Pour
aller directement au contenu principal : Pressez
Entrez
ANIMATION DE LA CHIMIE
Organique / Inorganique
La chimie synthétique a précédé la biologie synthétique. Il s'agissait déjà, en s'affranchissant du vitalisme, de faire revenir la chimie biologique au monde de la physique et de la chimie. La biologie synthétique aujourd'hui tente la même aventure. Dans les deux cas, cependant, il subsiste un "reste" qui n'est généralement pas bien formalisé, et que je n'avais pas su formaliser à l'époque (1986). Nous savons aujourd'hui que ce reste est une authentique catégorie du réel, l'information. Chaque entité naturelle procède ainsi de cinq catégories, masse, énergie, espace, temps, et information, qu'il convient d'articuler ensemble de façon rationnelle. C'est l'objet des nouvelles réflexions qui se développent aujourd'hui autour des théories de l'information et de leurs applications en biologie synthétique. Issue de l'analyse des séquences génomiques, et en particulier d'une contribution majeure de nos travaux qui a mis en évidence l'omniprésence du rôle des transferts génétiques horizontaux, cette réflexion se poursuit au sein du séminaire hebdomadaire Stanislas Noria, et a donné lieu à la conférence i2Cell en février 2018.
Commençons par un point de vue plus ancien, qui met bien en avant l'absence de séparation entre le monde des Lettres et celui des Sciences :
Avant Berthelot, le seul but de la chimie
était de décomposer les corps en leurs éléments simples. Il réussit,
le premier, en rapprochant ces éléments simples, à reconstituer les
corps à l'état normal, à l'état naturel. Il prouvait en même temps
l'unité de la matière, l'identité de composition dans les corps
animés, organiques et dans les corps inanimés, inorganiques. On
voyait disparaître les vieilles entités scolastiques par lesquelles
on croyait rendre compte de la vie. L'opium fait dormir, disaient
les médecins de Molière, parce qu'il y a en lui une vertu dormitive;
les êtres organisés vivent, disaient les anciens chimistes, parce
que leurs éléments sont maintenus agrégés par la force vitale.
C'était expliquer un fait par le mot même qui qualifie ce fait;
c'était parler pour ne rien dire. Il se passe dans les êtres vivants
des phénomènes qui étaient regardés comme très mystérieux. Les
tissus donnent naissance à des produits, à des corps très
particuliers, que l'on ne retrouvait nulle part dans la nature
inorganique et que l'on ne pouvait produire artificiellement. Il
semblait donc que la nature dût rester indéfiniment partagée en deux
sortes de matières : la matière inorganique et la matière organique.
Sans doute, beaucoup d'éléments inorganiques entraient dans la
composition des corps vivants; mais les corps vivants contenaient ou
produisaient un certain nombre d'éléments qui semblaient leur être
absolument particuliers. Les choses en étaient là, lorsque, vers
1825, Woehler découvrit accidentellement la synthèse de l'urée.
L'urée est un corps important; c'est la principale forme sous
laquelle les excès d'azote sont éliminés de l'organisme humain. Il
est contenu dans l’urine à la dose de vingt-quatre grammes par
litre. Rouelle l'avait isolé, en 1773, en traitant de l'urine
fraîche, procédé toujours en usage. On ne s'imaginait pas que l'on
pût jamais trouver l'urée d'une autre manière quand Woehler raconta
son accident. Il avait rencontré l'urée, mais il ne la cherchait
pas. Il cherchait un sel, l'isocyanate d'ammonium, et il le trouva.
Mais quel ne fut pas son étonnement en constatant que ce sel se
transformait spontanément en urée, dont il avait la même composition
chimique ! La chimie synthétique venait de naître, par hasard; on
venait de trouver un corps inorganique parfaitement identique à un
corps organique, réputé réfractaire à toute synthèse.
[…]
La méthode synthétique en chimie a une importance considérable.
C'est la seule, en effet, qui permette de rendre compte exactement
de la composition des corps. L'analyse est l'opération, mais la
synthèse est la preuve. On est même arrivé à faire la synthèse de
corps dont on ignorait la composition exacte. Le système pourrait
alors se caractériser ainsi, si les deux mots pouvaient s'allier :
une série de tâtonnements méthodiques. On descend dans le mystère
par l'échelle d'analyse, et on en remonte par l'échelle de synthèse.
Au point de vue pratique, la synthèse chimique a permis la
fabrication artificielle de produits végétaux ou animaux, dont
l'extraction était longue, difficile et coûteuse.
L'opposition entre l'organique et l'inorganique n'est rien d'autre que le reflet, sur la matière, du vitalisme. On n'opposait en effet, à la fin du dix-huitième siècle, l'organique à l'inorganique que pour signifier la matière inerte et la matière, sinon vivante, du moins marquée par la vie : aliments, excréments et constituants de la matière vivante. Cette opposition (culturelle !) n'a plus cours que faiblement aujourd'hui : on la remplace par une opposition voisine biologique/inorganique et parfois psychique/inorganique. Le dualisme a survécu et il n'est pas rare d'entendre parler de produits "vivants" (ou biologiques) par rapport aux produits "morts" (ou inorganiques). On voit même certains de nos contemporains — sans doute doués d'un éventail culturel restreint — dire que le beurre est vivant alors que la margarine ne l'est pas *, de même que l'est la vanilline extraite de la gousse de vanille oppose à la vanilline de synthèse.
À vrai dire, il n'est pas nécessaire d'être dualiste pour postuler une force particulière au monde organique :
"La nature ne complique jamais ses moyens sans nécessité : si
elle a pu produire tous les phénomènes de l'organisation, à l'aide
des lois et des forces auxquelles tous les corps sont généralement
soumis, elle l'a fait sans doute, et n'a pas créé, pour régir une
partie de ses productions, des lois et des forces opposées à celles
qu'elle emploie pour régir l'autre partie.
Il suffit de savoir que la cause qui produit la force vitale
dans des corps où l'organisation et l'état des parties permettent à
cette force d'y exister et d'y exciter les fonctions organiques, ne
saurait donner lieu à une puissance semblable dans des corps bruts
ou inorganiques, en qui l'état des parties ne peut permettre les
actes et les effets qu'on observe dans les corps vivants".
J.B. de Lamarck, plus connu comme le créateur d'une théorie de l'évolution des espèces, pose ainsi en 1809, le thème de la différence entre la matière organique et la matière inorganique. On peut remarquer que cette façon de poser une distinction entre les deux états de la matière ne nécessite aucunement l'existence d'un dualisme (matière-esprit ou matière-vie). La pensée de Lamarck est donc, malgré son attitude animante (la force vitale...) tout-à-fait révolutionnaire puisqu'elle permet de se passer d'un principe particulier caractéristique de la matière organique et donc de la vie. Il s'agit cependant d'une tentative isolée, fermée sur un finalisme inadéquat, et qui restera sans lendemain. Se débarrasser du dualisme, revenir au mode de pensée des présocratiques, suppose qu'on puisse remplacer cette vision commode et irréfutable (ce qui, bien entendu, ne veut pas dire vraie ! La phrase : "Il existe, en hébreu, une formule qui guérit toutes les maladies" est irréfutable...) par une représentation adéquate du monde allant de la matière inerte à la matière vivante.
Caractères des corps inorganiques mis en parallèle avec ceux des corps vivants
"1. Tout corps brut ou inorganique n'a l'individualité que
dans sa molécule intégrante (...). Au contraire, tout corps vivant
possède l'individualité dans la masse et son volume (...) ;
"2. Un corps inorganique peut offrir une masse véritablement
homogène, et il peut en constituer qui soient hétérogènes (...) Tous
les corps vivants, au contraire, même ceux qui sont les plus simples
en organisation, sont nécessairement hétérogènes (...) ;
"3. Un corps inorganique peut constituer soit une masse solide
parfaitement sèche, soit une masse liquide, soit un fluide gazeux.
Le contraire a lieu à l'égard de tout corps vivant (...). Les masses
qui constituent les corps inorganiques n'ont point de forme qui soit
particulière à l'espèce (...). Les corps vivants, au contraire,
offrent tous à peu près, dans leur masse, une forme qui est
particulière à l'espèce (...) ;
"4. Les molécules intégrantes d'un corps inorganique sont toutes
indépendantes les unes des autres (...). Au contraire, les molécules
composantes d'un corps vivants (...) sont (...) dépendantes les unes
des autres parce qu'elles sont toutes assujetties aux influences
d'une cause qui les anime et les fait agir ; parce que cette cause
les fait concourir toutes à une fin commune (...) ;
"5. Aucun corps inorganique n'a besoin pour se conserver d'aucun
mouvements de ses parties ; au contraire, tant que ses parties
restent dans le repos et l'inaction, ce corps se conserve sans
altération (...). Mais dès que quelque chose vient à agir sur ce
corps, et à exciter des mouvements et des changements dans ses
parties, ce même corps perd aussitôt soit sa forme soit sa
consistance (...) ; et il perd même sa nature ou est détruit (dans
certains cas). Tout corps, au contraire, qui possède la vie, se
trouve continuellement, ou temporairement, animé par une force
particulière qui excite sans cesse des mouvements dans ses
parties inférieures qui produit, sans interruption, des changements
d'état dans ces parties (...), en sorte que, chez lui, les
mouvements excités (...) altèrent et détruisent, mais réparent et
renouvellent (...) ;
"6. Pour tout corps inorganique, l'augmentation de volume et de
masse est toujours accidentelle et sans bornes, et cette
augmentation ne s'exécute que par juxtaposition (...).
L'accroissement, au contraire, de tout corps vivant est toujours
nécessaire et borné, et il ne s'exécute que par intus susception,
c'est-à-dire que par pénétration intérieure, ou l'introduction dans
l'individu de matières qui, après leur assimilation, doivent y être
ajoutées et en faire partie (...).
"7. Aucun corps inorganique n'est obligé de se nourrir pour se
conserver (...) ; Tout corps vivant, au contraire (...), ne peut
conserver la vie s'il ne se nourrit continuellement (...) ;
"8. Les corps inorganiques (...) ne naissent point, et aucun d'eux
n'est jamais le produit soit d'un germe soit d'un bourgeon (...).
Tous les corps vivants au contraire naissent véritablement et sont
le produit soit d'un germe (...) soit d'un bourgeon
(...) ;
"9. Enfin, aucun corps inorganique ne peut mourir (...). Tout corps
vivant au contraire est assujetti à la mort (...). (...) D'après
cela, quelle inconvenance de la part de ceux qui voudraient trouver
une liaison et en quelque sorte une nuance entre certains corps
vivants et des corps inorganiques !"
Voilà donc comme J.B. de Lamarck voyait se poser en 1809 le problème de l'inorganique et du vivant. On remarquera sa description extrêmement fine des propriétés de la vie, propriétés qu'il conviendra d'expliquer, mais sans avoir, comme lui, recours à une force vitale dont on ne saurait rien dire. Mais le début du XIXème siècle voit aussi la naissance de la théorie atomique et la découverte des éléments chimiques dont la combinaison produit tous les corps inorganiques. Et la question se pose alors : la chimie peut-elle produire des corps organiques, assimilés par les êtres vivants ?
On pouvait reconnaître certains de ces corps dans les excréments des animaux, et l'urée, découverte par Rouelle en 1773 et cristallisée à partir de l'urine, représentait le type même du corps organique. C'est en 1828 que le chimiste allemand Wöhler réussit la synthèse de l'urée à partir du cyanate d'ammonium, considéré comme un corps inorganique. Par toutes ses propriétés, l'urée de synthèse est reconnue comme identique à l'urée extraite des êtres vivants. On estime souvent que Wöhler fonde ainsi la chimie organique, qui sera peu à peu dépouillée de la connotation qui la lie à la vie pour n'être plus que la chimie des composés du carbone et aujourd'hui surtout celle des dérivés du pétrole, le plus souvent non miscibles à l'eau.
À partir du moment où l'urée a été obtenue de façon synthétique un fort courant, parallèle à la montée de la pensée positiviste, se dessine pour admettre la communauté d'identité de la matière inerte et de la matière vivante. Il s'agit d'ailleurs d'une réapparition de la philosophie zoologique de Lamarck où la matière inorganique donne lieu sans cesse à des créatures vivantes, mais au sein d'un nouveau paradigme, celui de la théorie atomique. Plusieurs thèmes vont alors dominer la naissance de la biologie et son développement jusqu'à nos jours : le dualisme va réapparaître sous la forme des théories vitalistes, dans lesquelles on distingue le support matériel de certains principes essentiels qui l'animent, et les théories unifiantes vont se diviser autour de concepts liés au monde inorganique (analogie avec le cristal) ou au monde organique (analogie avec les corps mucoïdes et colloïdes). Des théories et des découvertes nombreuses jalonnent ce parcours.
La fermentation est d'abord expliquée, avant 1840, par Berzélius et Liebig comme un phénomène catalytique ne permettant pas de distinguer l'organique de l'inorganique. Puis Pasteur qui avait pu observer que les produits obtenus à partir des êtres vivants possèdent une certaine dissymétrie (les cristaux d'acide tartrique venant de la fermentation sont tous formés d'un isomère optique, donnant un cristal orienté, alors que les cristaux obtenus par voie chimique sont formés d'un mélange racémique et donc mixte) propose d'éliminer l'idée de génération spontanée. Cela le conduit à inférer que les êtres vivants sont doués de propriétés intrinsèques essentielles** et réintroduit le vitalisme qui sera sans cesse repris jusqu'à nos jours, Bergson représentant l'un des penseurs dominants de ce type de paradigme. Dans le même temps, et sans recourir au démon vitaliste, beaucoup de savants déplacent la distinction entre organique et inorganique vers le couple colloïde/cristalloïde, qui reprend des thèmes prégnants depuis l'antiquité : vivant/inerte, mou/dur, ou mouvant/figé. Les fermentations, les activités diastasiques sont le fait des colloïdes et la cristallisation de l'ovalbumine en 1890 par Hofmeister oblige à déplacer la dualité colloïde/cristalloïde devenue non pertinente.
Curieusement, nous sommes encore proche de ce temps et la cristallisation d'une nouvelle protéine est toujours signalée, même si on n'y met plus autant l'accent. C'est qu'il est probable qu'une nouvelle dualité est en train de se mettre en place. En effet, il semble qu'il soit particulièrement insupportable à beaucoup d'esprits humains d'admettre la continuité de nature de l'inorganique à l'organique. La notion de colloïde n'a d'ailleurs disparu que très récemment : il y avait jusqu'à la dernière guerre, à l'Institut de Biologie Physico-Chimique à Paris, premier institut fondé en Europe pour l'étude pluridisciplinaire des phénomènes de la vie, un « Service de chimie des colloïdes »... Et cette disparition a eu lieu au moment où est né le concept essentiel de macromolécule. La diffrence fondamentale entre l'inerte et le vivant réside en effet dans la très grande complexité des édifices constituant ce dernier. Aucune différence de nature n'apparaît donc, mais au contraire une très grande différence dans l'organisation. Comme les petites molécules, les macromolécules sont cristallisables et par conséquent la dualité colloïde/cristalloïde n'apporte rien de pertinent directement. Pourtant ce thème souligne que certains des aspects physico-chimiques des macromolécules peuvent différer notablement de ceux des petites molécules.
Passage de l'inorganique à l'organique : l'origine de la vie
Remarquons d'abord qu'au contraire de ce qui est souvent affirmé, il n'est pas du tout évident que la vie soit improbable, du moins dans des milieux semblables à la Terre. Pour s'en convaincre, on peut observer que le choix des paramètres possibles est très restreint mais fondamentalement génératif. En effet, les atomes qui forment les molécules du vivant ne sont pas au hasard : faire des édifices stables et complexes requiert une bonne réactivité chimique, une abondance assez grande, une grande stabilité moléculaire. Cela écarte d'emblée les atomes les plus lourds, puisque ce sont les orbitales externes qui fusionnent pour donner des molécules. L'écrantage des couches électroniques internes rend très instables la plupart des édifices macromoléculaires formés d'atomes ayant de nombreuses couches internes, et il ne subsiste guère que l'hydrogène, le lithium, le béryllium, le bore, le carbone, l'azote, l'oxygène et le fluor comme atomes fondamentaux pour la synthèse de macromolécules complexes, stables et diversifies. C'est ensuite l'abondance de ces éléments qui va déterminer leur présence dans les macromolécules : lithium, béryllium et bore sont très rares dans l'univers, il n'est pas étonnant qu'on ne les trouve pas comme constituants majeurs de la vie. Le fluor combiné au carbone donne des molécules très stables, trop stables sans doute pour permettre un métabolisme aux températures où l'eau est liquide : il n'apparaît pas non plus comme constituant majeur. Il convient pour finir, de mentionner l'un des aspects les plus récemment mis en évidence où l'osmose semble, concrètement, jouer le rôle de processus sous-jacent au fonctionnement du vivant : les mécanismes chimiosmotiques responsables grâce à un déplacement de protons, de la synthèse de l'énergie chimique utilisée par les êtres vivants.
Il s'agit d'un phénomène modèle, décrit par le chimiste anglais P. Mitchell, et pour lequel il a obtenu l'attribution d'un prix Nobel. On sait, en effet, que plus de 95% de l'énergie utilisée par les plantes et les animaux provient d'un métabolisme appelé phosphorylation oxydative et qui a lieu au niveau d'organites spécialisés, essentiellement constitués de structures membranaires, les mitochondries. On sait, dans tous les cas, qu'il s'agit d'un mécanisme complexe mettant en jeu un transport d'électrons, au cours duquel certaines molécules se trouvent oxydées, alors que, en parallèle, s'effectue la transformation
ADP + phosphate ——> ATP
où l'ATP est le donneur universel d'énergie chimique. Ce problème majeur de la biologie, étudié depuis plus d'un demi-siècle, et jamais résolu, a été remarquablement formulé par Mitchell dès 1961, qui a eu le mérite de remarquer comment l'arrangement géométrique des molécules au sein des systèmes vivants se prêtait à la mise en place d'un couplage remarquable entre les mécanismes de la respiration cellulaire, ou de la photosynthèse, et la phosphorylation conduisant à l'ATP. Son idée a été qu'il devait exister en parallèle avec la transformation d'énergie chimique ou d'énergie lumineuse en énergie chimique une translocation particulière d'un support moléculaire approprié, processus dans lequel la membrane devait jouer un rôle de premier plan, sa structure permettant la séparation, la compartimentation de l'énergie dans l'espace. Son idée, qui semble valide (bien qu'elle n'ait pas été explicitement prouvée) est qu'il s'agit d'un phénomène chimiosmotique mettant en jeu un transport actif de protons H+, de telle sorte que l'eau puisse traverser librement la membrane mais que la concentration en protons (le pH) soit inégale de part et d'autre de celle-ci. Cette théorie proprement osmotique, est fondée sur les quatre postulats suivants :
a/ L'enzyme responsable de la synthèse de l'ATP est une protéine membranaire, dont l'activité catalytique réversible est sensible au gradient chimiosmotique des protons, permettant une phosphorylation selon un rapport quantitatif fixe protons/phosphate.
b/ Les chaînes respiratoires ou photosynthétiques sont constituées de protéines membranaires à l'activité sensible au gradient chimiosmotique des protons, selon un rapport défini protons/électrons transférés. Leur tendance à effectuer la translocation des protons d'une face à l'autre de la membrane se fait dans le même sens que l'activité hydrolytique de l'ATPase membranaire.
c/ Il existe dans la membrane des systèmes de transport spécifique, dépendant de la concentration en protons, permettant l'équilibre osmotique et le transport des métabolites.
d/ Tous ces systèmes se trouvent insérés dans une membrane fermée qui a la propriété d'être (librement) perméable à l'eau, mais de présenter une forte barrière osmotique à la perméabilité des diverses molécules ou ions en solution, en particulier des protons H+ et des ions hydroxyle OH-.
Cette hypothèse a le mérite de donner une image homogène du fonctionnement cellulaire et d'introduire une hiérarchie particulière dans l'ensemble des activités d'une cellule en privilégiant la membrane qui peut ainsi coordonner un grand nombre de processus. Il est clair en particulier — et Mitchell insiste sur ce point — que les concepts liés à l'osmose vont devoir être raffinés et mieux compris si l'on veut progresser, en particulier les notions géométriques associes à ce processus, mettant en jeu des structures moléculaires concrètes, initialement présentes, vont devoir être approfondies. Ainsi, sous son aspect bien différent de ce qu'on aurait pu imaginer au début du XXe siècle, l'étude de l'osmose et la formulation des concepts qui y sont associés va se trouver au centre des préoccupations de ceux qui veulent produire des modèles adéquats de la vie.
* Il est vrai que certaines margarines comportent de "l'huile végétale hydrogénée" qui est un dangereux ersatz des lipides qui forment nos cellules.
** L'attitude de Pasteur est particulièrement claire lorsqu'il parle des fermentations, dans une longue dispute avec Claude Bernard, qui les résumait à des réactions chimiques banales, alors que Pasteur impliquait la nécessité d'un principe vivant pour qu'elles puissent avoir lieu.
SCIENCE