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Les éléments de l'univers

Il y a 92 éléments naturels sur la Terre. Certains sont très bien étudiés, d'autres pas du tout : par exemple l'astatine (Bryson 2003). Le problème est que certains éléments sont très rares. Par exemple, seulement 24,5 grammes de francium se produisent à tout moment dans toute la croûte terrestre. Seulement une trentaine d'éléments naturels sont répandus sur Terre, et très peu sont importants pour la vie (Figure 1). Dans le système solaire, les étoiles en général, et probablement l'univers dans son ensemble, les éléments les plus abondants sont les éléments les plus légers : plus de 75% d'hydrogène (H), 25% d'hélium (He), environ 1% de tout le reste. Dans la catégorie « tout le reste », même les éléments numérotés sont plus abondants que les éléments numérotés impairs. L'abondance tend à diminuer rapidement avec l'augmentation du nombre atomique. Cependant, le carbone (C), l'oxygène (O), le magnésium (Mg), le silicium (Si) et le fer (Fe) sont anormalement élevés par rapport à ces tendances générales, tandis que le lithium (Li), le béryllium (Be) et le bore (B) sont anormalement faibles. Dans la croûte terrestre, l'ordre d'abondance est O (< 50%), Si (> 20%), Al, Fe, Mg, Ca, Na et K. Ce sont toutes les sortes d'éléments dont les roches sont la plupart du temps faites. Dans l'ensemble de la Terre, à cause du noyau et du manteau, Fe, Ni et Mg deviennent plus communs, tandis que O, Si, Al demeurent des constituants globaux majeurs (tableau 1). En ce qui concerne la vie, les éléments ont des fonctions différentes (tableau 2). Nous avons évolué pour utiliser ou tolérer les éléments, mais nous vivons dans des limites étroites d'acceptation. En règle générale, notre tolérance à l'égard des éléments est directement proportionnelle à leur abondance dans la croûte terrestre (Bryson 2003).

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Figure 1 : Répartition des éléments naturels connus ou considérés comme essentiels à la vie dans le tableau périodique. La compréhension de l'importance écologique du C, de l'N et du P est beaucoup plus avancée qu'elle ne l'est pour les autres éléments (redessiné après Da Silva & Williams 2001)

Tableau 1 : Présence d'éléments en% de poids sec de la croûte terrestre, d'algues vertes et d'animaux (données provenant de différentes sources) par rapport à la laitue cultivée dans un système hydroponique et aux aliments pour poissons (Schmautz, données inédites). Notez que la fréquence (et avec cela la disponibilité) des éléments dans la croûte terrestre ne correspond pas à la fréquence chez les êtres vivants

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Macro- et micronutriments et leurs rôles dans les organismes

Les éléments chimiques ont des rôles différents et sont principalement impliqués dans différentes fonctions dans un organisme (tableau 2). Les organismes n'ont pas besoin de tous ces éléments dans les mêmes quantités. Certains éléments sont nécessaires en grandes quantités, tandis que d'autres sont nécessaires en quantités infimes. Ceci est illustré par la formule stoechiométrique provisoire pour un être humain vivant (Sterner & Elser 2002) :

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Cela signifie que pour chaque atome de cobalt (Co) dans notre corps, il y a 132 millions d'atomes d'oxygène (O). Les principaux besoins nutritionnels des végétaux et des animaux, sans lesquels ils ne sont pas en mesure de terminer un cycle de vie normal, sont décrits à la figure 2. Les macronutriments sont nécessaires en plus grandes quantités. Les micronutriments sont requis en quantités infimes.

Tableau 2 : Fonctions primaires et éléments chimiques (ou ions associés) impliqués dans leur exécution pour les organismes (modifié de Sterner & Elser 2002). Les éléments ayant un rôle relativement mineur sont indiqués entre parenthèses

Fonction Éléments Forme chimique Exemples Structure (polymères biologiques et matériaux de support) H, O, C, N, P, S, Si, B, F, Ca, (Mg), (Zn) Impliqué dans des composés chimiques ou des composés inorganiques peu solubles molécules biologiques (protéines, ADN, graisses, carbohyxdrates) tissus (muscle, poumon, feuilles...) squelettes ; coquilles ; dents tissus de soutien des plantes (lignine, cellulose) Électrochimique H, Na, K, Cl, HPO 2-, 4 (Mg), (Ca) Ions libres transmission des messages dans les nerfs signalisation cellulaire métabolisme énergétique Mécanique 2- Ca, HPO4 , (Mg) Échange d'ions libres avec des ions liés Contraction musculaire Catalytique (acide-base) Zn, (Ni), (Fe), (Mn) Complexé avec des enzymes Digestion (Zn). Le zinc oxyde l'alcool. Hydrolyse de l'urée (Ni) Suppression de PO4 dans les milieux acides (Fe, Mn) Catalytique (redox) Fe, Cu, Mn, Mo, Se, (Co), (Ni), (V) Réactions avec O2 (Fe, Cu) fixation de l'azote (Mo) réduction des nucléotides (Co) Co est nécessaire pour la création de la vitamine B12

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Figure 2 : Besoins nutritionnels des plantes et des animaux Notez que l'eau (dont ont besoin tous les êtres vivants) n'est pas incluse dans le tableau. Les animaux obtiennent leurs nutriments à partir de la nourriture et des boissons. Les plantes, à l'exception des plantes parasitaires et carnivores, absorbent les éléments nutritifs essentiels de leur environnement (air, solution du sol, solution nutritive)

*Copyright © Partenaires du projet Aqu @teach. Aqu @teach est un partenariat stratégique Erasmus+ dans l'enseignement supérieur (2017-2020) dirigé par l'Université de Greenwich, en collaboration avec l'Université des sciences appliquées de Zurich (Suisse), l'Université technique de Madrid (Espagne), l'Université de Ljubljana et le Centre biotechnique Naklo (Slovénie) . *

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