2.2.1. Pourquoi le Carbone à la Base de la Vie ?

          La chimie organique est le nom donné à la chimie ayant pour principal constituant l’atome de Carbone. Une matière organique est donc une matière formée de molécules contenant du Carbone, le dioxyde de carbone CO2, les carbonates étant mis à l’écart. Outre le fait que le Carbone est abondamment présent dans l’espace, pourquoi est-il indispensable à la Vie telle que nous la connaissons ?

          Les premières molécules auto-reproductrices, et leurs précurseurs, furent probablement des molécules organiques construites sur un squelette d'atomes de Carbone. Les atomes de Carbone présentent des caractéristiques qui sont d'excellentes signatures du vivant. L'atome de Carbone possède deux isotopes stables 12C et 13C.

          La transformation enzymatique du dioxyde de Carbone et des carbonates en Carbone organique par les plantes et les microorganismes privilégie systématiquement l'isotope 12 du Carbone.

          Le Carbone possède quatre électrons sur sa couche externe. Le Carbone a donc la possibilité d’établir des liaisons covalentes qui peuvent être simples, doubles ou triples.

          De plus, le Carbone est le seul atome pouvant se lier à lui-même de nombreuses fois.

          De par ces deux dernières propriétés, l’atome de Carbone est capable de constituer des chaînes carbonées de longueur plus ou moins importante, et de dispositions variées. Presque toutes les molécules des êtres vivants sont formées sur la base d’un squelette carboné.

          Le Carbone possède également la propriété de pouvoir former des molécules différentes avec les mêmes éléments chimiques :

          Cette propriété, nommée isométrie, est caractéristique de la molécule de Carbone, qui ne possède pas une, mais plusieurs formes d’isométrie :

                    • Isomères de structure (par exemple l'éthanol et l'éther diméthylique)
                    • Isomères géométriques (ou stéréo-isomères)
                              
                    • Isomère optique : La forme D est l'image miroir de la forme L
                              

          A l’aide de toutes ces propriétés, les atomes de Carbone ont donc la possibilité de construire des molécules complexes, pouvant contenir des milliers d’atomes, et variées.

          Exemple : On peut imaginer 62,5 millions de molécules différentes de la formule C40H82

          Lorsque les groupes d'atomes aux quatre sommets du tétraèdre sont différents, l'image du tétraèdre dans un miroir ne lui est pas superposable. Le Carbone devient asymétrique. Il existe alors deux formes spéculaires non superposables, images l'une de l'autre dans un miroir, appelées énantiomères (du grec enantios, opposé). Les molécules biologiques n'utilisent qu'une des deux formes spéculaires. On dit qu'elles sont homochirales (du grec kheir, main). La vie terrestre viole le principe de parité : la Vie et son image dans un miroir n'existent pas avec une égale probabilité. Une vie racémique (de racemus, raisin) qui utiliserait indifféremment et simultanément les deux énantiomères gauches et droits des molécules semble très improbable.
          De plus, au début de son existence, la Terre a sans doute reçu 100 000 milliards de tonnes de Carbone (100 fois la biomasse actuelle) provenant des comètes et des météorites. C'est une autre origine (ou une source complémentaire) pour les briques élémentaires de la vie.

LA REVANCHE DU SILICIUM

           En suivant un raisonnement similaire, les exobiologistes ont spéculé sur l'existence de formes de vie bâties non plus sur du Carbone, mais sur un atome aux propriétés analogues, le Silicium. Situé juste en dessous du Carbone dans la classification périodique des éléments de Mendeleïev, le Silicium est lui aussi tétravalent (c'est à dire qu'il peut former quatre liaisons avec d'autres atomes, tout comme le Carbone). Malheureusement, ces liaisons sont beaucoup trop solides et nécessitent beaucoup trop d'énergie pour être rompues pour autoriser les innombrables réactions indispensables au vivant.
          Pour l'instant, seule la science-fiction donne vie à des organismes dont la biologie diffère radicalement de celle des êtres terrestres. L'exemple le plus marquant est sans nul doute les entités de la quadrilogie cinématographique Alien. Dotées de deux bras et de deux jambes, ces créatures d’apparence insectoïde possèdent une biochimie très guerrière : leur sang est un puissant acide, et elles sont enfermées dans une véritable armure de Silicium et de métal. Féroces et intelligentes, se reproduisant selon un cycle très réaliste, les Aliens semblent bien plus à leur place dans les immensités froides, sales et glacées de l'espace que l'homme ... Des êtres de Silicium pourraient bien ne jamais exister ailleurs que dans l'imagination de l'homme !

LA CARBONE : ELEMENT SIMPLE, MAIS RECETTES COMPLIQUEES

          Hormis l’eau, qui compose en moyenne les trois quarts d’un être vivant (jusqu’à 95% chez certains organismes), et les sels minéraux, qui ne dépassent guère 14%, les molécules du vivant s’organisent donc autour du Carbone, en quatre familles essentielles.

          Les glucides (ou sucres) sont partout, sous une forme simple ou combinés en longues chaînes. Leur dégradation est une importante source d’énergie. Ils peuvent jouer un rôle de réserves, comme le glycogène accumulé dans le foie des animaux ou encore l’amidon des végétaux. Et, lorsqu’ils sont combinés en longues chaînes, ils peuvent devenir des matériaux de construction, comme la cellulose des plantes ou la chitine chez les insectes, par exemple.
          Les lipides (ou corps gras) sont de petites molécules essentiellement formées de Carbone et d’Hydrogène auxquels sont associés d’autres éléments. Leurs fonctions sont nombreuses chez un être vivant, mais on les trouve surtout comme constituants des membranes et comme molécules de stockage d’énergie (les graisses). Parmi les différents groupes de lipides, celui des stéroïdes est important : il comporte bon nombre d’hormones et de vitamines.
          Les protides (ou protéines) sont des chaînes de petites molécules appelées acides aminés. Il n’existe que vingt acides aminés communs, mais c’est à partir d’eux que sont constituées toutes les molécules de protéines du monde vivant. L’ordre des acides aminés le long de la chaîne protéique – qui peut en compter de quelques dizaines à quelques milliers – donne leurs caractéristiques chimiques aux protéines. Il y a donc une grande diversité de protéines, aux fonctions très variées. Certaines catalysent les réactions chimiques (les enzymes), d’autres luttent contre les intrusions (les anticorps), d’autres encore participent à la construction de l’organisme (protéines de structure).
          L’ARN (acide ribonucléique) et l’ADN (acide désoxyribonucléique) sont, eux, des acides nucléiques. Ce sont des chaînes plus ou moins longues formées de molécules plus petites, les nucléotides, dont la succession détermine un code rigoureux : le code génétique. Il détient à lui seul toute l’information nécessaire au bon fonctionnement d’un organisme vivant. Les molécules du vivant sont donc nombreuses et complexes, mais toutes construites sur un squelette carboné.

          Le fait d’utiliser des atomes de Carbone a donc conféré à la vie terrestre deux caractéristiques remarquables, l’enrichissement isotopique et l’homochiralité. Le Carbone comprend deux isotopes stables, l’isotope 12 et l’isotope 13. L’assimilation par les plantes et les micro-organismes du Carbone contenu dans le dioxyde de carbone atmosphérique favorise systématiquement l’isotope 12 du Carbone. La sélection se fait au moment de la fixation du dioxyde de carbone par les enzymes.

CONCLUSION  

          Le Carbone est un élément chimique caractérisé par le numéro atomique 6 (signifiant que son noyau est composé de 6 protons). Plusieurs isotopes sont présents dans la nature, les plus connus étant le Carbone 12 (comportant 12 nucléons, donc 6 neutrons), le plus courant et celui utilisé pour l’établissement de formes de vie, le Carbone 13 (comportant 7 neutrons), un de ces isotopes, et le Carbone 14 (comportant 8 neutrons), isotope radioactif très connu, principalement pour la datation d’objets antiques. Le Carbone est donc un élément possédant de très nombreuses propriétés chimiques, ce qui en fait l’atome préférentiel pour être la base de la Vie. Le Silicium, élément le plus proche du Carbone dans la classification périodique des éléments de Mendeleïev, ne peut pas le remplacer, du fait de liaisons beaucoup trop solides.
          Le Carbone apparaît donc comme le seul atome chimique permettant la formation d’être vivants : le reste de notre T.P.E. sera donc basé sur l’hypothèse que la vie est OBLIGATOIREMENT basée sur le Carbone, hypothèse qui semble aujourd’hui une affirmation, mais personne ne peut savoir ce qui nous attend dans la progression de la science.