{"id":126,"date":"2006-08-31T07:19:40","date_gmt":"2006-08-31T06:19:40","guid":{"rendered":"http:\/\/www.francois-roddier.fr\/wordpress\/?p=126"},"modified":"2014-10-30T18:21:10","modified_gmt":"2014-10-30T17:21:10","slug":"12-les-cycles-chimiques-et-la-vie","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.francois-roddier.fr\/?p=126","title":{"rendered":"12 &#8211; Les cycles chimiques et la vie."},"content":{"rendered":"<p>Les physiciens utilisent souvent la notion de <i>potentiel<\/i>. J\u2019ai moi-m\u00eame ici parl\u00e9 de <i>l\u2019\u00e9nergie potentielle<\/i> de l\u2019eau dans un barrage. Il s\u2019agit de l\u2019\u00e9nergie qu\u2019il est possible d\u2019obtenir en faisant tomber l\u2019eau du barrage. Cette \u00e9nergie est d\u2019autant plus grande que le l\u2019eau tombe de plus haut. Dans ce cas la hauteur du barrage est une mesure de potentiel et l\u2019\u00e9nergie obtenue est proportionnelle \u00e0 la <i>diff\u00e9rence de potentiel<\/i> c\u2019est-\u00e0-dire la diff\u00e9rence de hauteur de l\u2019eau au d\u00e9part et \u00e0 l\u2019arriv\u00e9e. Elle est aussi proportionnelle \u00e0 la quantit\u00e9 d\u2019eau d\u00e9vers\u00e9e. La notion de potentiel est \u00e9galement utilis\u00e9e en \u00e9lectricit\u00e9 o\u00f9 les diff\u00e9rences de potentiel se mesurent en volts et les d\u00e9bits en amp\u00e8res. Ainsi un courant de 1 amp\u00e8re fourni par une diff\u00e9rence de potentiel de 1 volt fourni une \u00e9nergie de 1 joule par seconde, c\u2019est-\u00e0-dire une puissance de 1 watt. D\u2019une fa\u00e7on g\u00e9n\u00e9rale on dit que les courants d\u2019\u00e9nergie s\u2019\u00e9coulent des r\u00e9gions de haut potentiel vers les r\u00e9gions de bas potentiel comme l\u2019eau s\u2019\u00e9coule des sommets vers la plaine. De m\u00eame que l\u2019eau reste parfois prisonni\u00e8re dans un creux, l\u2019\u00e9nergie peut elle aussi rester prisonni\u00e8re dans un minimum de potentiel. On parle alors de <i>puits de potentiel<\/i>. Un puits de potentiel est un endroit o\u00f9 on peut aller puiser l\u2019\u00e9nergie emmagasin\u00e9e.<\/p>\n<p>Jusqu\u2019ici nous avons pris nos exemples d\u2019auto-organisation dans le domaine dynamique des fluides. Les particules d\u2019un fluide \u00e9changent de l\u2019\u00e9nergie au cours de br\u00e8ves interactions qualifi\u00e9es de chocs entre particules. Lorsqu\u2019un choc a lieu entre deux particules, il peut arriver qu\u2019une liaison plus durable s\u2019\u00e9tablisse. On parle alors de r\u00e9action chimique et de formation de mol\u00e9cules. Si un choc peut former une mol\u00e9cule, un autre choc peut la d\u00e9faire. L\u2019\u00e9tude de ces interactions al\u00e9atoires rel\u00e8ve aussi de la m\u00e9canique statistique c\u2019est-\u00e0-dire de la thermodynamique. Le premier a avoir appliqu\u00e9 la thermodynamique aux r\u00e9actions chimiques est l\u2019am\u00e9ricain <a href=\"http:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Josiah_Willard_Gibbs\">J. Willard Gibbs<\/a> (1). On lui doit l\u2019introduction de la notion de potentiel en chimie.<\/p>\n<p>Une mol\u00e9cule forme un puits de potentiel. La mol\u00e9cule est d\u2019autant plus stable que la barri\u00e8re de potentiel qui entoure le puits est plus haute. Pour dissocier la mol\u00e9cule, il faut disposer d\u2019une \u00e9nergie suffisante pour franchir la barri\u00e8re de potentiel. L\u2019\u00e9nergie minimale n\u00e9cessaire pour produire une r\u00e9action chimique s\u2019appelle <a href=\"http:\/\/fr.wikipedia.org\/wiki\/\u00c9nergie_d'activation\">l\u2019\u00e9nergie d\u2019activation<\/a> (2). Elle est donn\u00e9e par la hauteur de la barri\u00e8re de potentiel. Un choc violent peut fournir assez d\u2019\u00e9nergie pour franchir cette barri\u00e8re et dissocier la mol\u00e9cule.<\/p>\n<p>Si le potentiel \u00e0 l\u2019ext\u00e9rieur du puits est  plus bas que celui \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur du puits, la dissociation de la mol\u00e9cule lib\u00e8re plus d\u2019\u00e9nergie qu\u2019il n\u2019en a fallu pour franchir la barri\u00e8re. L\u2019\u00e9nergie \u00e9tant g\u00e9n\u00e9ralement lib\u00e9r\u00e9e sous forme de chaleur, on dit que la dissociation est exothermique. Si l\u2019\u00e9l\u00e9vation de temp\u00e9rature est suffisante, l\u2019\u00e9nergie lib\u00e9r\u00e9e peut servir \u00e0 dissocier d\u2019autres mol\u00e9cules produisant une r\u00e9action en cha\u00eene avec forte dissipation d\u2019\u00e9nergie. L\u2019\u00e9tat final \u00e9tant plus stable que l\u2019\u00e9tat initial, on dit que la mol\u00e9cule initiale est dans un \u00e9tat m\u00e9tastable. <\/p>\n<p>C\u2019est par exemple le cas d\u2019une mol\u00e9cule d\u2019<a href=\"http:\/\/fr.wikipedia.org\/wiki\/Eau_oxyg\u00e9n\u00e9e\">eau oxyg\u00e9n\u00e9e<\/a> (3) appel\u00e9e aussi peroxyde d\u2019hydrog\u00e8ne . Celle-ci est form\u00e9e de deux atomes d\u2019hydrog\u00e8ne (H) attach\u00e9s \u00e0 deux atomes d\u2019oxyg\u00e8ne (O) dans l\u2019ordre H-O-O-H. \u00c0 la temp\u00e9rature ordinaire, rares sont les chocs qui permettent de la dissocier. Mais si on la chauffe, les chocs deviennent plus \u00e9nergiques et l\u2019eau oxyg\u00e9n\u00e9e se d\u00e9compose rapidement en eau ordinaire (H-O-H) beaucoup plus stable et en oxyg\u00e8ne. <\/p>\n<p>Inversement, une mol\u00e9cule peut \u00eatre plus stable que ses composants. C\u2019est le cas de l\u2019eau ordinaire. Dans ce cas, c\u2019est le m\u00e9lange hydrog\u00e8ne et oxyg\u00e8ne qui est m\u00e9tastable et c\u2019est leur association qui est exothermique. \u00c0 la temp\u00e9rature ordinaire l\u2019\u00e9nergie apport\u00e9e par les chocs est insuffisante pour franchir la barri\u00e8re de potentiel qui emp\u00eache d\u2019unir les deux composants. Si on \u00e9l\u00e8ve suffisamment la temp\u00e9rature du m\u00e9lange, alors une r\u00e9action en cha\u00eene peut se d\u00e9clencher. Le m\u00e9lange explose en lib\u00e9rant de l\u2019\u00e9nergie et en produisant de l\u2019eau.<\/p>\n<p>Revenons maintenant au cas de l\u2019eau oxyg\u00e9n\u00e9e. Chacun a pu constater que si l\u2019on d\u00e9sinfecte une plaie avec de l\u2019eau oxyg\u00e9n\u00e9e, il y a <a href=\"http:\/\/www.canal-educatif.fr\/video1_chapitree.html\">production abondante de mousse<\/a> (4). L\u2019eau oxyg\u00e9n\u00e9e se d\u00e9compose en lib\u00e9rant de l\u2019oxyg\u00e8ne et de l\u2019\u00e9nergie. Que s\u2019est-il produit? Le sang contient un enzyme appel\u00e9 <a href=\"http:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Catalase\">catalase<\/a> (5) dont le r\u00f4le est justement de d\u00e9composer l\u2019eau oxyg\u00e9n\u00e9e, dangereux oxydant pour nous comme pour les bact\u00e9ries. Du point de vue chimique, les enzymes sont des catalyseurs, c\u2019est-\u00e0-dire des mol\u00e9cules qui acc\u00e9l\u00e8rent certaines r\u00e9actions chimiques en abaissant les barri\u00e8res de potentiel. <\/p>\n<p>Un catalyseur comme la catalase agit en s\u2019unissant temporairement avec l\u2019eau oxyg\u00e9n\u00e9e pour lib\u00e9rer de l\u2019eau. La mol\u00e9cule complexe ainsi form\u00e9e est elle-m\u00eame dissoci\u00e9e par l\u2019eau oxyg\u00e9n\u00e9e lib\u00e9rant \u00e0 nouveau de l\u2019eau, de l\u2019oxyg\u00e8ne et la catalase elle-m\u00eame qui se retrouve intacte \u00e0 la fin de ce cycle de r\u00e9actions. Le cycle peut donc recommencer. Du point de vue thermodynamique, ce <i>cycle de r\u00e9action<\/i>, appel\u00e9 aussi <i>cycle catalytique<\/i> ou <i>m\u00e9tabolique<\/i>, est celui d\u2019une micro-machine thermique capable de pomper l\u2019\u00e9nergie \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur d\u2019un puits de potentiel. L\u2019\u00e9nergie n\u00e9cessaire pour faire marcher la pompe provient de celle lib\u00e9r\u00e9e par la r\u00e9action. C\u2019est donc tout \u00e0 fait l\u2019analogue des cellules de B\u00e9nard ou des cyclones qui utilisent une partie de l\u2019\u00e9nergie transf\u00e9r\u00e9e pour acc\u00e9l\u00e9rer le transfert. Une fois amorc\u00e9e,  la pompe transf\u00e8re l\u2019\u00e9nergie comme un siphon transf\u00e8re l\u2019eau par dessus la margelle d\u2019un puits.<\/p>\n<table width=\"450\" >\n<tr align=\"center\">\n<td>\n<a href=\"http:\/\/www.francois-roddier.fr\/wordpress\/wp-content\/uploads\/2006\/08\/catalase.png\"><img decoding=\"async\" src=\"http:\/\/www.francois-roddier.fr\/wordpress\/wp-content\/uploads\/2006\/08\/catalase.png\" alt=\"catalase\"  class=\"aligncenter size-full wp-image-128\" \/><\/a>\n<\/td>\n<\/tr>\n<tr align=\"center\">\n<td>\nmol\u00e9cule de catalase\n<\/td>\n<\/tr>\n<\/table>\n<p>Tous ces m\u00e9canismes cycliques proviennent du fait que pour avancer il faut faire un pas devant l\u2019autre et recommencer sans cesse la m\u00eame suite de mouvements p\u00e9riodiques. De m\u00eame un rameur reproduit p\u00e9riodiquement les m\u00eame gestes avec ses rames. Pour extraire l\u2019eau d\u2019un puits, l\u2019usage \u00e9tait d\u2019attacher un seau \u00e0 une cha\u00eene, d\u2019enrouler la cha\u00eene sur un tambour et de tourner la manivelle. Les cycles chimiques sont les manivelles qui permettent d\u2019extraire l\u2019\u00e9nergie des puits de potentiel. La nature a semble-t\u2019il invent\u00e9 la roue bien avant l\u2019homme.<\/p>\n<p>Dans mon avant dernier article, j\u2019ai montr\u00e9 que le cycle de rotation d\u2019une cellule de B\u00e9nard formait une boucle d\u2019asservissement. C\u2019est aussi le cas bien s\u00fbr des cycles catalytiques. Il arrive fr\u00e9quemment que l\u2019enzyme qui catalyse la premi\u00e8re r\u00e9action du cycle soit inhib\u00e9 par le produit ultime de la r\u00e9action. Lorsque sa concentration de ce produit atteint une valeur critique, la r\u00e9action s\u2019arr\u00eate.  Elle reprend si sa concentration diminue. On a alors un stabilisateur de concentration comme un thermostat est un stabilisateur de temp\u00e9rature. L\u2019enzyme peut aussi \u00eatre activ\u00e9 par le produit final. La r\u00e9action alors s\u2019acc\u00e9l\u00e8re jusqu\u2019\u00e0 \u00e9limination totale du produit de d\u00e9part. Les organismes vivants contiennent des milliers de cycles catalytiques leur permettant de r\u00e9agir ainsi aux fluctuations du monde ext\u00e9rieur et par cons\u00e9quent d\u2019acqu\u00e9rir un certain degr\u00e9 de conscience (6).<\/p>\n<p>On sait que les boucles d\u2019asservissement peuvent parfois provoquer des oscillations. Il en est de m\u00eame des cycles catalytiques. On pense que certains cycles catalytiques servent d\u2019horloge interne aux \u00eatres vivants. Lorsque nous vieillissons, ces cycles ralentissent nous donnant l\u2019impression que le temps s\u2019\u00e9coule de plus en plus vite, impression joliment d\u00e9crite par Saint Exup\u00e9ry dans l\u2019\u00e9pisode de l\u2019allumeur de r\u00e9verb\u00e8res du Petit Prince. <\/p>\n<p>Vers la fin des ann\u00e9es 50, deux chimistes russes <a href=\"http:\/\/www.ac-poitiers.fr\/sc_phys\/cyberlab\/cyberter\/fete_chi\/BZ\/bz.htm\">Belousov et Zhabotinsky<\/a> (7) qui \u00e9tudiaient les cycles m\u00e9taboliques ont eu la surprise de voir la couleur de leur m\u00e9lange osciller p\u00e9riodiquement. Des ondes color\u00e9es se propageaient dans leur solution. Bill Early, professeur de chimie au coll\u00e8ge j\u00e9suite de l\u2019Universit\u00e9 de Georgetown, raconte qu\u2019apr\u00e8s avoir fait une conf\u00e9rence sur les <a href=\"http:\/\/online.redwoods.cc.ca.us\/instruct\/darnold\/deproj\/Sp98\/Gabe\/\">r\u00e9actions de Belousov et Zhabotinsky<\/a>(8), il s\u2019est trouv\u00e9 avec deux pr\u00eatres j\u00e9suites dans un ascenseur. Voyant son \u00e9prouvette changer p\u00e9riodiquement de couleur, un pr\u00eatre lui aurait demand\u00e9 si le contenu de son \u00e9prouvette \u00e9tait vivant. Il aurait r\u00e9pondu: \u201cce contenu est comme vous, mon p\u00e8re, il m\u00e9tabolise mais ne se reproduit pas\u201d (9)<\/p>\n<p>On pense maintenant que, peu de temps avant l\u2019apparition de la vie, de nombreux cycles m\u00e9taboliques s\u2019auto-organisaient pour dissiper l\u2019\u00e9nergie. Certains apparurent capables de synth\u00e9tiser leurs propres catalyseurs. Le ph\u00e9nom\u00e8ne de reproduction \u00e9tait n\u00e9. Une \u00e9tape essentielle \u00e9tait franchie vers la formation d\u2019organismes vivants (10).<\/p>\n<p>(1) http:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Josiah_Willard_Gibbs<br \/>\n(2) http:\/\/fr.wikipedia.org\/wiki\/\u00c9nergie_d&rsquo;activation<br \/>\n(3) http:\/\/fr.wikipedia.org\/wiki\/Eau_oxyg\u00e9n\u00e9e<br \/>\n(4) http:\/\/www.canal-educatif.fr\/video1_chapitree.html<br \/>\n(5) http:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Catalase<br \/>\n(6) Sur la cybern\u00e9tique des cycles catalytiques lire: Jacques Monod, Le hasard et la n\u00e9cessit\u00e9 (Seuil, 1970), chapitre 4.<br \/>\n(7) http:\/\/www.ac-poitiers.fr\/sc_phys\/cyberlab\/cyberter\/fete_chi\/BZ\/bz.htm<br \/>\n(8) (en anglais) http:\/\/online.redwoods.cc.ca.us\/instruct\/darnold\/deproj\/Sp98\/Gabe\/<br \/>\n(9) Rapport\u00e9 par E. Schneider et D. Sagan dans: Into the cool (Chicago, 2005), chap. 7.<br \/>\n(10) Voir: Maynard Smith et al., Les origines de la vie (Dunod, 2000).<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Les physiciens utilisent souvent la notion de potentiel. J\u2019ai moi-m\u00eame ici parl\u00e9 de l\u2019\u00e9nergie potentielle de l\u2019eau dans un barrage. Il s\u2019agit de l\u2019\u00e9nergie qu\u2019il est possible d\u2019obtenir en faisant tomber l\u2019eau du barrage. Cette \u00e9nergie est d\u2019autant plus grande que le l\u2019eau tombe de plus haut. 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