CHIMIOSYNTHÈSE: PHASES, ORGANISMES, DIFFÉRENCES AVEC LA PHOTOSYNTHÈSE - LA BIOLOGIE - 2025

La chimiosynthèse est une caractéristique de certains organismes autotrophes de processus biologique exploitant l'énergie chimique pour convertir des substances inorganiques en matière organique. Elle diffère de la photosynthèse en ce que cette dernière utilise l'énergie du soleil.

Les organismes capables de chimiosynthèse sont généralement des procaryotes tels que des bactéries et d'autres microorganismes tels que les archées, qui extraient l'énergie des réactions qui impliquent l'oxydation de très petits composés.

Photographie de Riftia pachyptila, un organisme chimiosynthétique (Source: NOAA Okeanos Explorer Program, Galapagos Rift Expedition 2011 via Wikimedia Commons)

Les exemples les plus courants de bactéries chimiosynthétiques sont les bactéries nitrifiantes, qui oxydent l'ammoniac pour produire du dioxyde d'azote, ainsi que les bactéries soufrées, capables d'oxyder l'acide sulfurique, le soufre et d'autres composés soufrés.

Origine du concept

Le microbiologiste Sergei Winogradsky, en 1890, a été le premier scientifique à parler de l'existence possible de processus chimiosynthétiques, car il supposait qu'il devait y avoir un processus similaire à la photosynthèse qui utilise une source d'énergie autre que la lumière du soleil.

Cependant, le terme «chimiosynthèse» a été inventé en 1897 par Pfeffer. Les théories de Winogradsky ont été prouvées en 1977 lors de l'expédition menée par le sous-marin "Alvin" dans les eaux profondes de l'océan, autour des îles Galapagos.

Au cours de cette expédition, les scientifiques à bord du sous-marin ont découvert des écosystèmes bactériens qui subsistaient en présence de matière inorganique et d'autres en symbiose avec certains animaux marins invertébrés.

À l'heure actuelle, divers écosystèmes chimiosynthétiques sont connus dans le monde entier, notamment associés aux environnements marins et océaniques et, dans une moindre mesure, aux écosystèmes terrestres. Dans ces environnements, les microorganismes chimiosynthétiques représentent d'importants producteurs primaires de matière organique.

Les phases

La chimiosynthèse se produit presque toujours à l'interface d'environnements aérobies et anaérobies, où se concentrent les produits finaux de la décomposition anaérobie et de grandes quantités d'oxygène.

Comme la photosynthèse, la chimiosynthèse a des phases bien définies: un oxydant et un biosynthétique. Le premier utilise des composés inorganiques et pendant le second de la matière organique est produite.

Phase oxydante

Au cours de cette première phase et en fonction du type d'organisme considéré, différents types de composés inorganiques réduits sont oxydés, comme l'ammoniac, le soufre et ses dérivés, le fer, certains dérivés de l'azote, l'hydrogène, etc.

Dans cette phase, l'oxydation de ces composés libère l'énergie qui est utilisée pour la phosphorylation de l'ADP, formant l'ATP, l'une des principales monnaies énergétiques des êtres vivants et, en plus, une puissance réductrice est générée sous forme de molécules NADH.

Une particularité du procédé chimiosynthétique est de savoir quelle partie de l'ATP généré est utilisée pour propulser le transport inverse de la chaîne électronique, afin d'obtenir une plus grande quantité d'agents réducteurs sous forme de NADH.

En résumé, cette étape consiste en la formation d'ATP à partir de l'oxydation des donneurs d'électrons appropriés, dont l'énergie biologiquement utile est utilisée dans la phase de biosynthèse.

Phase de biosynthèse

La biosynthèse de la matière organique (composés carbonés) se fait grâce à l'utilisation de l'énergie contenue dans les liaisons à haute énergie de l'ATP et au pouvoir réducteur stocké dans les molécules de NADH.

Cette deuxième phase de chimiosynthèse est "homologue" à celle qui se produit lors de la photosynthèse, puisque la fixation des atomes de carbone dans les molécules organiques se produit.

Dans celui-ci, le dioxyde de carbone (CO2) est fixé sous forme de carbones organiques, tandis que l'ATP est converti en ADP et en phosphate inorganique.

Organismes chimiosynthétiques

Il existe différents types de microorganismes chimiosynthétiques, certains étant facultatifs et d'autres obligatoires. Cela signifie que certains dépendent exclusivement de la chimiosynthèse pour obtenir de l'énergie et de la matière organique, et d'autres le font si l'environnement les conditionne.

Les micro-organismes chimiosynthétiques ne sont pas très différents des autres micro-organismes, car ils tirent également de l'énergie des processus de transport d'électrons où des molécules telles que les flavines, les quinones et les cytochromes sont impliquées.

À partir de cette énergie, ils sont capables de synthétiser des composants cellulaires à partir de sucres synthétisés en interne grâce à l'assimilation réductrice du dioxyde de carbone.

Certains auteurs considèrent que les organismes chimiosynthétiques peuvent être divisés en chimio-organoautotrophes et chimio-lithoautotrophes, selon le type de composé dont ils extraient de l'énergie, qui peut être respectivement organique ou inorganique.

En ce qui concerne les procaryotes, la plupart des organismes chimiosynthétiques sont des bactéries gram-négatives, généralement du genre Pseudomonas et d'autres apparentées. Parmi ceux-ci figurent:

- Bactéries nitrifiantes.

- Bactéries capables d'oxyder les composés soufrés et soufrés (Bactéries du soufre).

- Bactéries capables d'oxyder l'hydrogène (Hydrogen Bacteria).

- Bactéries capables d'oxyder le fer (Iron Bacteria).

Les micro-organismes chimiosynthétiques utilisent un type d'énergie qui serait perdue dans le système de la biosphère. Ceux-ci constituent une grande partie de la biodiversité et de la densité de population de nombreux écosystèmes où l'introduction de matière organique est très limitée.

Leur classification concerne les composés qu'ils sont capables d'utiliser comme donneurs d'électrons.

Bactéries nitrifiantes

Ils ont été découverts en 1890 par Winogradsky et certains des genres décrits jusqu'à présent forment des agrégats qui sont entourés par la même membrane. Ils sont généralement isolés des environnements terrestres.

La nitrification implique l'oxydation de l'ammonium (NH4) en nitrites (NO2-) et des nitrites (NO2-) en nitrates (NO3-). Les deux groupes de bactéries qui participent à ce processus coexistent souvent dans le même habitat pour profiter des deux types de composés utilisant le CO2 comme source de carbone.

Bactéries capables d'oxyder les composés soufrés et soufrés

Ce sont des bactéries capables d'oxyder des composés soufrés inorganiques et de déposer du soufre à l'intérieur de la cellule dans des compartiments spécifiques. Dans ce groupe sont classées certaines bactéries filamenteuses et non filamenteuses de différents genres de bactéries facultatives et obligatoires.

Ces organismes sont capables d'utiliser des composés soufrés hautement toxiques pour la plupart des organismes.

Le composé le plus couramment utilisé par ce type de bactéries est le gaz H2S (acide sulfurique). Cependant, ils peuvent également utiliser du soufre élémentaire, des thiosulfates, des polythionates, des sulfures métalliques et d'autres molécules comme donneurs d'électrons.

Certaines de ces bactéries nécessitent un pH acide pour se développer, c'est pourquoi elles sont appelées bactéries acidophiles, tandis que d'autres peuvent le faire à un pH neutre, plus proche de la «normale».

Beaucoup de ces bactéries peuvent former des «lits» ou des biofilms dans différents types d'environnements, mais surtout dans les drains de l'industrie minière, dans les sources chaudes sulfureuses et dans les sédiments océaniques.

On les appelle généralement des bactéries incolores, car elles diffèrent des autres bactéries vertes et violettes photoautotrophes en ce qu'elles ne contiennent aucun pigment et n'ont pas besoin de la lumière du soleil.

Bactéries capables d'oxyder l'hydrogène

Dans ce groupe se trouvent des bactéries capables de se développer dans des milieux minéraux avec des atmosphères riches en hydrogène et en oxygène et dont la seule source de carbone est le dioxyde de carbone.

On trouve ici des bactéries à Gram négatif et à Gram positif, capables de se développer dans des conditions hétérotrophes et qui peuvent avoir différents types de métabolismes.

L'hydrogène s'accumule à partir de la dégradation anaérobie des molécules organiques, qui est réalisée par différentes bactéries fermentatives. Cet élément est une source importante de bactéries et d’archées chimiosynthétiques.

Les microorganismes capables de l'utiliser comme donneur d'électrons le font grâce à la présence d'une enzyme hydrogénase associée à leurs membranes, ainsi qu'à la présence d'oxygène comme accepteur électronique.

Bactéries capables d'oxyder le fer et le manganèse

Ce groupe de bactéries est capable d'utiliser l'énergie générée par l'oxydation du manganèse ou du fer de son état ferreux à son état ferrique. Il comprend également des bactéries capables de se développer en présence de thiosulfates comme donneurs d'hydrogène inorganique.

D'un point de vue écologique, les bactéries oxydantes du fer et du magnésium sont importantes pour la désintoxication de l'environnement, car elles réduisent la concentration de métaux toxiques dissous.

Organismes symbiotiques

En plus des bactéries libres, certains animaux invertébrés vivent dans des environnements inhospitaliers et s'associent à certains types de bactéries chimiosynthétiques pour survivre.

La découverte des premiers symbiotes a eu lieu après l'étude d'un ver à tube géant, Riftia pachyptila, dépourvu de tube digestif et obtenant de l'énergie vitale à partir des réactions menées par les bactéries auxquelles il est associé.

Différences avec la photosynthèse

La caractéristique la plus distinctive des organismes chimiosynthétiques est qu'ils combinent la capacité d'utiliser des composés inorganiques pour gagner de l'énergie et du pouvoir réducteur, ainsi que pour lier efficacement les molécules de dioxyde de carbone. Quelque chose qui peut arriver en l'absence totale de soleil.

La photosynthèse est réalisée par les plantes, les algues et par certains types de bactéries et de protozoaires. Il utilise l'énergie du soleil pour conduire la transformation du dioxyde de carbone et de l'eau (photolyse) en oxygène et hydrates de carbone, grâce à la production d'ATP et de NADH.

La chimiosynthèse, quant à elle, exploite l'énergie chimique libérée par les réactions d'oxydoréduction pour fixer les molécules de dioxyde de carbone et produire des sucres et de l'eau grâce à l'obtention d'énergie sous forme d'ATP et de pouvoir réducteur.

Dans la chimiosynthèse, contrairement à la photosynthèse, aucun pigment n'est impliqué et l'oxygène n'est pas produit comme sous-produit.

Références

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