, dans des environnements qui ne conviendraient pas à des types de vie plus familiers. Des expériences suggèrent que certains organismes chimiosynthétiques pourraient survivre et se développer sous la surface de Mars, et il a été supposé que les traces de méthane trouvées dans l’atmosphère martienne pourraient être le résultat de l’activité de micro-organismes méthanogènes. Un autre emplacement possible pour la vie extraterrestre est la lune recouverte de glace de Jupiter, Europe, où l’on pense que de l’eau liquide existe sous la surface.