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 solaire. Cette énergie, constituée par les rayons lumineux du soleil, est déversée en un flux continue 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.

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% (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 quarantaines d’éléments chimiques indispensables pour créer et entretenir une biosphère (Carbone, oxygène, hydrogène, azote, phosphore, soufre…).

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 cycles de la matière dans la biosphère.

Pour faire plus savant et c’est tout à fait justifié, nous décrirons les cycles biogéochimiques : 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 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 même 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 :

Dans 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 pratiquant la respiration aérobie et qui peuplent depuis près de deux milliards la terre. Rappelons (lire ou relire l’article sur l’évolution de la vie) que les premiers habitants des océans ne respiraient pas comme nous, l’atmosphère étant dépourvue de ce gaz vital.

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 microorganismes 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 autre 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 biogéochimiques, 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 :

Une cellule est un petit « sac » (membrane) avec un contenu : les organites cellulaires qui baignent dans le « jus » du cytoplasme. 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 :

Cet organite n’existe que dans la cellule végétale et, s’il venait à manquer, ce monde disparaîtrait. C’est le chloroplaste qui nous nourrit et qui nous permet de respirer. Pour le végétal, 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.

A 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 « grain » de lumière (quantum) excite la membrane des minuscules sacs empilés (thylakoïdes) dans le chloroplaste. L’énergie électromagnétique du quantum lumineux devient (pas par magie mais c’est tout comme) ATP (Adénosine Tri Phosphate), la molécule énergétique de tout être vivant. Entre temps, cette action sur la membrane d’un thylakoïde « transforme » de l’eau en oxygène respirable.

L’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 produit la synthèse d’une molécule de glucose et de 6 molécules d’oxygène qui vont vite à l’atmosphère. La plante gèrera 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 :

Quand le lapin aura digéré le bon végétal, ce dernier sera assimilé. Réduits à leur minimum dans les intestin, les aliments auront d’abord été mastiqués puis attaqués dans l’estomac par des acides et des enzymes. L’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.

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.

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

Un nutriment, de l’oxygène, une mitochondrie et c’est la respiration qui se fait dans l’intimité de nos cellules : 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.

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. Nous mangeons du soleil, nous brûlons du soleil, nous vivons soleil.

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.

Ces 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 ! Et n’oublions pas que nous nous chauffons encore beaucoup au bois : rejet de CO₂ également.

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.

GTC = 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.

Or, les normes établies pour notre bien-être ne sont pas bonnes puisque nous rejetons plus de CO₂ que Gaïa ne peut en « digérer » ; les flux sortants dépassant 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. 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 des changements drastiques de nos comportements quotidiens. Il 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 créera l’effet de serre en s’emballant trop 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)

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