Êtres vivants et monde inerte sont constitués, en proportions différentes, des mêmes éléments chimiques qui se lient pour former des molécules. Le monde vivant se caractérise dans sa composition par la présence de molécules organiques. Il est constitué majoritairement par quatre atomes qui sont le carbone (\ce{C}), l'hydrogène (\ce{H}), l'oxygène (\ce{O}) et l'azote (\ce{N}). La cellule constitue l'unité du vivant, et il existe différents types cellulaires dans le monde vivant. Chaque cellule est le siège de réactions chimiques constituant le métabolisme cellulaire.
La composition du vivant et de l'inerte
Les éléments chimiques constituant le monde vivant et le monde inerte
L'ensemble des êtres vivants, ainsi que les roches et autres matières inertes qui constituent le monde minéral, sont constitués des mêmes éléments chimiques (les mêmes atomes) présents sur le globe terrestre. On parle de parenté chimique entre le vivant et le non-vivant car les éléments chimiques sont les mêmes dans les deux cas.
Biosphère
La biosphère est l'ensemble des êtres vivants, animaux et végétaux. Elle forme le monde vivant.
Le terme biosphère sert à mettre en valeur l'action du vivant à l'échelle de la planète, d'où une terminologie proche des mots « atmosphère » ou « hydrosphère ».
Monde inerte
Le monde inerte comprend les roches de la lithosphère, l'eau de l'hydrosphère et les gaz de l'atmosphère. Il forme le monde minéral.
Élément chimique
Un élément chimique est une entité qui compose toute matière existante. Il s'agit de l'ensemble des atomes existants. Les différents atomes sont caractérisés par le nombre de protons dans leur noyau atomique qui définit ses propriétés chimiques.
Ainsi, l'hydrogène, le carbone, l'azote et l'oxygène sont des éléments chimiques, de même que le fer, le cuivre, l'argent, l'or, etc. Chacun est conventionnellement désigné par un symbole chimique, tel que \ce{H}, \ce{C}, \ce{N}, \ce{O}, ou encore \ce{Fe}, \ce{Cu}, \ce{Ag}, \ce{Au}, etc. Il existe à ce jour 118 éléments chimiques que l'on classe, selon leurs caractéristiques atomiques, dans le tableau périodique des éléments.
Le tableau périodique des éléments
Cependant, les proportions de ces éléments chimiques sont différentes dans les matières organiques et dans les matières minérales. En effet, la matière organique, qui constitue les êtres vivants, est particulièrement riche en carbone \ce{C}, en hydrogène \ce{H}, en oxygène \ce{O} et azote \ce{N}.
La matière vivante est une matière carbonée et qui est riche en eau \ce{H2O} (l'eau représente plus de 70% de la masse d'un être vivant).
Les sels minéraux et les vitamines, en revanche, sont présents en très petites quantités (on parle d'oligo-éléments).
La similarité dans les proportions des différents éléments chimiques parmi les êtres vivants est aussi un indice de l'unité du vivant.
À l'inverse, la matière minérale est particulièrement riche en éléments tels que le fer \ce{Fe}, l'oxygène \ce{O}, le silicium \ce{Si} ou le magnésium \ce{Mg}.
Les éléments chimiques (atomes) se lient entre eux pour former des molécules.
| Éléments | Composition de l'inerte (en %) | Composition du vivant (en %) | ||
| Croûte Terrestre | Hydrosphère | Homme | ||
| Hydrogène | \ce{H} | 0,22 | 66 | 9 |
| Oxygène | \ce{O} | 47 | 33 | 62,43 |
| Carbone | \ce{C} | 0,19 | 0,001 | 21,15 |
| Azote | \ce{N} | 3,10 | ||
| Calcium | \ce{Ca} | 3,5 | 0,006 | 1,90 |
| Potassium | \ce{K} | 2,5 | 0,006 | 0,23 |
| Silicium | \ce{Si} | 28 | 0,001 | |
| Magnésium | \ce{Mg} | 2,2 | 0,034 | 0,027 |
Molécule
Une molécule est un ensemble d'atomes (éléments chimiques) unis les uns aux autres par des liaisons chimiques.
L'eau (\ce{H2O}) est une molécule composée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène. Comme il existe un peu plus d'une centaine d'atomes différents, et que les molécules peuvent être composées de nombreux atomes, il existe un nombre important de molécules possibles.
Les molécules du vivant
Les êtres vivants ont une composition chimique particulière. Les proportions des différents éléments ne sont pas semblables à celles du monde inerte. Les molécules organiques notamment, contiennent toutes l'élément carbone.
Molécule organique
Une molécule organique est une molécule comportant au moins un atome de carbone relié à des atomes d'hydrogène. Les êtres vivants sont composés quasi-exclusivement de molécules organiques.
Le glucose (\ce{C6H12O6}), représenté ci-dessous, est une molécule organique. Il faut noter qu'une molécule organique peut être fabriquée de manière artificielle (par exemple un médicament). Le mot "organique" se rapporte à sa composition et non à son origine.
Représentation de la molécule de glucose
Il existe quatre types de molécules organiques :
- Les glucides (communément appelés sucres) sont des molécules formées de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Ils ont un rôle essentiel, en particulier dans l'alimentation des êtres vivants.
- Les lipides (aussi appelés graisses ou matières grasses) sont des molécules formées de carbone, d'hydrogène, et de peu d'oxygène. Ils sont les principaux constituants des membranes cellulaires et sont des molécules de réserve utilisables pour fabriquer de l'énergie.
- Les protides (habituellement appelés protéines) contiennent de l'azote en plus du carbone, de l'hydrogène, et de l'oxygène. Leurs fonctions sont très variées : hormones, anticorps ou enzymes par exemple.
- Les acides nucléiques sont d'autres constituants du vivant, contenant du carbone, de l'oxygène, de l'hydrogène, de l'azote et du phosphore. Leur rôle est essentiel car ils forment l'ADN, support de l'information génétique. En toute rigueur, ils font partie des glucides.
Les atomes, et de ce fait les molécules, sont les constituants de base des êtres vivants. Les molécules vont s'assembler pour former des cellules qui sont l'unité structurale des êtres vivants.
L'organisation du vivant
La cellule, unité des êtres vivants
Organismes unicellulaires et pluricellulaires
Le propre des êtres vivants est d'être constitués de cellule(s). La cellule constitue l'unité structurale et fonctionnelle commune à tous les êtres vivants. C'est un indice de la parenté entre tous les êtres vivants.
Certains organismes sont constitués d'une cellule unique, ce sont les organismes unicellulaires, comme les bactéries. D'autres sont constitués de plusieurs cellules : ce sont les organismes pluricellulaires (ou multicellulaires), comme l'Homme. Dans le cas des organismes pluricellulaires, les cellules se regroupent pour former des tissus (par exemple la peau), eux-mêmes regroupés pour former des organes dont l'ensemble forme l'organisme.
Cellules eucaryotes et cellules procaryotes
Il existe une grande diversité de types de cellules parmi les êtres vivants. On peut les regrouper en différentes catégories, selon leurs spécificités structurales (la façon dont elles sont constituées) et fonctionnelles (ce qu'elles font).
Cellule
La cellule est l'unité du vivant car tous les êtres vivants sont constitués de cellule(s). Elle est constituée : d'une membrane plasmique qui permet des échanges de matière et d'énergie avec l'environnement, et d'un cytoplasme pouvant contenir, ou non, un noyau et des organites.
Une graine est une cellule ; la peau est constituée de cellules, ainsi que les vaisseaux sanguins. Toutefois, ces cellules ne représentent pas l'ensemble de la matière composant un être humain.
Il existe des cellules dont le matériel génétique (chromosomes) se trouve dans un noyau délimité par une enveloppe nucléaire, lui-même contenu dans le cytoplasme de la cellule. Ce sont les cellules dites eucaryotes. Dans le monde vivant, celles-ci sont représentées par les animaux, les végétaux et les champignons. De plus, les cellules eucaryotes contiennent des organites.
Organite
Un organite est une structure intracellulaire, de forme définie, délimitée par une membrane intracellulaire et remplissant une fonction particulière.
Les mitochondries sont des organites cytoplasmiques dans lesquels se produit la respiration cellulaire. Les chloroplastes, uniquement présents dans les cellules végétales, sont également des organites cytoplasmiques, dans lesquels se produit la photosynthèse.
Les cellules dans lesquelles le matériel génétique n'est pas contenu dans un noyau mais est présent sous la forme d'un chromosome libre dans le cytoplasme sont appelées procaryotes. Dans le monde vivant, elles correspondent aux bactéries. De plus, les cellules procaryotes, sauf exception, ne contiennent pas d'organites dans leur cytoplasme.
Schéma de cellules eucaryote et procaryote
Cellule animale et cellule végétale
On observe également des différences structurales entre les cellules animales et végétales.
Les cellules animales sont eucaryotes, elles possèdent un noyau et des mitochondries. Elles sont le plus souvent de forme ovale et leur taille est généralement comprise entre 10 et 50 micromètres.
Les cellules végétales sont eucaryotes, elles possèdent un noyau, des mitochondries ainsi que des chloroplastes de couleur verte. Ces cellules adoptent des formes plutôt géométriques (rectangulaires ou polygonales) et leur taille est généralement comprise entre 10 et 200 micromètres.
De plus, les végétaux et les champignons possèdent une paroi squelettique épaisse et rigide, constituée de cellulose ou de chitine, autour de leur membrane plasmique, ce qui leur donne ces formes souvent polygonales.
Cette paroi est différente des parois présentes chez les bactéries. Les cellules animales, quant à elles, n'en possèdent pas.
Le métabolisme cellulaire
Les transformations chimiques se produisant dans une cellule
Métabolisme
Le métabolisme correspond à l'ensemble des transformations chimiques qui se produisent dans une cellule.
La respiration ou la photosynthèse font partie du métabolisme car elles consistent en une succession de réactions chimiques à l'intérieur des cellules spécialisées pour ces fonctions. Par exemple, les cellules, lors de la respiration, consomment du glucose et du dioxygène pour produire de l'énergie.
Il est de ce fait possible de distinguer deux types de métabolisme :
- Le métabolisme hétérotrophe : métabolisme permettant de fabriquer de l'énergie à partir de matière organique puisée dans le milieu (cas des cellules animales).
- Le métabolisme autotrophe : métabolisme permettant de fabriquer de l'énergie à partir de matière organique fabriquée par la cellule elle-même, grâce à la photosynthèse (cas des cellules végétales).
Les éléments utilisés pour effectuer ces réactions sont puisés par les cellules dans leur environnement. De plus, certaines de ces réactions chimiques se déroulent à l'intérieur d'un organite particulier. Par exemple, la respiration a lieu dans les mitochondries des cellules animales et végétales, et la photosynthèse a lieu dans les chloroplastes des cellules végétales.
Le contrôle du métabolisme cellulaire
Le métabolisme cellulaire est influencé par les conditions environnementales auxquelles est soumise une cellule. En effet, les facteurs du milieu comme la température, l'éclairement ainsi que la quantité disponible en dioxygène et de nutriments dans le milieu peuvent constituer des facteurs modulant le métabolisme.
Les cellules humaines (cellules eucaryotes) ont besoin de dioxygène et de glucose pour que leur métabolisme fonctionne correctement.
En plus de l'environnement, le métabolisme dépend du patrimoine génétique. Lorsque certains gènes sont absents ou non-fonctionnels (par exemple suite à une mutation génétique) certaines molécules peuvent ne plus être synthétisées et/ou utilisées. La cellule n'est alors plus capable de réaliser certaines réactions chimiques, ce qui modifie son métabolisme.