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Pour une explication détaillée de la photosynthèse, aller au chapitre Energie.

Comme expliqué ci-dessus, les cycles biogéochimiques déplacent des éléments à travers la biosphère, la lithosphère, l’atmosphère et l’hydrosphère. À travers ces cycles et d’autres processus biologiques, les éléments qui servent de blocs de construction pour la vie sur Terre sont incorporés dans les micro-organismes, les plantes et les animaux, et sont transformés de formes organiques en formes inorganiques et vice-versa à divers taux. Certains cycles traitent des éléments rapidement, à l’échelle d’une vie humaine ou moins, et produisent des ressources renouvelables. Les cycles de ressources non renouvelables, cependant, prennent beaucoup plus de temps, opérant sur des échelles de temps géologiques. Les cycles biogéochimiques de quatre éléments d’importance environnementale particulière sont décrits ci-dessous.

Le cycle du carbone

Le carbone sert de «squelette structurel» à tout type de molécule organique. Il pénètre dans la biosphère sous forme de dioxyde de carbone (CO2) de l’atmosphère. Les plantes utilisent le CO2 dans la photosynthèse. La lumière du soleil alimente la réaction de la photosynthèse qui transforme les molécules de carbone (CO2) et d’eau (H2O) en glucose, un simple sucre (C6H12O6), et des molécules d’oxygène (O2). Vous apprendrez les détails du processus physiologique de la photosynthèse dans le chapitre Énergie, car le sucre que les plantes produisent est la principale source d’énergie calorique des réseaux alimentaires.

Le glucose végétal est consommé par les animaux aérobies (c’est-à-dire qui ont besoin d’oxygène) et les micro-organismes, qui exploitent son énergie chimique par le biais du processus de respiration cellulaire. Dans la respiration cellulaire, les molécules de glucose sont décomposées afin de fournir de l’énergie qui alimente les processus métaboliques cellulaires de base. Le métabolisme aérobie du glucose produit des déchets ; CO2 et H2O. . Ces déchets sont rejetés dans l’atmosphère ou l’hydrosphère pour être réutilisés par les plantes et les microbes, formant ainsi un cycle mutuellement dépendant d’éléments et de composés (carbone, eau, oxygène) entre les plantes et les animaux. Dans la nature, il n’y a pas d’accumulation de déchets. Les sous-produits du métabolisme d’un organisme sont les nutriments nécessaires pour un autre. De cette façon, les cycles biogéochimiques maintiennent les organismes vivants dans les écosystèmes en équilibre avec leurs ressources naturelles.

Carbon cycle
Figure 10 : Le cycle mondial du carbone. Ce diagramme du cycle du carbone montre le mouvement du carbone entre la terre, l’atmosphère et les océans en milliards de tonnes de carbone par an. Les nombres jaunes sont des flux naturels, le rouge représente les contributions humaines en milliards de tonnes de carbone par an. Les nombres blancs indiquent le carbone stocké. 1

Dans des environnements dépourvus d’oxygène, comme les sédiments fins des marécages, l’eau et les sédiments des océans profonds ou l’estomac de ruminants (mammifères qui ont un compartiment digestif anaérobie spécialisé où ils fermentent les matières végétales avant de les digérer), anaérobies  (c.-à-d. les micro-organismes qui ne nécessitent pas d’oxygène) utilisent un type de métabolisme différent. Ils extraient leur énergie des liaisons chimiques du CO2 et libèrent du méthane (CH4) en tant que déchet par le biais du processus de méthanogenèse.

En plus des processus biologiques (« pompage biologique » du CO2) par la photosynthèse et la respiration qui dominent le cycle naturel du carbone sur Terre, il existe des voies chimiques non biologiques dans lesquelles les molécules de carbone s’écoulent. Par exemple, les molécules de CO2 et de CH4 peuvent être émises dans l’atmosphère par la lithosphère par l’activité volcanique, et les carbonates de la lithosphère (par exemple, le carbonate de calcium, CaCO3) peuvent être dissous dans l’eau par altération et entrer dans l’hydrosphère.

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L’idée d ‘« équilibre » est également importante lorsque l’on considère l’éthique des ressources naturelles. Ceci sera discuté dans la section éthique.

Étant donné que l’absorption et la libération de carbone sont médiées en grande partie par l’activité biologique, le carbone circule plus rapidement que la plupart des autres éléments. Cependant, alors que la grande majorité des atomes de carbone sur Terre circulent relativement rapidement dans l’atmosphère, la biosphère et l’hydrosphère (figure 10), certains ont résidé pendant des centaines de millions d’années dans la lithosphère en tant que combustibles fossiles. La plus grande perturbation du cycle naturel du carbone est l’extraction et la combustion relativement récentes par l’homme de réserves géologiques stockées de carbone organique sous forme de combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz naturel), qui sont transformés lorsqu’ils sont brûlés et libérés en tant que CO2 dans l’atmosphère.

L’extraction et la combustion de ces combustibles fossiles ont déséquilibré le cycle naturel du carbone de la Terre. Les concentrations atmosphériques naturelles de CO2 (le principal gaz à effet de serre) de la Terre sont récemment passées de 280 ppm (parties par million) avant l’ère industrielle à plus de 400 ppm aujourd’hui, provoquant le changement climatique mondial et l’acidification des océans.

Le cycle de l’azote

L’azote est un composant essentiel d’un certain nombre de différents types de molécules organiques, y compris les protéines, l’ADN (acide désoxyribonucléique) et la chlorophylle (le pigment photosynthétique principal dans les plantes). Dans l’atmosphère, l’azote se présente sous la forme stable, inerte, diatomique (composée de 2 atomes), N2.

Le N2 est l’élément le plus abondant trouvé dans l’atmosphère, représentant 78% de tous les gaz atmosphériques. Cependant, pour que l’azote diatomique soit utilisé dans la biosphère, il doit être converti en une forme biologiquement disponible, c’est-à-dire une forme qui peut être métabolisée par des organismes vivants. Cette transformation se produit grâce à un processus à médiation biologique appelé fixation de l’azote (figure 11), qui transforme le gaz N2 en une forme plus bio-utilisable d’ammoniac (NH3).

Il existe deux façons naturelles de fixer l’azote gazeux dans l’ammoniac ; une très petite quantité de N2 est fixée par la foudre, et la grande majorité de N2 est fixée par l’activité de bactéries spécialisées dans la fixation de l’azote et de cyanobactéries (algues bleu-vert), que nous appelons fixateurs d’azote. Les bactéries fixatrices d’azote et les cyanobactéries possèdent une enzyme unique appelée nitrogénase. Les enzymes sont une classe de protéines produites par des organismes qui agissent comme des catalyseurs pour faciliter des réactions biochimiques spécifiques dans les cellules. La fonction de la nitrogénase est de catalyser la fixation de N2 dans NH3en brisant d’abord les trois liaisons chimiques fortes qui lient les deux atomes de N ensemble dans N2, puis en facilitant la formation de nouvelles liaisons dans NH3 (ammoniac).

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Figure 11 : Le cycle de l’azote. 2

Le cycle biogéochimique de l’azote comprend la transformation de nombreuses formes d’azote. Ces transformations sont grandement facilitées par des groupes spécialisés de micro-organismes. Tout d’abord, nous avons les fixateurs d’azote qui transforment le gaz N2 en ammoniac NH3. Lorsqu’il est dans le sol ou dans les sédiments des systèmes d’eau douce ou marins, l’ammoniac peut être davantage converti en ammonium (NH4+) grâce à un processus appelé ammonification, réalisé par un autre groupe spécialisé de bactéries appelées ammonifiants. L’ammonium peut ensuite être transformé en nitrites (NO2) et en nitrates (NO3) par le biais du processus microbien appelé nitrification. Les deux étapes de la nitrification sont facilitées par des bactéries spécialisées appelées bactéries nitrifiantes. Enfin, les états oxydés de l’azote (NO2 etNO3) peuvent être réduits en gaz N2 grâce au processus de dénitrification , qui est facilité par un autre groupe de bactéries spécialisées appelées dénitrifiants. Là où les fixateurs d’azote commencent le cycle de l’azote en séquestrant le gaz N2 de l’atmosphère, les bactéries dénitrifiantes terminent le cycle en transformant l’azote en gaz N2 gas.

Les formes ioniques de l’azote, en particulier NH4+ et NO3 sont les formes d’azote qui sont les plus biologiquement disponibles et facilement utilisées par les voies métaboliques des plantes. Les animaux herbivores ne possèdent pas de voies métaboliques pour consommer NH4+ etNO3inorganiques. Par conséquent, leurs besoins en azote sont satisfaits en consommant des plantes riches en azote qui ont déjà effectué le travail de conversion de l’azote inorganique en formes organiques, comme l’azote présent dans les acides aminés et les protéines végétales. Les animaux carnivores consomment des herbivores, obtenant leur azote principalement sous forme d’acides aminés et de protéines animales.

Lorsque des matières végétales et animales mortes sont décomposées par le groupe de micro-organismes appelés décomposeurs (principalement des champignons et des bactéries), l’azote dans leurs tissus est réduit en formes inorganiques qui retournent dans le sol et l’eau pour être recapturées par les plantes (figure 11).

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Découvrez comment le cycle déséquilibré de l’azote actuel peut affecter la santé dans cet article du National Center for Biotechnology Information.

Parce que le cycle de l’azote à travers ses diverses formes moléculaires est médié par autant de bactéries spécialisées différentes, il s’agit d’un cycle biogéochimique relativement rapide. Ce cycle maintient naturellement un équilibre dans la quantité d’azote trouvée sous ses diverses formes dans la biosphère, la lithosphère, l’hydrosphère et l’atmosphère. Cependant, comme vous le lirez plus loin dans cette section, les humains ont modifié le cycle de l’azote par la fixation industrielle de l’azote de sorte qu’il est loin de son équilibre naturel. Aujourd’hui, ce déséquilibre menace gravement la stabilité de nos écosystèmes naturels. La figure 12 a été introduite pour la première fois dans le chapitre sur la biodiversité (comme la figure 24) pour montrer les limites planétaires de divers processus naturels. Notez à nouveau que le cycle de l’azote dans son état actuel est l’un des plus disproportionnés de son homéostasie naturelle.

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Figure 12 : L’ombre verte intérieure représente l’espace d’opération sûr proposé pour les humains dans neuf menaces du système planétaire. Les coins rouges représentent une estimation de la position actuelle pour chaque variable. Les limites de trois systèmes (taux de perte de biodiversité, changement climatique et interférence humaine avec le cycle de l’azote) ont déjà été dépassées, le taux de perte de biodiversité étant le plus profondément dépassé. 3

Le cycle du phosphore

Figure 13 : La roche phosphatée est un matériau solide qui varie d’une roche dure à des grains faiblement consolidés. Il se trouve dans la croûte terrestre et la couleur peut être brune, grise, gris bleuâtre, blanche ou noire selon les autres minéraux auxquels il est lié. 4

Comme l’azote, le phosphore est un élément essentiel à la vie, présent dans l’ADN, l’ARN (acide ribonucléique), les membranes cellulaires et l’ATP (adénosine triphosphate, la molécule critique responsable du stockage de l’énergie chimique dans les cellules et de sa libération pour les processus métaboliques). Contrairement au carbone et à l’azote, le cycle du phosphore n’est pas médié par l’activité des organismes. Le phosphore se trouve dans la croûte terrestre. C’est le 11e élément chimique le plus abondant dans la croûte, et il existe principalement sous forme de phosphate de calcium (Ca3 (PO4)2) (Figure 13), (figure 13), un minéral appelé apatite . En tant que roche sédimentaire contenant des apatites par l’érosion due à la pluie et au vent, le phosphate de calcium est dissous dans l’eau et peut être transporté dans les sols, les rivières, les lacs et les océans.

Les plantes séquestrent le phosphore inorganique dissous sous forme d’orthophosphate (PO43-), et l’incorporent dans des molécules organiques qui composent les molécules métaboliques et les tissus structurels des plantes (figure 14). Les animaux, à leur tour, satisfont leurs besoins en phosphore en mangeant des plantes contenant ces formes organiques synthétisées de phosphore. Dans les écosystèmes terrestres, les animaux et les micro-organismes retournent le phosphate dans le sol par excrétion des déchets. Le phosphate retourne également dans le sol et l’hydrosphère par la décomposition de plantes et d’animaux morts. Une fois dans le sol, le phosphate est généralement rapidement séquestré par la croissance de nouvelles plantes, ce qui termine le cycle.

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Découvrez cette vidéo de démonstration du cycle du phosphate.

L’orthophosphate soluble peut également être transporté vers les océans par les rivières, où il est utilisé par les organismes marins de la même manière que celle décrite ci-dessus pour les organismes terrestres. Une fois que les organismes marins meurent, leurs restes coulent au fond de l’océan et le phosphate retourne dans les sédiments. Dans les conditions anaérobies des lacs profonds et des fonds océaniques, le phosphate est très soluble et peut être redistribué aux eaux aérobies supérieures par les courants. Sur des centaines de milliers à des millions d’années, le soulèvement géologique ramène le vieux phosphore sédimentaire à la surface de la Terre (figure 14).

Comme pour les autres cycles biogéochimiques, la nature elle-même maintient l’équilibre dans le cycle du phosphore à travers la lithosphère, l’hydrosphère et la biosphère. Vous remarquerez qu’il n’y a pas de formes gazeuses de phosphore, donc cet élément ne circule pas dans l’atmosphère.

Phosphorous Cycle
Figure 14 : Le cycle du phosphore. 5
Figure 15 : Soufre ; à température ambiante, le soufre élémentaire est un solide cristallin jaune vif. Visite periodictable.com ou des images, des histoires et des faits sur le soufre. . 6

Le cycle du soufre

Le soufre fait partie des 16 éléments les plus abondants sur Terre. La grande majorité d’entre eux sont liés dans la roche sous forme de sels de soufre (figure 15), tels que le gypse (CaSO4) et la pyrite (FeS2), ou sous forme d’anions sulfates dissous (SO4) figure 16) dans les plans d’eau douce et les océans. Sur les 20 acides aminés nécessaires pour construire tous les différents types de protéines végétales et animales, deux d’entre eux (la cystine et la méthionine) contiennent du soufre, ce qui rend le soufre critique pour toutes les formes de vie. Les plantes séquestrent le soufre du sol sous forme de sulfate inorganique dissous (SO42-).

Comme le phosphore, le soufre peut être lié sous des formes biologiquement indisponibles dans la croûte terrestre pendant des millénaires. Il devient biologiquement disponible en altérant les roches contenant du sulfite ou du sulfure (figure 17). Les bactéries spécialisées peuvent extraire l’énergie chimique pour alimenter leur métabolisme cellulaire en extrayant le sulfate dissous (SO42-), le réduisant en sulfure d’hydrogène (H2S) par un processus appelé réduction du sulfate. Le sulfure d’hydrogène peut ensuite être oxydé en SO42- par différentes bactéries dans un processus appelé oxydation bactérienne.

sulfur spring
Figure 16 : Source de soufre Dallol dans la dépression Afar en Éthiopie et Djibouti, Afrique. Le printemps libère des sulfates dissous du sol. La concentration élevée de sulfates précipite hors de l’eau sous forme de solides blancs et gris, qui deviennent ensuite jaunes puis oranges à mesure qu’ils deviennent plus oxydés par l’oxygène de l’air. Regardez ce vidéo tet voyez l’incroyable dépression Afar.7

Comme le carbone et l’azote, le soufre se produit également en phase gazeuse (principalement sous forme de SO2). Lorsque le soufre sous sa forme gazeuse se combine avec la vapeur d’eau (H2O) dans l’atmosphère, il forme un acide (H2SO4 ou acide sulfurique), qui contribue au phénomène appelé pluie acide.

Alors que nous n’avons abordé que quatre des nombreux cycles biogéochimiques, les autres éléments de la Terre passent par des cycles similaires. Les différentes formes de ces éléments dans leurs cycles biogéochimiques sont naturellement en équilibre et fournissent aux humains et à toutes les autres formes de vie un approvisionnement durable en ressources nécessaires à la vie.

sulfur cycle
Figure 17 : Le cycle du soufre. 8

Questions à considerer

Où chercheriez-vous des preuves du cycle du carbone dans la région où vous vivez ? Comment expliqueriez-vous le cycle du carbone avec cet exemple de la zone où vous vivez ? Qu’en est-il des autres cycles : azote, phosphore, soufre – trouvez-vous des preuves de ces cycles là où vous vivez ? Expliquez.