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Biologie

Cours : Biologie > Chapitre 3

Leçon 13: Les cycles biogéochimiques

Le cycle du carbone

Découvrez comment le carbone se déplace à travers les écosystèmes de la Terre et comme les activités humaines perturbent le cycle du carbone.

Points clés

Le carbone est un composant essentiel du corps des organismes vivants. Il est aussi important sur le plan économique pour les humains des temps modernes, sous la forme de combustibles fossiles.
Le dioxyde de carbone ( $e x t {C O}_{2}$ ‍) de l'atmosphère est capté par les organismes photosynthétiques et utilisé pour fabriquer des molécules organiques, qui vont ensuite transiter à travers les chaînes alimentaires. Finalement, les atomes de carbone sont libérés sous forme de $e x t {C O}_{2}$ ‍ lors de la respiration.
Les processus géologiques lents, comme la formation de roches sédimentaires et de combustibles fossiles, contribuent au cycle du carbone sur de longues échelles de temps.
Certaines activités humaines, telles que la combustion d'énergies fossiles et la déforestation, augmentent la quantité de ${CO}_{2}$ ‍ dans l'atmosphère et affectent le climat de la Terre et les océans.

Le carbone : élément de base et source d'énergie

Environ 18 % de la masse de votre corps est constituée d'atomes de carbone et ces derniers sont la clé de votre existence

^{1}

! Sans le carbone, vous n'auriez pas de membranes plasmiques autour de vos cellules, pas de molécules de sucre à utiliser comme carburant, ni même d'

ADN

pour porter les instructions nécessaires à la construction et au bon fonctionnement de votre corps.

Le carbone est un élément essentiel de notre corps, mais il fait également partie de nos industries modernes. Les composés carbonés issus, il y a longtemps, des plantes et des algues constituent les combustibles fossiles, tels que le charbon et le gaz naturel, que nous utilisons aujourd'hui comme sources d'énergie. Lorsque ces combustibles fossiles sont brûlés, le dioxyde de carbone (

{CO}_{2}

) est libéré dans l'air, conduisant à des niveaux de plus en plus élevés de

{CO}_{2}

atmosphérique. Cette augmentation des niveaux de

{CO}_{2}

modifie le climat de la Terre. Elle est l'objet de préoccupations environnementales majeures dans le monde entier.

Examinons le cycle du carbone et regardons comment le

{CO}_{2}

atmosphérique et l'utilisation du carbone par les organismes vivants s'inscrivent dans ce cycle.

Le cycle du carbone

Le cycle de carbone est plus facile à étudier en tant que deux sous cycles interconnectés .

Un pour l'échange rapide de carbone entre les organismes vivants
Un pour la gestion à long terme du carbone à travers des processus géologiques

Bien qu'on les étudie séparément, il est important de garder en mémoire que ces cycles sont liés. Par exemple, les mêmes réservoirs de

{CO}_{2}

atmosphérique et océanique, qui sont utilisés par les organismes, sont également alimentés et appauvris par des processus géologiques.

En bref, le carbone existe dans l'air en grande partie sous forme de dioxyde de carbone (

{CO}_{2}

), un gaz qui se dissout dans l'eau et réagit avec des molécules d'eau pour produire du bicarbonate (

{HCO}_{3}^{-}

). La photosynthèse réalisée par les plantes terrestres, les bactéries et les algues convertit le dioxyde de carbone ou le bicarbonate en molécules organiques. Les molécules organiques fabriquées par les organismes photosynthétiques circulent à travers les chaînes alimentaires, et la respiration cellulaire transforme le carbone organique en dioxyde de carbone (gaz).

Le stockage à long terme du carbone organique a lieu lorsque la matière issue des organismes vivants est enterrée profondément sous terre ou tombe au fond de l'océan et forme des roches sédimentaires. L'activité volcanique et, plus récemment, la combustion humaine des énergies fossiles réinjectent ce carbone stocké dans le cycle du carbone. Bien que la formation de combustibles fossiles se fasse sur une échelle temporelle et géologique lente, la libération anthropique du carbone qu'ils contiennent (notamment sous forme de

{CO}_{2}

) se fait sur une échelle de temps très rapide.

Le cycle biologique du carbone

Le carbone entre dans tous les réseaux trophiques, à la fois terrestres et aquatiques, par le biais des autotrophes (qui se nourrissent eux-mêmes). Presque tous ces organismes sont photosynthétiques, comme les plantes ou les algues.

Les autotrophes captent le dioxyde de carbone de l'air ou les ions bicarbonate de l'eau et s'en servent pour fabriquer des composés organiques tels que le glucose. Les hétérotrophes (qui se nourrissent d'autres substances organiques) comme les humains, consomment ces molécules organiques. Le carbone organique circule ainsi à travers les chaînes et les réseaux alimentaires.

Comment le carbone retourne-t-il dans l'atmosphère ou dans l'océan ? Pour libérer l'énergie stockée dans les molécules carbonées, comme les sucres, les organismes autotrophes et hétérotrophes scindent ces molécules lors du processus de respiration cellulaire. Le carbone est ainsi libéré sous forme de dioxyde de carbone. Les décomposeurs dégagent également des composés organiques et du dioxyde de carbone lorsqu'ils décomposent les organismes morts et leurs déchets.

Le carbone peut rapidement circuler par cette voie biologique, en particulier au sein des écosystèmes aquatiques. Dans l’ensemble, on estime que 1 000 à 100 000 millions de tonnes métriques de carbone empruntent chaque année ce cycle biologique. Pour le contexte, une tonne métrique représente le poids d'un éléphant ou d'une petite voiture

^{2, 3, 4}

Le cycle géologique du carbone

Le cycle géologique du carbone prend beaucoup plus de temps que la voie biologique décrite ci-dessus. En fait, il faut généralement des millions d'années pour que le carbone circule à travers la voie géologique. Le carbone peut être stocké pendant de longues périodes dans l'atmosphère, les réservoirs d’eau liquide (surtout les océans), les sédiments océaniques, les sols, les roches, les combustibles fossiles et à l'intérieur de la Terre.

Le niveau de dioxyde de carbone dans l'atmosphère dépend des puits océaniques de carbone et inversement. Le dioxyde de carbone atmosphérique se dissout dans l'eau et réagit avec des molécules d'eau selon l'équation de réactions suivante :

{CO}_{2} + H_{2} O ⇌ H_{2} {CO}_{3} ⇌ {HCO}_{3}^{-} + H^{+} ⇌ {CO}_{3}^{2 -} + 2 H^{+}

Le carbonate (

{CO}_{3}^{2 -}

) libéré au cours du processus se combine aux ions

{Ca}^{2 +}

pour produire du carbonate de calcium (

{CaCO}_{3}

), un composant clé de la coquille des organismes marins

^{5}

. Quand ces derniers meurent, leurs restes peuvent couler et éventuellement s'intégrer aux sédiments des fonds océaniques. Au fil du temps géologique, les sédiments se transforment en calcaire, qui constitue le plus grand réservoir de carbone de la Terre.

Sur terre, le carbone est stocké dans les sols sous forme organique, issue de la décomposition des organismes vivants, ou sous forme inorganique du fait de l'altération des roches terrestres et des minéraux. Les combustibles fossiles, tels que le pétrole, le charbon et le gaz naturel, sont situés plus profondément dans le sol et résultent de la décomposition de plantes en conditions anaérobies (en l'absence d'oxygène). Il faut des millions d'années pour former ces combustibles fossiles. Quand les humains les brûlent, le carbone est libéré dans l'atmosphère sous forme de dioxyde de carbone.

Le carbone peut aussi entrer dans l'atmosphère lors de l'éruption de volcans. Les sédiments du plancher océanique, qui contiennent du carbone, sont transportés au cœur de la Terre par le processus de subduction, au cours duquel une plaque tectonique évolue en dessous d'une autre. Ce procédé forme du dioxyde de carbone, qui peut être libéré dans l'atmosphère lors d'éruptions volcaniques ou par des cheminées hydrothermales.

Les effets de l'être humain sur le cycle du carbone

La demande mondiale en combustibles fossiles, dont les réserves sont limitées sur Terre, a augmenté depuis le début de la révolution industrielle. Les combustibles fossiles sont considérés comme des ressources non renouvelables, parce qu'ils sont utilisés beaucoup plus rapidement qu'ils ne peuvent être produits par les processus géologiques.

Lorsque les combustibles fossiles sont brûlés, le dioxyde de carbone (

{CO}_{2}

) est libéré dans l'air. Le recours croissant aux combustibles fossiles a conduit à une élévation des niveaux atmosphériques de

{CO}_{2}

. La déforestation (l'exploitation des forêts) est aussi l'un des principaux responsables de l’augmentation des niveaux de

{CO}_{2}

. Les arbres et les autres constituants d'un écosystème forestier piègent le carbone. La majorité du carbone est donc libéré sous la forme de

{CO}_{2}

quand la forêt disparaît

^{6}

Une partie du

{CO}_{2}

supplémentaire généré par les activités humaines est captée par les plantes ou les océans. Mais ces processus n'annulent pas totalement l'augmentation du dioxyde de carbone. Ainsi, les niveaux atmosphériques de

{CO}_{2}

sont plus élevés et continuent à croître. Les niveaux de

{CO}_{2}

croissent et décroissent naturellement de manière cyclique sur de longues périodes, mais ils sont désormais plus élevés qu'ils ne l'ont jamais été au cours des 400 000 dernières années, comme le montre le graphique ci-dessous :

[Pourquoi les niveaux de dioxyde de carbone varient-ils autant au fil des ans ?]

Pourquoi est-ce un problème qu'il y ait beaucoup de

{CO}_{2}

dans l'atmosphère ? Le

{CO}_{2}

est un gaz à effet de serre. Lorsqu'il se trouve dans l'atmosphère, il piège la chaleur et l'empêche de se dissiper dans l'espace. En se basant sur de nombreuses données, les scientifiques estiment que les niveaux élevés de

{CO}_{2}

et d'autres gaz à effet de serre sont à l'origine de modifications importantes du climat sur Terre. Sans changement décisif visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre, la température de la Terre devrait augmenter de 1 à 5

^{\circ}

C d'ici à l'année 2100

^{8}

En outre, bien que la captation de l'excès de dioxyde de carbone par les océans puisse sembler être une bonne chose du point de vue des gaz à effet de serre, ce processus n'est pas du tout bon pour la vie marine. Comme on l'a vu plus haut, le

{CO}_{2}

dissous dans l'eau de mer peut réagir avec des molécules d'eau pour libérer des ions

H^{+}

. Ainsi, dissoudre plus de

{CO}_{2}

dans l'eau rend cette dernière plus acide. L'acidification de l'eau peut, à son tour, réduire les concentrations de

{CO}_{3}^{2 -}

et rendre plus difficiles la construction et le maintien des coquilles de

{CaCO}_{3}

des organismes marins

^{9}

. La hausse des températures et l'acidification peuvent toutes deux nuire à la vie marine et ont été associées au blanchiment des coraux.

Le débat sur les futurs effets de l'augmentation du carbone atmosphérique sur le changement climatique se concentre sur les combustibles fossiles. Cependant, les scientifiques doivent tenir compte des processus naturels, tels que les volcans, la croissance des plantes, les niveaux de carbone dans les sols et la respiration, pour modéliser et prédire l'impact futur de cet accroissement.

[Sources et références]

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