La maison d'alzaz ou le blog de l'écologie

16 août 2009

Flux et cycles dans la biosphère : cas du carbone

Nous avons vu dans les articles précédents que la vie sur terre était branchée énergie lumineuse solairecycles azote et carbone simplifiés. Cette énergie, constituée par les rayons lumineux du soleil, est déversée en un flux continu depuis des milliards d’années. Ce flux ne prendra fin que dans quelques autres milliards d’années.

Lorsque le végétal pourvu de chlorophylle reçoit une certaine quantité de cette énergie, il la transforme en un autre type d’énergie que tout être vivant sera capable d’utiliser : l’énergie chimique. Nous sommes bourrés d’énergie chimique.

De cette façon, le végétal est une usine à fabriquer des sucres, grâce au soleil. Le végétal en est ainsi composé à plus de 95% de sa matière sèche (glucose, saccharose, fructose, amidon…). A partir de ces sucres, la chaîne de vie constituée par l’ensemble des êtres vivants (Végétaux, animaux, microbes) est prête à se servir de ce que dame Nature met à sa disposition : une quarantaine d’éléments chimiques indispensables pour créer et entretenir une biosphère (Carbone, oxygène, hydrogène, azote, phosphore, soufre…).
Tableau périodique des éléments
Si les éléments utilisés n’étaient pas remis à disposition des vivants par les défunts, la terre ne porterait plus la vie depuis longtemps ; le stock initial aurait été épuisé. La décomposition de la matière à la mort des individus permet une restitution de l’emprunt fait auparavant au grand système, et c’est ainsi qu’on parle de cycle(s) de la matière dans la biosphère.

Pour faire plus savant, et c’est tout à fait justifié, nous décrirons les cycles bio-géo-chimiques : du carbone (dans cet article), de l’eau, de l’azote et de l’oxygène (dans le post suivant). Mais prenons conscience dès maintenant du fait que :

– nous sommes, comme le soleil, constitués de matière fabriquée à l’origine par une étoile défunte,

– cette matière a appartenu de manière tout à fait éphémère aux êtres vivants qui nous ont précédé. Car ce sont les mêmes atomes qui ont pu faire un pissenlit, un lapin, un Victor Hugo, un alzaz…

nous devrons réintégrer un jour l’ensemble des cycles.

– il y a une différence entre flux -d’énergie- et cycles -biogéochimiques de la matière ; la première est perdue pour la biosphère et le soleil doit nous en apporter en continue une nouvelle, soleil qui se vide donc peu à peu de son énergie ; la seconde, la matière, fait une boucle permanente tant que durera le premier.

LE CYCLE DU CARBONE :

Cycle du carbone simplifiéDans la nature, le carbone est un élément assez courant bien que peu répandu dans l’univers. Cependant, il est un des piliers de la vie sur terre ; le second est de loin l’eau, le troisième est, à mon sens, l’azote, puis vient enfin l’oxygène, non indispensable à certains organismes : le O2 ou oxygène bien précieux pour les êtres qui pratiquent la respiration aérobie et peuplant, depuis près de deux milliards d’années, la terre. Rappelons que les premiers habitants des océans ne respiraient pas comme nous, l’atmosphère étant dépourvue de ce gaz vital pour nous.

Le carbone est présent dans la biosphère sous différentes formes. On le trouve sous forme minérale et sous forme organique.

La forme minérale :

– Le gaz carbonique (CO2) rejeté par les êtres qui respirent mais aussi celui qui provient de la décomposition des cadavres de végétaux et d’animaux. Comptons également les rejets du volcanisme général.
– le méthane (CH4) provenant également de la décomposition des défunts.
– Le Calcaire (CaCO3) et apparentés carbonatés, formé par les micro organismes marins quand ils sécrètent une coquille qui se déposera un jour, après leur mort, dans les sédiments océaniques.
– les matières carbonées dites fossiles, comme la tourbe, le charbon, le pétrole (on y met le méthane), le graphite et… le diamant.

La forme organique :

Elle est le constituant majeur du corps des êtres vivants (végétaux comme animaux) mais se trouve toujours combinée aux autres éléments chimiques pour former les protéines, les lipides, les glucides, les vitamines, les hormones… Grosse usine complexe qu’est cet être vivant !

Le cycle du carbone se caractérise, comme tous les autres cycles bio-géo-chimiques, par le passage d’une forme à une autre, minérale à organique et vis versa, ou par un transfert d’un individu à l’autre (alimentation). Dans presque tous les cas, hors volcanisme et combustion domestique ou industrielle, deux phénomènes de la plus haute importance interviennent :
– l’assimilation chlorophyllienne (ou photosynthèse) pratiquée principalement par les végétaux et le phytoplancton (phytos = plante) grâce aux chloroplastes ;
– la respiration, chez les végétaux et les animaux, qui se fait grâce aux mitochondries.

Généralités sur la cellule :

Cellule végétaleUne cellule est un petit sac (membrane) avec un contenu (cytoplasme) baignant dans un milieu aqueux (hyaloplasme). Le cytoplasme est constitué par les organites cellulaires qui baignent dans le hyaloplasme. Ces organites, le noyau étant le poste de commande, assurent le fonctionnement intégral de la cellule : biosynthèses, nutrition, respiration, réparation, reproduction… Parmi eux, le chloroplaste et la mitochondrie jouent un rôle de volant dans le cycle du carbone (on retrouvera le couple chloroplaste-mitochondrie dans le cycle de l‘oxygène). Ici, notre acteur principal est le gaz carbonique, gaz pourtant incriminé dans le réchauffement climatique.

Le chloroplaste :

ChloroplasteCet organite n’existe que dans la cellule végétale et, s’il venait à manquer, ce monde disparaîtrait. Dit trivialement, c’est le chloroplaste qui nourrit l’homme, les animaux, les plantes aussi puisqu’elles sont autotrophes, et qui permet à tout ce petit monde de respirer. Pour le végétal (les chlorophylliens), il est l’élément de fabrication (synthèse) primordiale : il supporte la plus grosse partie de la photosynthèse.

Le gaz carbonique -écrit CO2 tout au long de l’article- apporte le carbone nécessaire à l’édification (croissance et développement) des êtres vivants. On peut, par facilité, faire débuter notre histoire par l’arrivée de molécules de CO2 dans la cellule d‘une plante verte. Ces molécules migrent dans le cytoplasme cellulaire, atteignent un chloroplaste et y pénètrent.

PhotosynthèseA l’intérieur, dans le « jus » du chloroplaste (Stroma), les molécules de CO2 sont prisent en charge par une réaction biochimique qui tourne rapidement en fabriquant des sucres ou glucides. Ce « pool métabolique à turn-over rapide » (comme disait mon prof de physiologie végétale) est nommé Cycle de Calvin.

En effet, et c’est là qu’intervient la lumière, un paquet de grains de lumière (quanta) excite la membrane des minuscules sacs empilés (thylakoïdes) à l’intérieur du chloroplaste. L’énergie électromagnétique des quanta lumineux devient (pas par magie mais c’est tout comme) molécule d’ATP (Adénosine Tri Phosphate), la molécule énergétique universelle à tous les êtres vivants. Entre temps, cette action sur la membrane d’un thylakoïde transforme de l’eau en oxygène respirable. Magique, tout simplement magique…

Réalité de la photosynthèseL’ATP est le carburant qui entretient le moteur du cycle de Calvin dans le végétal. Le CO2 entre dans le chloroplaste, des sucres en sortent. L’ajout de 6 molécules de CO2 dans le cycle de Calvin entraîne la synthèse d’une molécule de glucose (C6H12O6) et de 6 molécules d’oxygène qui vont vite rejoindre l’atmosphère. La plante gérera son glucose en fonction de ses besoins de croissance et de développement.

Un lapin affamé intervient dans la fin de notre histoire et mange la plante toute crue.

La mitochondrie :

Mitochondrie
Quand le lapin aura ingéré le bon végétal, ce dernier sera intégré-assimilé. Réduits à leur minimum dans les intestins, les aliments auront d’abord été mastiqués, puis attaqués dans l’estomac par des acides et des enzymes. GlucoseL’aliment devient nutriment.

Prenons une des molécules produite par la digestion du rongeur : le glucose. Celui-ci traverse la paroi intestinale, rejoint la circulation sanguine et arrive aux cellules de l’animal. Le glucose pénètre dans ces cellules et subit une petite transformation, il devient acide pyruvique (pyruvate produit par la glycolyse). Ne retenons que le glucose, cela ne change rien sinon en simplicité.
Glycolyse et respiration mitochondriale
Notre organite mitochondrie va pouvoir intervenir en pompant ce pyruvate. Dans le jus de la mitochondrie (matrice), l’acide pyruvique entre dans un autre cycle bien connu des lycéens, le cycle de Krebs. Pool métabolique à turn-over rapide

Il en ressort bien sûr la destruction de notre molécule de glucose, initiale, et le rejet de déchets de cette réaction en 6 molécules de CO2 et 6 molécules d’eau par molécule de glucose ainsi brûlée. Ce phénomène est appelé respiration cellulaire car il nécessite beaucoup d’oxygène (O2). Les poumons du lapin participent à cette réaction grâce, non pas à la respiration pulmonaire mais, à la ventilation que les poumons assurent. Question de langage. De plus, la respiration est une combustion sans feu… et sans fumée.

ATPLa finalité de la respiration mitochondriale est en réalité la production d’ATP que le lapin gérera en fonction de ses besoins de croissance et de développement.

Un nutriment, de l’oxygène, une mitochondrie et c’est la respiration qui se fait dans l’intimité de nos cellules, pas dans les alvéoles pulmonaires : production d’énergie chimique à très fort potentiel (ATP) venant de l’énergie chimique à faible potentiel du glucose. Glucose qui, je le rappelle, n’est que de l’énergie solaire mise en conserve par les végétaux.

Fonctionnement mitochondrial

Ainsi, les deux phénomènes, photosynthèse du chloroplaste et respiration de la mitochondrie, sont indissociables. Ils forment à eux deux le gros du cycle du carbone (et celui de l’oxygène). Nous sommes constitués d’une étoile morte, nous mangeons du soleil, nous brûlons du soleil, nous vivons soleil.

Energie

Les êtres vivants (végétaux comme animaux) meurent et se décomposent en CO2 qui retourne à l’atmosphère et ainsi de suite.

Au passage, les eaux marines et douces sont capables d’absorber énormément de CO2 qui s’y dissout facilement. Mais ce formidable pouvoir tampon est lent à s’équilibrer et, de plus, il doit être limité.

Centrale thermiqueCes mêmes êtres vivants peuvent, selon des conditions particulières et en plusieurs centaines de millions d‘années, être fossilisés et enfouis dans le sous-sol (charbon, pétrole, gaz naturel, tourbe…). Matières utilisées outrageusement comme combustibles (production d’électricité, transports…) depuis l’ère industrielle, au point qu’on aura un jour épuisé des centaines de millions d’années du patrimoine carboné en moins d’un demi-millénaire ! Plancton marinEt n’oublions pas que nous nous chauffons encore beaucoup au bois : rejet de CO2 également. Mauvais si l’on ne reboise pas autant qu’on prélève.

Le plancton marin, les organismes à carapaces ou à coquilles calcaires se déposent au fond des mers pour former les sédiments qui deviendront une roche calcaire en se compactant sous la pression de la colonne d’eau.

Cycle du carbone en chiffresGTC = Gigatonnes de carbone / GTC.y-1 = Gigatonnes de carbone par an.

Notons que la respiration (la nutrition donc !), la décomposition des cadavres (fermentation), la combustion des matières fossiles et du bois ainsi que le volcanisme sont producteurs de CO2 et contribuent à l’augmentation de l’effet de serre. Cet effet est normalement compensé par la photosynthèse (c’est-à-dire par de l‘accroissement végétal), la sédimentation calcaire, la fossilisation sous forme de combustibles carbonés et la dissolution en milieu aqueux.
Cycle du carbone
Or, les normes établies pour notre bien-être ne sont pas bonnes puisque nous rejetons plus de CO2 que la Terre ne peut en digérer ; les flux sortants dépassent amplement les flux entrants. Le prix à payer sera de plus en plus élevé et nous ne nous sommes pas inscrits dans un cycle naturel mais dans la spirale infernale de notre économie peu partageuse. Il est grand temps, non pas de moraliser la chose capitaliste, mais de conduire les terriens vers une nouvelle éthique qui ne peut passer que par les changements drastiques de nos comportements quotidiens. CarbonifèreIl faut redonner un sens à nos vies en prouvant notre volonté réelle d’un développement moderne certes, mais durable. Le partage, l’équité, l’économie raisonnée sont de rigueur. Ce sont les contraintes incontournables dont dépendent nos libertés futures. Evitons la grande extinction par la chaleur insupportable que créerait un effet de serre incontrôlable, ou bien, prévoyons, pour les quelques rares survivants non humains, un magnifique Carbonifère et sa forêt ultra continentale. C’est ainsi que Gaïa s’y prendra pour remettre les compteurs à zéro.

Que ceux qui ont fait des enfants entendent.

Animation de la photosynthèse (en anglais)

 

A SUIVRE

Publicités

5 commentaires »

  1. On dit que soleil fait tourner la tête du tournesol pour que la photosyntèse se fasse, soit…
    Et si le tournesol le faisait volontairement ? Comme le touriste lamda à Tiziouzou les bains…

    Commentaire par yelrah — 31 août 2009 @ 11 h 27 min | Réponse

    • En fait, le tournesol n’a pas le choix puisque son orientation est liée à la production d’auxines (hormones de croissance végétales) à la lumière sur laquelle ça m’étonnerais que la plante agisse, son maître étant le soleil…

      A bientôt en novembre…

      Commentaire par alzaz — 2 septembre 2009 @ 18 h 31 min | Réponse

  2. l’energie solaire et t’il le responsable majeur et comment cela se deroule

    Commentaire par ndoumou jean bruno — 10 avril 2012 @ 11 h 59 min | Réponse

    • L’énergie solaire est à la base de nombreux phénomènes qui se déroulent dans la biosphère. Il me serait difficile de les énoncer ici et de les décrire simplement. On peut par exemple citer la place que l’énergie solaire tient dans les phénomènes de circulations des courants aériens comme des marins. La météo comme les climat en dépendent directement.
      Pour ce qui est des flux d’énergie au sein des cycles de la vie, il est bon de retenir que tout commence par le soleil, hormis quelques cycles se déroulant en l’absence de rayonnement électromagnétiques lumineux, au fond des océans ou dans les grottes souterraines. Dans ces deux cas, l’énergie de base est chimique, contenue dans certaines molécules que les organismes peuvent absorber.

      Commentaire par alzaz — 16 avril 2012 @ 15 h 34 min | Réponse

  3. A quand sur facebook …. Vite …Vite…. Qu’on partage c’est URGENT.
    Une Marèche.

    Commentaire par Isabelle Helaine. — 2 février 2014 @ 20 h 49 min | Réponse


RSS feed for comments on this post. TrackBack URI

Laisser un commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l'aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion / Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l'aide de votre compte Twitter. Déconnexion / Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l'aide de votre compte Facebook. Déconnexion / Changer )

Photo Google+

Vous commentez à l'aide de votre compte Google+. Déconnexion / Changer )

Connexion à %s

Propulsé par WordPress.com.

%d blogueurs aiment cette page :