Biologie pour les Majors II

Le carbone est le deuxième élément le plus abondant dans les organismes vivants. Le carbone est présent dans toutes les molécules organiques et son rôle dans la structure des macromolécules est d’une importance primordiale pour les organismes vivants. Les composés carbonés contiennent une énergie particulièrement élevée, en particulier ceux dérivés d’organismes fossilisés, principalement des plantes, que les humains utilisent comme combustible. Depuis les années 1800, le nombre de pays utilisant des quantités massives de combustibles fossiles a augmenté. Depuis le début de la Révolution industrielle, la demande mondiale pour les réserves limitées de combustibles fossiles de la Terre a augmenté; par conséquent, la quantité de dioxyde de carbone dans notre atmosphère a augmenté. Cette augmentation du dioxyde de carbone a été associée au changement climatique et à d’autres perturbations des écosystèmes terrestres et constitue une préoccupation environnementale majeure dans le monde entier. Ainsi, l ‘ »empreinte carbone » est basée sur la quantité de dioxyde de carbone produite et la quantité de combustibles fossiles consommée par les pays.

Le cycle du carbone est le plus facilement étudié sous la forme de deux sous-cycles interconnectés: l’un traitant de l’échange rapide de carbone entre les organismes vivants et l’autre traitant du cycle à long terme du carbone à travers des processus géologiques. L’ensemble du cycle du carbone est illustré à la figure 1.

Figure 1. Le gaz carbonique existe dans l’atmosphère et est dissous dans l’eau. La photosynthèse convertit le gaz carbonique en carbone organique et la respiration fait revenir le carbone organique en gaz carbonique. Le stockage à long terme du carbone organique se produit lorsque la matière des organismes vivants est enfouie profondément sous terre et se fossilise. L’activité volcanique et, plus récemment, les émissions humaines, ramènent ce carbone stocké dans le cycle du carbone. (crédit: modification des travaux de John M. Evans et Howard Perlman, USGS)

Le Cycle biologique du carbone

Les organismes vivants sont reliés de plusieurs façons, même entre les écosystèmes. Un bon exemple de ce lien est l’échange de carbone entre autotrophes et hétérotrophes à l’intérieur et entre les écosystèmes par le biais du dioxyde de carbone atmosphérique. Le dioxyde de carbone est le bloc de construction de base que la plupart des autotrophes utilisent pour construire des composés multi-carbonés à haute énergie, tels que le glucose. L’énergie captée par le soleil est utilisée par ces organismes pour former les liaisons covalentes qui lient les atomes de carbone entre eux. Ces liaisons chimiques stockent ainsi cette énergie pour une utilisation ultérieure dans le processus de respiration. La plupart des autotrophes terrestres obtiennent leur dioxyde de carbone directement de l’atmosphère, tandis que les autotrophes marins l’acquièrent sous forme dissoute (acide carbonique, H2CO3−). Cependant, le dioxyde de carbone est acquis, un sous-produit du processus est l’oxygène. Les organismes photosynthétiques sont responsables du dépôt d’environ 21% de la teneur en oxygène de l’atmosphère que nous observons aujourd’hui.

Les hétérotrophes et les autotrophes sont des partenaires dans l’échange biologique de carbone (en particulier les principaux consommateurs, principalement les herbivores). Les hétérotrophes acquièrent les composés carbonés à haute énergie des autotrophes en les consommant et en les décomposant par respiration pour obtenir de l’énergie cellulaire, telle que l’ATP. Le type de respiration le plus efficace, la respiration aérobie, nécessite de l’oxygène obtenu dans l’atmosphère ou dissous dans l’eau. Ainsi, il y a un échange constant d’oxygène et de dioxyde de carbone entre les autotrophes (qui ont besoin de carbone) et les hétérotrophes (qui ont besoin d’oxygène). L’échange de gaz à travers l’atmosphère et l’eau est l’un des moyens par lesquels le cycle du carbone relie tous les organismes vivants sur Terre.

Le cycle biogéochimique du carbone

Le mouvement du carbone à travers la terre, l’eau et l’air est complexe et, dans de nombreux cas, il se produit beaucoup plus lentement géologiquement qu’entre les organismes vivants. Le carbone est stocké pendant de longues périodes dans ce que l’on appelle des réservoirs de carbone, qui comprennent l’atmosphère, les masses d’eau liquide (principalement des océans), les sédiments océaniques, le sol, les sédiments terrestres (y compris les combustibles fossiles) et l’intérieur de la Terre.

Comme indiqué, l’atmosphère est un réservoir majeur de carbone sous forme de dioxyde de carbone et est essentielle au processus de photosynthèse. Le niveau de dioxyde de carbone dans l’atmosphère est fortement influencé par le réservoir de carbone dans les océans. L’échange de carbone entre l’atmosphère et les réservoirs d’eau influence la quantité de carbone trouvée dans chaque emplacement, et chacun affecte réciproquement l’autre. Le dioxyde de carbone (CO2) de l’atmosphère se dissout dans l’eau et se combine avec des molécules d’eau pour former de l’acide carbonique, puis il s’ionise en ions carbonate et bicarbonate:

\begin{array}{rrcl}\text {Étape 1:}&\text{CO}_2\text{(atmospheric)}&\longleftrightarrow&\text{CO}_2\text{(dissolved)}\\\text{Step 2:}&\text{CO}_2\text{(dissolved)}+\text{H}_2\text{O}&\longleftrightarrow&\text{H}_2\text{CO}_3\text{(carbonic acid)}\\\text{Step 3:}&\text{H}_2\text{CO}_3&\longleftrightarrow&\text{H}^{+}+\text{HCO}^-_3\text{(bicarbonate ion)}\\\text{Step 4:} &\text{HCO}^-_3 &\longleftrightarrow &\text{H}^{+}+\text{CO}^{2-}_{3}\ text {(ion carbonate)}\end{array}

Les coefficients d’équilibre sont tels que plus de 90% du carbone dans l’océan se trouve sous forme d’ions bicarbonate. Certains de ces ions se combinent avec le calcium de l’eau de mer pour former du carbonate de calcium (CaCO3), un composant majeur des coquilles d’organismes marins. Ces organismes finissent par former des sédiments au fond de l’océan. Au cours du temps géologique, le carbonate de calcium forme du calcaire, qui comprend le plus grand réservoir de carbone sur Terre.

Sur terre, le carbone est stocké dans le sol à la suite de la décomposition d’organismes vivants (par des décomposeurs) ou de l’altération des roches et des minéraux terrestres. Ce carbone peut être lessivé dans les réservoirs d’eau par ruissellement de surface. Plus profondément sous terre, sur terre et en mer, se trouvent des combustibles fossiles: les restes de plantes décomposées anaérobiquement qui mettent des millions d’années à se former. Les combustibles fossiles sont considérés comme une ressource non renouvelable car leur utilisation dépasse de loin leur taux de formation. Une ressource non renouvelable, comme les combustibles fossiles, se régénère très lentement ou pas du tout. Une autre façon pour le carbone d’entrer dans l’atmosphère est la terre (y compris la terre sous la surface de l’océan) par l’éruption de volcans et d’autres systèmes géothermiques. Les sédiments carbonés du fond de l’océan sont prélevés au plus profond de la Terre par le processus de subduction : le mouvement d’une plaque tectonique sous une autre. Le carbone est libéré sous forme de dioxyde de carbone lorsqu’un volcan entre en éruption ou à partir de sources hydrothermales volcaniques.

Les humains contribuent au carbone atmosphérique en brûlant des combustibles fossiles et d’autres matériaux. Depuis la révolution industrielle, les humains ont considérablement augmenté la libération de carbone et de composés carbonés, ce qui a à son tour affecté le climat et l’environnement global.

L’élevage par l’homme augmente également le carbone atmosphérique. Le grand nombre d’animaux terrestres élevés pour nourrir la population croissante de la Terre entraîne une augmentation des niveaux de dioxyde de carbone dans l’atmosphère en raison des pratiques agricoles, de la respiration et de la production de méthane. C’est un autre exemple de la façon dont l’activité humaine affecte indirectement les cycles biogéochimiques de manière significative. Bien qu’une grande partie du débat sur les effets futurs de l’augmentation du carbone atmosphérique sur le changement climatique se concentre sur les combustibles fossiles, les scientifiques prennent en compte les processus naturels, tels que les volcans et la respiration, lorsqu’ils modélisent et prédisent l’impact futur de cette augmentation.

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