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Lycée · 1ʳᵉ · Enseignement scientifique

Des éléments chimiques communs entre l'Univers et le vivant

Abondances comparées des éléments dans l'Univers, sur Terre et dans le vivant — programme de 1ère (thème : Une longue histoire de la matière)

À propos de cette page
Ce cours de enseignement scientifique en première sur « Des éléments chimiques communs entre l'Univers et le vivant » suit le programme officiel de enseignement scientifique de première. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Atomes et éléments chimiques : rappels, Abondance des éléments dans l'Univers, Composition chimique de la Terre, Composition chimique des êtres vivants. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de première à réussir en enseignement scientifique.
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Atomes et éléments chimiques : rappels

Un atome est constitué d'un noyau (protons + neutrons) entouré d'électrons. Le nombre de protons dans le noyau définit le numéro atomique Z et détermine l'élément chimique.

Définition. Un élément chimique est l'ensemble de tous les atomes (et ions) possédant le même numéro atomique Z. Il est représenté par son symbole (H, He, C, O, N, Fe…) et son numéro Z dans le tableau périodique.

Deux atomes du même élément peuvent avoir des nombres de neutrons différents : on les appelle des isotopes. Exemple : $^{12}_{6}\text{C}$ et $^{14}_{6}\text{C}$ sont deux isotopes du carbone.

Rappel. La notation $^A_Z X$ signifie : $Z$ = numéro atomique (protons), $A$ = nombre de masse (protons + neutrons), $X$ = symbole de l'élément.

La masse d'un atome est exprimée en unité de masse atomique (u.m.a.) : $1\,\text{u} \approx 1{,}66 \times 10^{-27}\,\text{kg}$. Les électrons ont une masse négligeable par rapport aux nucléons.

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Abondance des éléments dans l'Univers

L'Univers observable est composé à plus de 98 % (en masse) de deux éléments : l'hydrogène (H, environ 75 %) et l'hélium (He, environ 23 %). Tous les autres éléments ne représentent qu'une infime fraction.

Abondance cosmique. L'hydrogène (H) représente ≈ 75 % et l'hélium (He) ≈ 23 % de la masse de l'Univers. Les éléments lourds (C, O, N, Fe…) totalisent moins de 2 %.

Ces abondances ont été déterminées principalement grâce à la spectroscopie : l'analyse de la lumière émise ou absorbée par les étoiles révèle leur composition chimique.

Attention ! Ces pourcentages concernent la matière ordinaire (baryonique). On estime que la matière ordinaire ne représente que ≈ 5 % de la densité totale de l'Univers, le reste étant la matière noire et l'énergie noire.
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Composition chimique de la Terre

La composition de la Terre varie selon les couches géologiques. La croûte terrestre est très différente de l'Univers : l'oxygène (O) y est l'élément le plus abondant.

CoucheÉléments dominants
Croûte continentaleO (46 %), Si (28 %), Al (8 %), Fe (5 %), Ca, Na, K, Mg
ManteauO, Mg, Si, Fe
NoyauFe (≈ 85 %), Ni (≈ 10 %)
Exemple. L'oxyde de silicium ($\text{SiO}_2$, silice) est l'un des constituants majeurs des roches de la croûte terrestre. Quartz, granite, sable en sont des formes courantes.

L'atmosphère terrestre est composée principalement d'azote ($\text{N}_2$, ≈ 78 %) et d'oxygène ($\text{O}_2$, ≈ 21 %), ce qui la distingue fortement de la composition de l'Univers.

À retenir. Sur Terre, l'oxygène (O) est le premier élément en masse (croûte + manteau), alors que dans l'Univers c'est l'hydrogène (H). Cette différence résulte de l'histoire géologique de notre planète.
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Composition chimique des êtres vivants

Les êtres vivants sont constitués d'un petit nombre d'éléments chimiques, très différents des abondances terrestres. On retient l'acronyme CHON pour les quatre éléments majoritaires :

CHON. Carbone (C), Hydrogène (H), Oxygène (O) et Azote (N) représentent environ 96 % de la masse d'un être vivant. On y ajoute souvent P (phosphore) et S (soufre).

Ces éléments sont présents dans les grandes molécules du vivant :

  • Glucides (C, H, O) : glucose $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$, réserve d'énergie
  • Lipides (C, H, O) : membranes cellulaires
  • Protéines (C, H, O, N, S) : enzymes, structures
  • ADN/ARN (C, H, O, N, P) : information génétique
Attention ! L'abondance des éléments dans le vivant ne reflète pas leur abondance sur Terre ni dans l'Univers. Par exemple, le carbone est peu abondant dans l'Univers (<2 %) mais est essentiel au vivant.
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La spectroscopie : lire la lumière des étoiles

La spectroscopie est la technique qui permet de décomposer la lumière d'une source (étoile, nébuleuse) et d'en analyser le spectre. Elle est l'outil principal pour déterminer la composition chimique des astres.

Spectre d'absorption. Quand la lumière blanche d'une étoile traverse son atmosphère, des atomes absorbent des longueurs d'onde précises, produisant des raies sombres (raies de Fraunhofer) sur un spectre continu. Chaque élément a un ensemble de raies caractéristiques ("empreinte digitale" spectrale).

La lumière visible s'étend de ≈ 400 nm (violet) à ≈ 700 nm (rouge). Les raies spectrales permettent d'identifier les éléments présents :

  • Raies de l'hydrogène (série de Balmer) : 656 nm (rouge, $H_\alpha$), 486 nm (bleu-vert, $H_\beta$)…
  • Raies du sodium (Na) : doublet à 589 nm (jaune)
  • Raies du fer (Fe) : nombreuses raies dans le spectre solaire
Exemple. En 1868, la raie à 587,6 nm observée dans le spectre solaire ne correspondait à aucun élément connu sur Terre. On l'attribua à un nouvel élément nommé hélium (du grec Hélios, Soleil). L'hélium fut découvert sur Terre 27 ans plus tard.
Astuce. Un spectre d'émission montre des raies colorées sur fond noir (gaz chaud peu dense). Un spectre d'absorption montre des raies sombres sur fond coloré (gaz froid devant source chaude). Pour les étoiles, c'est généralement un spectre d'absorption.
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La nucléosynthèse : origine des éléments

La nucléosynthèse est la formation des noyaux atomiques. Elle explique pourquoi H et He dominent l'Univers et comment les éléments plus lourds ont été formés.

Nucléosynthèse primordiale (Big Bang). Dans les premières minutes après le Big Bang, les conditions de température et de pression extrêmes ont permis la formation de H, He et Li. Ces trois éléments représentent l'essentiel de la matière de l'Univers primitif.
Nucléosynthèse stellaire. Dans le cœur des étoiles, des réactions de fusion nucléaire transforment des noyaux légers en noyaux plus lourds, en libérant de l'énergie. C'est ainsi que C, O, N, Fe et les autres éléments sont formés.

Exemple de fusion dans le Soleil — la chaîne proton-proton :

$$4\ ^1_1\text{H} \longrightarrow \ ^4_2\text{He} + 2\,e^+ + 2\,\nu_e + \text{énergie}$$

Les étoiles massives produisent des éléments jusqu'au fer (Fe, $Z=26$). Les éléments plus lourds que le fer (or, argent, uranium…) sont principalement synthétisés lors d'événements cataclysmiques comme les supernovae ou les fusions d'étoiles à neutrons.

Attention ! La fusion de noyaux plus lourds que le fer consomme de l'énergie au lieu d'en libérer. C'est pour cela que les étoiles ne peuvent pas aller au-delà du fer par fusion nucléaire ordinaire.
Exemple. Les atomes de fer dans notre sang, de calcium dans nos os ou de carbone dans nos cellules ont été forgés dans des étoiles mortes avant la formation du Soleil. Nous sommes littéralement faits de « poussière d'étoiles ».
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Points communs entre l'Univers et le vivant

Une comparaison des abondances révèle des éléments présents à la fois dans l'Univers et dans le vivant :

ÉlémentUniversCorps humainCommun ?
H (hydrogène)75 %10 %✓ Oui
He (hélium)23 %≈ 0 %✗ Non
O (oxygène)1 %65 %✓ Oui
C (carbone)0,5 %18 %✓ Oui
N (azote)0,1 %3 %✓ Oui
Fe (fer)0,1 %≈ 0,004 %✓ (traces)
Lien Univers-Vivant. Les éléments du vivant (CHON+P+S) sont tous présents dans l'Univers et ont été synthétisés dans les étoiles. La vie telle que nous la connaissons utilise les éléments les plus répandus dans l'Univers après H et He.

Cette universalité des éléments chimiques suggère que la vie pourrait potentiellement apparaître ailleurs dans l'Univers, dans des conditions favorables. C'est l'une des questions de l'astrobiologie.

Conclusion. L'hydrogène, le carbone, l'azote et l'oxygène sont présents à la fois en abondance relative dans l'Univers et sont les briques fondamentales du vivant. Ce n'est pas une coïncidence : les éléments du vivant ont une origine cosmique, forgés dans les étoiles.
En bref
  • L'Univers est composé à 75 % de H et 23 % de He (en masse) — les autres éléments sont minoritaires.
  • Le vivant est composé à ~96 % de CHON (Carbone, Hydrogène, Oxygène, Azote).
  • La spectroscopie (analyse des raies d'absorption/émission) permet de déterminer la composition des étoiles.
  • Les éléments légers (H, He, Li) ont été formés lors du Big Bang (nucléosynthèse primordiale).
  • Les éléments plus lourds (C, O, N, Fe…) ont été forgés dans les étoiles par fusion nucléaire.
  • H, O, C, N sont communs à l'Univers et au vivant → le vivant est fait de poussière d'étoiles.
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