Les êtres vivants sont des machines biologiques. Comme toutes les machines, elles obéissent aux lois de la physique et de la chimie. Des lois que l’on peut résumer par la célèbre phrase de Lavoisier : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ». Que signifie cette phrase. Tout simplement qu’on ne peut pas créer de la matière et de l’énergie. On ne peut que transformer ce qui existe déjà. Autrement dit, dans une réaction chimique, on va trouver autant de matière et d’énergie produites qu’il n’en a été consommées. Cette matière et cette énergie vont juste se trouver sous une forme différente.

Les êtres vivants vont respecter cette règle : elles vont prendre leur matière et leur énergie dans le milieu extérieur et après utilisation y rejeter les déchets. C’est ce flux de matière et d’énergie qui leur permet de rester vivant. Toutefois, la biosphère est si complexe que le déchet des uns peut très bien constituer la source de matière des autres. Un exemple parmi les plus triviaux : les plantes utilisent du CO2 et rejettent de l’oxygène comme déchet mais les animaux utilisent cet oxygène comme source d’énergie et rejettent du CO2. Ainsi donc, ces deux groupes du vivant sont interconnectés au sein de ce que l’on appelle des cycles. Les animaux ont besoin des plantes pour leur respiration, mais les plantes ont également besoin des animaux pour leur nourriture.

La matière vivante est constituée d’atomes. Ces atomes, les être vivants ne peuvent pas les fabriquer, ils doivent les prendre dans leur environnement. Il ne s’agit cependant pas de n’importe quels atomes, ils ont des besoins bien précis. Précédemment, j’en avais cité six indispensables à la construction de la matière vivante : le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, l’azote, le soufre et le phosphate. Ils servent à construire les molécules organiques de notre corps : les protéines, l’ADN et toute sorte d’autres molécules biologiques. Mais il n’y a pas qu’eux. Il existe quatre-vingt-douze éléments à l’état naturel. Mais la vie n’en utilise que vingt. Au six de base, il faut rajouter des ions tels que le sodium, le potassium, le calcium, le chlore, des métaux tels que le fer, le cuivre, le zinc, le sélénium.

Malheureusement, la croûte terrestre est principalement constituée de silicium et d’alumine. Les atomes dont les être vivants ont besoins sont rares, ils devront les concentrer pour construire la matière qui les constitue. Cette récupération des atomes depuis l’extérieur s’appelle la nutrition.

Dans la nature, il existe deux modes de nutrition. Le premier consiste à récupérer tous les atomes nécessaires à sa survie en les prenant à un autre être vivant. Les molécules organiques dont ils ont besoin sont fabriquées à partir d’autres molécules de même nature. C’est l’hétérotrophie rencontrée, principalement chez les animaux. La deuxième consiste à trouver les atomes et l’énergie nécessaire à ses besoins dans l’environnement sans la prendre à d’autres animaux. Leurs molécules organiques sont fabriquées à partir des matières minérales trouvées autour d’eux. On appelle cela l’autotrophie, pratiquée par les plantes et un bon nombre de bactéries. Et la forme d’autotrophie la plus connue, la seule dont je parlerai ici, c’est la photosynthèse.

L’hétérotrophie est plus efficace que l’autotrophie puisqu’un hétérotrophe consomme une nourriture déjà concentrée. Tout le travail nécessaire pour rassembler les atomes a été fait par un autre, ils n’ont qu’à les réarranger. C’est la raison pour laquelle ils sont généralement plus actifs, souvent mobiles et plus diversifiés. Malheureusement pour nous, il existe un principe fondamental de la physique, nommé « le second principe de la thermodynamique » tapit dans l’ombre prêt à nous prendre en traître. Ce principe fait qu’au cours de la transmission de la matière biologique d’un hétérotrophe à un autre, la matière vivante. À terme, elle redevient dioxyde de carbone ou de soufre, eau, ammoniaque, et plein d’autres chose. Les hétérotrophes ne savent que faire de cela.

Il faut renouveler continuellement cette matière, et ça seuls les autotrophes savent le faire. Ce qui les rend indispensables à la biosphère et base de toutes les chaînes alimentaires. En fait, il faut voir une chose. Les hétérotrophes ont besoin des autotrophes pour leur survie, alors que ces derniers pourraient bien se passer des premiers. Malheureusement pour nous, nous sommes, des hétérotrophes. Nous avons donc besoin pour vivre que la totalité de la chaîne alimentaire soit fonctionnelle.

Les autotrophes sont donc indispensables à notre survie. Mais le travail de concentration qu’ils doivent faire est lent et difficile, leur métabolisme est plus bas. Ce qui les oblige à être plus nombreux que les hétérotrophes qu’ils doivent alimenter.

Le principal problème qui se pose aux autotrophes est qu’ils ne peuvent pas se déplacer. Ils doivent trouver tout ce dont ils ont besoin dans leur environnement immédiat. Ces besoins concernent les vingt atomes nécessaires à la fabrication leur matière vivante, mais aussi l’énergie nécessaire pour la mettre en œuvre. Pour une plante, c’est la lumière. Les atomes aussi, ne sont pas utilisés tels quels. Ils doivent être intégrés à des molécules pour pouvoir être métabolisé par les plantes. Le carbone par exemple, doit être sous forme de dioxyde de carbone, de même que l’oxygène, l’hydrogène est pris à l’eau, l’azote au nitrate du sol. Les autres atomes sont récupérés sous forme d’ion dans le sol. Tout de suite vous allez voir le problème :

— le dioxyde de carbone est un gaz, il se répand partout dans le monde grâce au vent et les plantes n’en manquent jamais.

— l’eau est un liquide. Elle n’est pas répartie équitablement à la surface de la Terre. Mais les grandes civilisations savent maîtriser l’irrigation depuis des millénaires. C’est un problème mais ce n’est pas le pire.

— Tous les autres éléments se trouvent dans le sol. Et s’il n’y est pas, eh bien, les plantes ne pourront pas les assimiler. De plus, quand ils y sont, les plantes vont puiser dedans, il y en aura donc moins. Et après plusieurs cycles de croissances et de récoltes, les champs deviendront stériles.

En fait, la situation n’est pas si critique. La plupart de ces éléments sont sous forme ionique, solubles dans l’eau et peuvent être transporté par elle. Ils sont de plus très fréquent dans la nature et pour certains – comme le calcium – c’est leur excès qui peut être un problème. Il y a cependant trois substances indispensables qui posent problèmes : les nitrates, les phosphates et le potassium. Ces trois substances sont utilisées en grande quantité par les plantes et ne sont normalement pas présentes dans l’eau ou à très faibles concentrations. En plus l’un d’eux, le nitrate, se périme. Au bout d’un moment, il redevient de l’azote et de l’eau.

Ces trois substances sont ce que l’on appelle, des facteurs limitants. C’est leur richesse dans le sol qui va limiter la fertilité d’un champ. Quand il n’y en a pas dans le sol, ou trop peu, le champ sera stérile. S’il y en a beaucoup au contraire, il sera très productif. L’une des tâches d’un agriculteur est donc de faire en sorte que ces trois substances y soient.

Au fait, vous avez remarqué ? Si on remplace le potassium par son symbole chimique K, la première lettre de chaque substance donne NPK. Ça ne vous rappelle rien ? Si vous êtes jardinier, vous aurez reconnu le symbole qui figure sur les boites d’engrais achetées en supermarché. Ce n’est pas un hasard.

Pour en savoir plus:

• Une explication de la thermodynamique : https://youtu.be/tTy7IepAt3k
• L'autotrophie : https://fr.wikipedia.org/wiki/Autotrophiel
• L'hétérotrophie : https://fr.wikipedia.org/wiki/H%C3%A9t%C3%A9rotrophie