Le cycle du carbone
Le cycle du carbone est le cycle biogéochimique d'échange du carbone entre les diverses sphères terrestres (biosphère, pédosphère, géosphère, hydrosphère et atmosphère).
Schéma du cycle du carbone :
Au cours de son cycle et en tant que gaz, le carbone prend largement la forme de dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone est libéré par les organismes lorsqu'ils se décomposent en glucose. Les organismes autotrophes comme les plantes utilisent le dioxyde de carbone et la lumière du soleil pour créer du glucose. Cependant, le dioxyde de carbone est également libéré par la décomposition de la matière organique, les processus géologiques et la combustion de combustibles fossiles. L'excès de dioxyde de carbone est en grande partie absorbé par l'océan, ce qui conduit à l'acidification de l'océan et peut être responsable de plusieurs extinctions massives.
Généralités
Le cycle du carbone est une succession de phénomènes alternant la photosynthèse ou la chimiosynthèse de carbone organique à partir de carbone minéral, et la production de carbone minéral à partir de carbone organique par respiration, fermentation ou combustion. Les molécules à base de carbone sont cruciales pour la vie terrestre, car il est le principal composant des composés biologiques.
Le cycle du carbone est influencé par les êtres vivants, les changements atmosphériques, la chimie des océans et l'activité géologique font tous partie de ce cycle. Les niveaux de carbone sont à un niveau record, principalement en raison des activités humaines.
D'autres cycles vitaux existent avec les éléments fondamentaux (eau, oxygène, hydrogène, azote) de la vie : le cycle de l'eau, le cycle de l'oxygène, le cycle de l'azote...
En collaboration avec le cycle de l'azote et le cycle de l'eau, le cycle carbone comprend une séquence d'événements, la clé de la vie sur Terre, capable de supporter les êtres vivants; il décrit le mouvement de carbone des éléments recyclés et réutilisés par la biosphère, y compris les puits de carbone.
Le carbone est un élément essentiel à la vie telle que nous la connaissons en raison de sa capacité à former des liaisons multiples et stables avec d'autres molécules. C'est pourquoi les nucléotides, les acides aminés, les sucres et les lipides dépendent tous des squelettes carbonés : le carbone fournit une structure stable qui permet à la chimie de la vie de sruvenir. Sans carbone, aucune de ces molécules ne pourrait exister et fonctionner de manière à permettre à la chimie de la vie de survenir.
Un examen du bilan carbone d'une réserve ou d'un réservoir peut fournir des informations pour savoir si il fonctionne comme source ou puits de dioxyde de carbone. Le cycle du carbone a été initialement découvert par Joseph Priestley et Antoine Lavoisier et a été popularisé par Humphry Davy.
Outre son importance biologique, le carbone est également un élément important de nombreux minéraux. Le carbone existe aussi sous diverses formes dans l'atmosphère. Le dioxyde de carbone (CO2, ou gaz carbonique) est en partie responsable de l'effet de serre et le plus important gaz à effet de serre produit par l'homme. Le bilan carbone n'est autre qu'une évaluation comptable des émissions de gaz à effet de serre.
Les échanges de carbone entre les réserves existent en raison de divers procédés chimiques, physiques, géologiques et biologiques. L'océan contient le plus grand gisement de charbon "actif" près de la surface de la Terre. Les flux naturels de carbone entre l'atmosphère, l'océan, les sédiments terrestres sont bien équilibrés, de sorte que les niveaux de carbone seraient relativement stables sans l'influence humaine.
Le cycle du carbone est réalisé au cours de plusieurs étapes.
Le carbone atmosphérique
Pour faire partie du cycle du carbone, les atomes de carbone commencent sous forme gazeuse. Le dioxyde de carbone gazeux - CO2 - peut être produit par des processus inorganiques ou par les métabolismes des êtres vivants.
Avant que la Terre ne soit vivante, le dioxyde de carbone provenait probablement de l'activité volcanique et des impacts d'astéroïdes. Aujourd'hui, le carbone est également libéré dans l'atmosphère par les activités des êtres vivants, telles que les expirations d'animaux, les actions des organismes de décomposition et la combustion du bois et des combustibles fossiles par l'homme.
Quelque soit le dioxyde de carbone qui pénètre dans l'atmosphère, le gaz CO2 est le point de départ du cycle du carbone. La prochaine étape est…
Absorption du carbone
Les producteurs primaires (des organismes qui produisent des aliments à partir de la lumière du soleil, comme les plantes) absorbent le dioxyde de carbone de l'atmosphère et l'utilisent pour construire des sucres, des lipides, des protéines et d'autres éléments essentiels de la vie.
Pour les plantes, le CO2 est absorbé par les pores de leurs feuilles appelés stomates. Le dioxyde de carbone pénètre dans la plante par les stomates et est incorporé dans des composés carbonés contenus à l'aide de l'énergie solaire. Les plantes et autres organismes producteurs tels que les cyanobactéries sont essentiels à la vie sur Terre car ils peuvent transformer le carbone atmosphérique en matière vivante. Prochain…
Les "consommateurs" sont des organismes qui mangent d'autres êtres vivants. Les animaux sont le type de consommateur le plus visible dans nos écosystèmes, bien que de nombreux types de microbes entrent également dans cette catégorie.
Les consommateurs incorporent des composés de carbone provenant de plantes et d'autres sources alimentaires lorsqu'ils les mangent. Ils utilisent certains de ces composés du carbone des aliments pour construire leur propre corps - mais une grande partie de la nourriture qu'ils mangent est décomposée pour libérer de l'énergie, dans un processus qui est presque l'inverse de ce que font les producteurs.
Alors que les producteurs utilisent l'énergie de la lumière du soleil pour créer des liens entre les atomes de carbone - les animaux rompent ces liens pour libérer l'énergie qu'ils contiennent, transformant finalement les sucres, les lipides et d'autres composés du carbone en unités monocarbonées. Ceux-ci sont finalement libérés dans l'atmosphère sous forme de CO2.
Mais qu'en est-il des composés de carbone qui ne sont pas consommés ou décomposés par les animaux ?
Libération de carbone par les décomposeurs
Les plantes et les animaux qui meurent sans être mangés par d'autres animaux sont décomposés par d'autres organismes, appelés "décomposeurs". Les décomposeurs comprennent de nombreuses bactéries et certains champignons. Ils décomposent généralement la matière déjà morte plutôt que d'attraper et de manger un animal ou une plante vivants.
Tout comme les animaux, les décomposeurs brisent les liaisons chimiques de leurs molécules alimentaires. Ils créent de nombreux produits chimiques, dont dans certains cas le CO2.
Activités humaines
Récemment, les humains ont apporté de grands changements au cycle du carbone de la Terre. En brûlant d'énormes quantités de combustibles fossiles et en coupant environ la moitié des forêts de la Terre, les humains ont diminué la capacité de la Terre à extraire du carbone de l'atmosphère, tout en libérant de grandes quantités de carbone dans l'atmosphère qui avaient été stockées sous forme solide sous forme de matière végétale. et combustibles fossiles.
Cela signifie plus de dioxyde de carbone dans l'atmosphère terrestre - ce qui est particulièrement dangereux car le dioxyde de carbone est un "gaz à effet de serre" qui joue un rôle dans la régulation de la température de la Terre et des conditions météorologiques.
La communauté scientifique a sonné l'alarme qu'en apportant des changements importants au cycle du carbone de la Terre, nous pourrions finir par changer notre climat ou d'autres aspects importants de l'écosystème dont nous dépendons pour survivre. En conséquence, de nombreux scientifiques préconisent de réduire la quantité de carbone brûlée par l'homme en réduisant l'utilisation de la voiture et la consommation d'électricité, et préconisent d'investir dans des sources d'énergie non brûlantes telles que l'énergie solaire et l'énergie éolienne.
Le cycle du carbone se compose de nombreux systèmes parallèles qui peuvent soit absorber soit libérer du carbone. Ensemble, ces systèmes fonctionnent pour maintenir le cycle du carbone de la Terre - et par la suite son climat et sa biosphère - relativement stables. Vous trouverez ci-dessous quelques exemples de parties des écosystèmes de la Terre qui peuvent absorber le carbone, transformer le carbone en matière vivante ou rejeter du carbone dans l'atmosphère.
Dans l'atmosphère
L'un des principaux dépôts de carbone est le dioxyde de carbone dans l'atmosphère terrestre. Le carbone forme une molécule gazeuse stable en combinaison avec deux atomes d'oxygène. Dans la nature, ce gaz est libéré par l'activité volcanique et par la respiration d'animaux qui apposent des molécules de carbone de la nourriture qu'ils mangent sur des molécules d'oxygène avant de l'exhaler.
Le dioxyde de carbone peut être éliminé de l'atmosphère par les plantes, qui absorbent le carbone atmosphérique et le transforment en sucres, protéines, lipides et autres molécules essentielles à la vie. Il peut également être retiré de l'atmosphère par absorption dans l'océan, dont les molécules d'eau peuvent se lier au dioxyde de carbone pour former de l'acide carbonique.
Dans la lithosphère
La croûte terrestre - appelée lithosphère - peut également libérer du dioxyde de carbone dans l'atmosphère terrestre. Ce gaz peut être créé par des réactions chimiques dans la croûte terrestre et le manteau.
L'activité volcanique peut entraîner des rejets naturels de dioxyde de carbone. Certains scientifiques pensent que l'activité volcanique généralisée peut être à blâmer pour le réchauffement de la Terre qui a provoqué la Permien extinction.
Bien que la croûte terrestre puisse ajouter du carbone à l'atmosphère, elle peut également le retirer. Les mouvements de la croûte terrestre peuvent enterrer les produits chimiques contenant du carbone tels que les plantes et les animaux morts profondément sous terre, où leur carbone ne peut pas s'échapper dans l'atmosphère. Au cours de millions d'années, ces réservoirs souterrains de matière organique se liquéfient et deviennent du charbon, du pétrole et de l'essence. Ces dernières années, les humains ont commencé à rejeter une grande partie de ce carbone séquestré dans l'atmosphère en brûlant ces matériaux pour alimenter les voitures, les centrales électriques et d'autres équipements humains.
Dans la biosphère
Parmi les êtres vivants, certains éliminent le carbone de l'atmosphère, tandis que d'autres le relâchent. Les participants les plus remarquables de ce système sont les plantes et les animaux.
Les plantes éliminent le carbone de l'atmosphère. Ils ne font pas cela comme un acte de charité; le carbone atmosphérique est en fait la "nourriture" que les plantes utilisent pour fabriquer des sucres, des protéines, des lipides et d'autres molécules essentielles à la vie. Les plantes utilisent l'énergie du soleil, récoltée par la photosynthèse, pour construire ces composés organiques à partir du dioxyde de carbone et d'autres oligo-éléments. En effet, le terme "photosynthèse" vient des mots grecs "photo" pour "lumière" et "synthèse" pour "assembler".
Dans un ensemble gracieusement équilibré de réactions chimiques, les animaux mangent des plantes (et d'autres animaux) et démontent à nouveau ces molécules synthétisées. Les animaux tirent leur carburant de l'énergie chimique que les plantes ont stockée dans les liaisons entre les atomes de carbone et les autres atomes pendant la photosynthèse. Pour ce faire, les cellules animales désassemblent des molécules complexes telles que les sucres, les graisses et les protéines jusqu'à des unités monocarbonées - des molécules de dioxyde de carbone, qui sont produites en faisant réagir des molécules alimentaires contenant du carbone avec l'oxygène de l'air.
Dans les océans
Les océans de la Terre ont la capacité d'absorber et de libérer du dioxyde de carbone. Lorsque le dioxyde de carbone de l'atmosphère entre en contact avec l'eau de l'océan, il peut réagir avec les molécules d'eau pour former de l'acide carbonique - une forme liquide dissoute de carbone.
Lorsqu'il y a plus d'acide carbonique dans l'océan que de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, une partie de l'acide carbonique peut être libérée dans l'atmosphère sous forme de dioxyde de carbone. D'un autre côté, quand il y a plus de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, plus de dioxyde de carbone sera converti en acide carbonique et les niveaux d'acidité des océans augmenteront.
Certains scientifiques s'inquiètent de ce que l'acidité augmente dans certaines parties de l'océan, peut-être en raison de l'augmentation du dioxyde de carbone dans l'atmosphère due à l'activité humaine. Bien que ces changements dans l'acidité des océans puissent sembler faibles selon les normes humaines, de nombreux types de vie marine dépendent de réactions chimiques qui nécessitent un niveau d'acidité très spécifique pour survivre. En fait, l'acidification des océans tue actuellement de nombreuses communautés de récifs coralliens.
Importance capitale du cycle du carbone
Le cycle du carbone, dans des circonstances normales, fonctionne pour assurer la stabilité de variables telles que l'atmosphère terrestre, l'acidité de l'océan et la disponibilité du carbone pour une utilisation par les êtres vivants. Chacun de ses composants est d'une importance cruciale pour la santé de tous les êtres vivants - en particulier les humains, qui dépendent de nombreuses cultures vivrières et animales pour nourrir notre vaste population.
Le dioxyde de carbone dans l'atmosphère empêche la chaleur du soleil de s'échapper dans l'espace, tout comme les parois de verre d'une serre. Ce n'est pas toujours une mauvaise chose - du dioxyde de carbone dans l'atmosphère est bon pour garder la Terre au chaud et sa température stable.
Mais la Terre a connu des cycles de réchauffement catastrophiques dans le passé, comme l'extinction du Permien, qui aurait été causée par une augmentation drastique du niveau de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Personne n'est sûr de la cause du changement qui a provoqué l'extinction du Permien. Mais, les gaz à effet de serre peuvent avoir été ajoutés à une atmosphère par un impact d'astéroïde, une activité volcanique ou même des incendies de forêt massifs.
Quelle que soit la cause, au cours de cet épisode de réchauffement, les températures ont augmenté considérablement. Une grande partie de la Terre est devenue désertique, et plus de 90 % de toutes les espèces vivant à cette époque ont disparu. C'est un bon exemple de ce qui peut arriver si les cycles essentiels de notre planète subissent un grand changement.
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