Par Chris Deziel
Mis à jour le 24 mars 2022
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Les composés organiques – ceux qui forment la chimie de la vie – sont définis par la présence de carbone. En tant que sixième élément le plus abondant dans l’univers et sixième du tableau périodique, la structure électronique unique du carbone lui confère une polyvalence inégalée. Ses deux électrons de couche interne et ses quatre électrons de couche externe lui permettent de former quatre liaisons covalentes fortes, une propriété qui permet l'assemblage de molécules vastes et stables même dans des environnements aqueux. Cela rend le carbone indispensable non seulement à la biologie de la Terre, mais aussi à toute vie qui pourrait exister ailleurs.
Les quatre électrons de valence du carbone lui permettent de former des liaisons covalentes diverses et robustes, créant ainsi des molécules qui restent intactes dans l’eau. Près de 10 millions de composés carbonés uniques ont été catalogués, qui sont à la base de tous les systèmes vivants.
Les atomes s'efforcent d'obtenir un octet (huit électrons dans leur enveloppe externe) via des liaisons ioniques ou covalentes. Le carbone, avec ses quatre électrons de valence, peut à la fois donner et accepter des électrons, formant simultanément jusqu'à quatre liaisons covalentes. Cette flexibilité est illustrée par le méthane (CH₄), où chaque hydrogène partage une paire d'électrons avec le carbone, répondant ainsi aux exigences d'octet des deux atomes.
Lorsque deux atomes de carbone partagent une seule paire d’électrons, ils créent une liaison forte avec chacun trois sites de liaison restants. L'ajout d'atomes de carbone élargit rapidement le réseau, produisant des chaînes linéaires, des anneaux ou des structures polycycliques complexes. Les possibilités combinatoires sont vastes, expliquant pourquoi les chimistes ont identifié près de 10 millions de molécules distinctes à base de carbone. Parmi les éléments les plus essentiels à la vie figurent les glucides, les lipides, les protéines et les acides nucléiques, le plus connu étant l'ADN.
Le silicium, juste en dessous du carbone dans le tableau périodique, est 135 fois plus abondant sur Terre et possède également quatre électrons externes. Cependant, les électrons de valence du silicium résident dans la troisième orbitale, qui peut accueillir jusqu’à 18 électrons, ce qui entraîne des liaisons plus longues et plus faibles. Par conséquent, les liaisons silicium-silicium sont moins robustes que les liaisons carbone-carbone à des températures respectueuses de la vie, et les composés à base de silicium se dissolvent ou se décomposent souvent dans l'eau. De plus, le dioxyde de silicium est un solide, de sorte que tout métabolisme à base de silicium devrait expulser des déchets solides, un résultat évolutif peu probable. Ces facteurs, combinés à la prévalence de l'oxygène et à la nécessité du CO₂ gazeux pour les cycles énergétiques, favorisent le carbone comme chimie de la vie.