Définition et exemples de chimiosynthèse

La chimiosynthèse est la conversion de composés carbonés et d'autres molécules en composés organiques. Dans cette réaction biochimique, le méthane ou un composé inorganique, tel que l'hydrogène sulfuré ou l'hydrogène gazeux, est oxydé pour agir comme source d'énergie. En revanche, la source d'énergie pour photosynthèse (l'ensemble des réactions par lesquelles le dioxyde de carbone et l'eau sont convertis en glucose et en oxygène) utilise l'énergie de la lumière solaire pour alimenter le processus.

L'idée que les micro-organismes pourraient vivre sur des composés inorganiques a été proposée par Sergei Nikolaevich Vinogradnsii (Winogradsky) en 1890, sur la base de recherches menées sur des bactéries qui semblaient vivre de l'azote, du fer ou soufre. L'hypothèse a été validée en 1977 lorsque le sous-marin profond Alvin a observé des vers tubicoles et d'autres formes de vie évents hydrothermaux au Galapagos Rift. L'étudiante de Harvard, Colleen Cavanaugh, a proposé et confirmé plus tard que les vers à tube ont survécu en raison de leur relation avec les bactéries chimiosynthétiques. La découverte officielle de la chimiosynthèse est attribuée à Cavanaugh.

Les organismes qui obtiennent de l'énergie par oxydation des donneurs d'électrons sont appelés chimiotrophes. Si les molécules sont organiques, les organismes sont appelés chemoorganotrophs. Si les molécules sont inorganiques, les organismes sont des termes chimiolithotrophes. En revanche, les organismes qui utilisent l'énergie solaire sont appelés phototrophes.

Les chimioautotrophes tirent leur énergie de réactions chimiques et synthétisent des composés organiques à partir du dioxyde de carbone. La source d'énergie pour la chimiosynthèse peut être du soufre élémentaire, du sulfure d'hydrogène, de l'hydrogène moléculaire, de l'ammoniac, du manganèse ou du fer. Des exemples de chimioautotrophes comprennent les bactéries et les archées méthanogènes vivant dans les évents des grands fonds. Le mot «chimiosynthèse» a été inventé à l'origine par Wilhelm Pfeffer en 1897 pour décrire la production d'énergie par oxydation de molécules inorganiques par des autotrophes (chimiolithoautotrophie). Selon la définition moderne, la chimiosynthèse décrit également la production d'énergie via la chimio-origanautotrophie.

Les chimio-hétérotrophes ne peuvent pas fixer le carbone pour former des composés organiques. Au lieu de cela, ils peuvent utiliser des sources d'énergie inorganiques, telles que soufre (chemolithoheterotrophs) ou sources d'énergie organiques, telles que les protéines, les glucides et les lipides (chemoorganoheterotrophs).

La chimiosynthèse a été détectée dans les évents hydrothermaux, les grottes isolées, les clathrates de méthane, les chutes de baleines et les suintements froids. Il a été émis l'hypothèse que le processus pourrait permettre la vie sous la surface de Mars et de la lune Europa de Jupiter. ainsi que d'autres endroits du système solaire. La chimiosynthèse peut se produire en présence d'oxygène, mais elle n'est pas requise.

En plus des bactéries et des archées, certains organismes plus gros dépendent de la chimiosynthèse. Un bon exemple est le ver tubulaire géant qui se trouve en grand nombre autour des évents hydrothermaux profonds. Chaque ver abrite des bactéries chimiosynthétiques dans un organe appelé trophosome. Les bactéries oxydent le soufre de l'environnement du ver pour produire la nourriture dont l'animal a besoin. En utilisant du sulfure d'hydrogène comme source d'énergie, la réaction de chimiosynthèse est:

12 H₂S + 6 CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O + 12 S

Cela ressemble beaucoup à la réaction de production de glucides via la photosynthèse, sauf photosynthèse libère de l'oxygène gazeux, tandis que la chimiosynthèse produit du soufre solide. Les granules de soufre jaune sont visibles dans le cytoplasme des bactéries qui effectuent la réaction.

Un autre exemple de chimiosynthèse a été découvert en 2013 lorsque des bactéries ont été trouvées vivant dans le basalte sous les sédiments du fond de l'océan. Ces bactéries n'étaient pas associées à un évent hydrothermal. Il a été suggéré que les bactéries utilisent l'hydrogène provenant de la réduction des minéraux dans l'eau de mer baignant la roche. Les bactéries pourraient réagir à l'hydrogène et au dioxyde de carbone pour produire du méthane.

Bien que le terme "chimiosynthèse" soit le plus souvent appliqué aux systèmes biologiques, il peut être utilisé plus généralement pour décrire toute forme de synthèse chimique provoquée par un mouvement thermique aléatoire de réactifs. En revanche, la manipulation mécanique des molécules pour contrôler leur réaction est appelée "mécanosynthèse". La chimiosynthèse et la mécanosynthèse ont toutes deux le potentiel de construire des composés complexes, y compris de nouvelles molécules et des molécules organiques.

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