Notice historique et essence du processus
La chimiosynthèse représente la capacité unique des organismes chimioautotrophes à utiliser l'énergie libérée lors de l'oxydation de substances inorganiques. Cette énergie est dépensée pour la synthèse de composés organiques complexes nécessaires à la construction des structures cellulaires.
La principale différence entre les chimioautotrophes et les photoautotrophes réside dans la source d'énergie : alors que les plantes et les cyanobactéries ont besoin de la lumière du soleil, les bactéries chimiosynthétiques dépendent entièrement de réactions chimiques (processus exothermiques).
Le phénomène de chimiosynthèse a été découvert en 1889 par l'éminent microbiologiste russe S. N. Vinogradski. C'est lui qui a prouvé pour la première fois l'existence d'organismes autotrophes non verts dans la nature, en étudiant en détail l'activité vitale des bactéries nitrifiantes. Cette découverte a bouleversé la conception scientifique des modes de nutrition des êtres vivants.
Bactéries nitrifiantes
Les bactéries nitrifiantes vivent principalement dans le sol et divers réservoirs d'eau. Elles jouent un rôle colossal dans la nature en tant que maillon essentiel du cycle biogéochimique mondial de l'azote.
Leur mécanisme spécifique consiste à sécréter des enzymes directement dans le milieu extérieur. Le processus d'oxydation des composés azotés se déroule en deux étapes consécutives :
- Oxydation de l'ammoniac en acide nitreux (Ière étape). À ce stade, l'ammoniac réagit avec l'oxygène :
$2NH_3 + 3O_2 \rightarrow 2HNO_2 + 2H_2O + E$
- Oxydation de l'acide nitreux en acide nitrique (IIe étape). L'acide nitreux obtenu subit une oxydation supplémentaire :
$2HNO_2 + O_2 \leftrightarrow 2HNO_3 + E$
L'énergie ($E$) libérée lors des deux étapes est captée par les bactéries et dépensée pour leurs processus plastiques internes.
Bactéries sulfuriques incolores et bactéries du fer
Parmi les autres représentants importants des chimioautotrophes figurent les organismes utilisant les composés du soufre et du fer.
Les bactéries sulfuriques incolores peuplent les plans d'eau riches en sulfure d'hydrogène ($H_2S$). Elles synthétisent des molécules organiques à partir du dioxyde de carbone ($CO_2$), obtenant de l'énergie grâce à l'oxydation du sulfure d'hydrogène.
- La première étape consiste en l'oxydation du $H_2S$ avec libération de soufre libre et d'énergie :
$2H_2S + O_2 \rightarrow 2H_2O + 2S + E$
- En cas de carence en sulfure d'hydrogène dans le milieu, les bactéries sont capables d'oxyder le soufre libre accumulé en acide sulfurique, obtenant ainsi de l'énergie supplémentaire :
$2S + 3O_2 + 2H_2O \rightarrow 2H_2SO_4 + E$
Les bactéries du fer se spécialisent dans la modification de la valence du fer. Leur mécanisme repose sur l'oxydation du fer ferreux en fer ferrique : $4Fe^{2+} + O_2 + 4H^+ \rightarrow 4Fe^{3+} + 2H_2O + E$. L'activité vitale de ces micro-organismes entraîne la formation de gisements de minerais de fer des marais dans la nature.
Bactéries hydrogènes
Un autre groupe unique est celui des bactéries hydrogènes, qui vivent dans le sol. Elles utilisent l'hydrogène moléculaire comme substrat énergétique. Ce gaz ne provient pas de nulle part : il est produit par la décomposition anaérobie (en l'absence d'oxygène) de divers déchets organiques par d'autres micro-organismes.
La réaction chimique fournissant de l'énergie aux bactéries hydrogènes est la suivante : $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O + E$
Comme dans les autres cas de chimiosynthèse, l'énergie libérée lors de la formation de l'eau est canalisée vers l'assimilation autotrophique.
Pour mémoriser les quatre groupes de chimioautotrophes, utilisez l'acronyme « NSIH » : Nitrifiantes, Sulfuriques, (bactéries du) Fer, Hydrogènes.
Questions des cours et des examens
Quelle est la source d'énergie lors de la chimiosynthèse ?
La source d'énergie est l'oxydation de composés inorganiques (par exemple, l'ammoniac, le sulfure d'hydrogène, le fer ferreux ou l'hydrogène). Ce sont des réactions exothermiques dont l'énergie est utilisée pour la synthèse de matière organique.
Quel est le rôle écologique des bactéries du fer ?
L'oxydation du fer ferreux en fer ferrique par les bactéries du fer aboutit à la formation de minerai de fer des marais.
Qui a découvert la chimiosynthèse et quand ?
Le processus a été découvert en 1889 par le microbiologiste russe S. N. Vinogradski, qui a démontré l'existence d'organismes autotrophes non verts à l'exemple des bactéries nitrifiantes.
À étudier également sur le sujet
- Mécanismes de sécrétion d'enzymes par les bactéries nitrifiantes dans le milieu extérieur
- Lien entre les bactéries hydrogènes et la décomposition anaérobie de la matière organique
- Mécanisme d'oxydation en deux étapes chez les bactéries sulfuriques incolores (jusqu'au soufre et jusqu'à l'acide sulfurique)
- Rôle des bactéries nitrifiantes dans le cycle mondial de l'azote
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