Air et cycles vitaux de la biosphère

En bref : Les échanges entre les différentes enveloppes de la Terre : biosphère, lithosphère, hydrosphère et atmosphère, sont multiples, complexes et permanents. La vie sur notre planète est étroitement liée à l’atmosphère, en tant que réservoir d’éléments chimiques comme le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, l’azote, le soufre…

Atmosphère et transfert des éléments chimiques nécessaires à la vie

Réservoir pour la plupart des éléments chimiques, l’atmosphère assure une fonction fondamentale pour les êtres vivants. Les échanges entre lithosphère, hydrosphère et biosphère sont divers et permanents. L’atmosphère est une étape privilégiée de la circulation des éléments chimiques abiotiques qui servent à l’édification des êtres vivants. En effet, les organismes vivants ont besoin d’une quarantaine d’éléments pour synthétiser leur propre matière. Il s’agit :
– du carbone, de l’azote, de l’hydrogène, de l’oxygène, du soufre et du phosphore. Ce sont les plus importants car ils constituent l’essentiel de la matière vivante (C, H, O et N représentent à eux seuls environ 95 % de la constitution atomique des êtres vivants) ;
– des macroéléments : potassium, calcium, magnésium, sodium, etc. Ils sont nécessaires en « relative » grande quantité ;
– des oligo-éléments : zinc, cuivre… nécessaires en très faible quantité.

Teneur en éléments du corps humain

Ces éléments passent alternativement de la matière vivante à la matière minérale en parcourant des cycles plus ou moins longs et complexes : les cycles biogéochimiques. Un élément donné peut ainsi passer par la biosphère, le long des chaînes alimentaires, pour se retrouver dans l’atmosphère, puis dans les océans, être stocké durant de très longues périodes dans des sédiments avant d’être libéré et réutilisé à nouveau par les organismes vivants. Il faut cependant souligner que les cycles biogéochimiques de ces divers éléments ne passent pas forcément par l’atmosphère (ex. : le phosphore). De plus, il faut signaler le rôle essentiel de l’eau (H₂O) dont le cycle intervient dans la quasi-totalité des mécanismes intervenant sur Terre : climat, érosion, vie…

Cycles du carbone et de l’oxygène

Rôle de ces éléments dans la nature

L’oxygène et le carbone constituent 83,5 % des atomes du corps humain. Organisés en molécules avec l’hydrogène et l’azote, ils constituent la plus grande partie de la matière organique caractéristique des êtres vivants. L’atome de carbone possède des caractéristiques tout à fait particulières :
d’une part, il se comporte comme un atome neutre capable de se combiner avec des atomes électropositifs et des atomes électronégatifs ;
d’autre part, chaque atome de carbone est capable de former quatre liaisons avec d’autres atomes et environ un million de composés différents du carbone sont actuellement recensés.

De plus, le carbone et l’oxygène interviennent de façon prépondérante dans les mécanismes énergétiques indispensables aux êtres vivants. D’un point de vue énergétique, il existe deux types d’êtres vivants :
- Les autotrophes : organismes capables de construire leur propre matière à partir des différents éléments minéraux de leur environnement. Par exemple, lors de la photosynthèse, les végétaux chlorophylliens sont capables de constituer leur matière organique à partir du dioxyde de carbone (CO₂ ), de l’eau et des sels minéraux, en utilisant l’énergie lumineuse. Le dioxygène rejeté dans l’atmosphère peut être considéré comme un déchet de la photosynthèse.
- Les hétérotrophes : organismes qui élaborent leur matière organique à partir de molécules fabriquées par d’autres êtres vivants ou morts. Ils les utilisent comme matières premières et comme source d’énergie lors de deux mécanismes différents :

• La fermentation, en milieu anaérobie (sans dioxygène) au cours de laquelle les molécules organiques sont dégradées de manière incomplète et avec libération de CO₂. Exemple : transformation du glucose en éthanol lors de la fermentation alcoolique réalisée par certaines bactéries.
• La respiration en milieu aérobie (avec dioxygène) au cours de laquelle l’ensemble des molécules énergétiques est dégradé en CO₂ et en H₂O qui sont rejetés dans l’atmosphère. Exemple, transformation du glucose au cours de la respiration animale et végétale. Le rendement de la respiration est largement supérieur à celui de la fermentation : la dégradation d’une mole de glucose libère près de 45 fois plus d’énergie lors la respiration que lors de la fermentation.

Cycle du carbone

La composition chimique de l’atmosphère est déterminée par des échanges constants entre les quatre grands réservoirs (ou sphères) de l’environnement terrestre que sont l’atmosphère, l’hydrosphère (océans), la lithosphère (sol et roches du sous-sol) et la biosphère. Les différents éléments sont recyclés en permanence, passant sans cesse d’une sphère à l’autre, sous l’effet de divers processus. Pour un élément donné et par rapport à une sphère particulière, il est possible de déterminer des sources à partir desquelles l’élément va être introduit dans la sphère et des puits à partir desquels l’élément va en être retiré. Le carbone par exemple, existe essentiellement dans l’atmosphère sous forme de dioxyde de carbone (CO₂).

Contenu des principaux réservoirs de carbone terrestre
(milliards de tonnes)

Ce carbone de l’atmosphère peut être échangé avec la biosphère par le biais des mécanismes de la photosynthèse, qui constitue un puits et de la respiration-fermentation qui constitue une source. Les différents échanges entre les réservoirs de carbone sont résumés dans le schéma suivant :

Le cycle naturel simplifié du carbone

L’oxygène atmosphérique, bien que pouvant résulter de la dissociation de l’eau, est essentiellement d’origine photosynthétique. De ce fait, le cycle de l’oxygène est souvent associé à celui du carbone auquel il est antiparallèle dans son trajet principal : combustion et respiration épuisent l’oxygène qui est reconstitué par la photosynthèse. En fait, le cycle de l’oxygène, en raison de sa capacité à participer à de multiples combinaisons chimiques est très complexe. Citons pour exemples :
– la formation de l’ozone : 3O₂<-> 2O₃ ;
– l’oxydation des minéraux comme le fer : 4FeO + O₂ -> 2Fe2O₃ ;
– l’oxydation du monoxyde de carbone, de l’azote…

Le cycle simplifié de l’oxygène dans la biosphère

Autres cycles biogéochimiques

Le cycle de l’azote

Le cycle de l’azote est l’un des plus complexes des cycles biogéochimiques. L’azote atmosphérique (N₂), qui constitue près de 80 % du poids de l’air, représente la plus importante réserve de cet élément pour la biosphère. Cependant, rares sont les organismes pouvant l’utiliser tel quel. Pour être assimilé par les plantes, l’azote doit se présenter sous une forme oxydée : nitrates (NO₃^-) ou réduite : ammoniaque (NH₄⁺). Le cycle de l’azote est constamment alimenté par l’atmosphère de différentes façons, dont la plus importante est la fixation bactérienne. Certains micro-organismes sont capables de fixer l’azote de l’air :
- des bactéries (azobacter et clostridium) utilisant l’énergie de leur respiration pour incorporer directement N₂ sous forme de protides. Mortes, elles enrichissent ensuite le sol en azote organique.
- des bactéries (rhizobium) vivant en symbiose avec des légumineuses dans des nodules fixés aux racines. Elles assimilent d’énormes quantités d’azote atmosphérique et le transforment en azote organique qui nourrit la plante et diffuse dans le sol lors du dépérissement des nodules.
- des «algues bleues» (cyanobactéries) pouvant également fixer directement l’azote de l’air. Elles jouent un rôle très important dans la productivité des rizières.

Les décharges électriques des orages provoquent l’oxydation de l’azote et produisent des nitrates (N₂ + O₂ -> NO₃) qui se déposent sur le sol et peuvent ensuite être assimilés par les plantes. L’azote est ainsi amené jusqu’aux racines des plantes sous forme de nitrates, servant à la fabrication de protéines végétales, et entre donc dans les chaînes alimentaires. À la mort des végétaux et des animaux, les décomposeurs font passer progressivement l’azote de l’état organique à l’état minéral avec comme produit final, l’ammoniac (NH₃). NH₃ est ensuite repris par d’autres bactéries qui le transforment progressivement en nitrates (NO^₃-) de nouveau assimilables par les plantes : c’est le processus de nitrification. L’azote fixé par les organismes vivants peut retourner dans l’atmosphère. Il existe, en effet, un processus de dénitrification bactérienne dans lequel les nitrates sont transformés en azote rendu à l’atmosphère (une faible partie est également rejetée dans l’atmosphère par les phénomènes volcaniques).

Le cycle naturel simplifié de l’azote

Le cycle du soufre

Dans la biosphère, le soufre circule essentiellement sous forme :
– d’hydrogène sulfuré (H₂S) ;
– de dioxyde de soufre (SO₂) ;
– et de sulfates (SO₄^2-). En général, dans la plupart des sols, le soufre est un élément assez rare qui provient de la décomposition de la roche-mère contenant des minéraux tels les pyrites (FeS₂). La principale source de soufre pour les organismes vivants sont les sulfates (SO₄^2-), dont la solubilité dans l’eau en fait la seule forme de soufre élémentaire inorganique disponible. Ces sulfates peuvent être absorbés par les plantes qui les utilisent pour élaborer des acides aminés sulfurés : cystine, cystéine et méthionine.

Lorsque les plantes meurent, ce soufre est restitué au sol par l’activité de micro-organismes (par exemple les sulfobactéries) qui réduisent le soufre organique (acides aminés) en hydrogène sulfuré (H₂S). L’hydrogène sulfuré peut alors se dégager dans l’air ou dans l’eau, ou être transformé en produits dont l’oxydation aboutit à la production de sulfates qui peuvent à nouveau être repris par les racines des plantes et continuer ainsi le cycle. Le cycle du soufre présente également une phase sédimentaire. Lorsqu’il précipite en milieu anaérobie en présence de fer, le soufre s’accumule sous forme de FeS₂, qui pourra être réintroduit dans le cycle par l’érosion des sols et le volcanisme.

Le cycle naturel simplifié du soufre