D’où vient l’oxygène que nous respirons ?

Publié par Encyclopédie Environnement, le 17 septembre 2019   470

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Alerte, l'Amazonie est en feu ! Cet été, les incendies dans la forêt amazonienne -la plus grande forêt tropicale humide du monde- ont attiré l'attention du monde entier. Des images satellite ont permis de repérer plus de 10 000 nouveaux incendies de forêt - principalement dans le bassin amazonien – en une seule semaine (Figure 1). Les responsables sont essentiellement des agriculteurs et des propriétaires terriens qui défrichent des terres, en brulant la forêt, afin d’y implanter cultures ou pâturages.


Figure 1. Foyers d'incendies en Amérique du Sud, en particulier au Brésil, observés à l’aide du détecteur MODIS des satellites Terra et Aqua, entre le 15 et le 22 août 2019. [Source : NASA Earth Observatory images by Joshua Stevens, using MODIS data from NASA EOSDIS/LANCE and GIBS/Worldview, Fire Information for Resource Management System (FIRMS) data from NASA EOSDIS, and data from the Global Fire Emissions Database (GFED) [Public domain]]


Cette situation est alarmante pour de nombreuses raisons. Les forêts tropicales constituent le milieu de vie des peuples autochtones ainsi directement menacés. Elles abritent une biodiversité exceptionnelle avec de nombreuses espèces de plantes, d'animaux ou de micro-organismes que l'on ne trouve nulle part ailleurs (Pavé et Fornet, 2010). C’est aussi un acteur important de la machine climatique (Lire La machine climatique). D’une part parce que la forêt joue un rôle essentiel dans le cycle de l’eau, à travers des phénomènes comme l’évapotranspiration au niveau des feuilles et la formation des nuages. D’autre part parce que la forêt amazonienne constitue un des importants puits de carbone de la planète (Lire Un cycle du carbone perturbé par les activités humaines). Elle a fixé –grâce à la photosynthèse- et stocké, dans les arbres et les sols, des quantités de carbone estimées à 100 milliards de tonnes. Au niveau mondial, les incendies libèrent chaque année dans l’atmosphère entre 2 et 3 milliards de tonnes de carbone, la moitié provenant des feux de savane contre un sixième seulement pour les feux de forêts tropicales. Bien évidemment, le CO2 ainsi libéré -10% des émissions de la planète- favorise le réchauffement climatique.

On lit partout que le « poumon vert » de notre planète serait menacé et que les incendies en Amazonie menacent également « notre » oxygène. Malheureusement, l’expression « poumon vert » ne reflète qu’une vision romantique de la Nature très éloignée de la réalité. L’Amazonie ne produit pas « notre »oxygène et n’est pas le « poumon vert » de la planète.


Oxygène : photosynthèse brute et bilan net

L'affirmation souvent répétée que la forêt amazonienne produirait 20% de l'oxygène de notre planète est basée sur un malentendu : on met en avant la production brute d’oxygène par la végétation au détriment du bilan net des processus biologiques.

En fait, presque tout l'oxygène respirable de la Terre (près de 21 % de l’atmosphère terrestre) provient des océans. Il s’est accumulé dans l’atmosphère grâce à des micro-organismes marins (par exemple cyanobactéries et micro-algues planctoniques) capables de réaliser la photosynthèse. Ce processus biologique est apparu dans les océans, au cours de l’évolution du vivant, il y a environ 3,7 milliards d’années (Lire La biosphère, un acteur géologique majeur). Les organismes photosynthétiques utilisent l’énergie du soleil pour casser (oxyder) des molécules d’eau et libérer de l’oxygène (en fait du dioxygène, car une molécule d’oxygène contient deux atomes). Le transfert d’électrons lié au cracking des molécules d’eau permet la production de molécules riches en énergie, essentielles à la fixation du dioxyde de carbone (CO2) de l’air sous forme de matière organique (Figure 2). Pendant plus de 2 milliards d’années, la photosynthèse s’est uniquement déroulée au sein des océans : les premiers organismes photosynthétiques terrestres ne sont apparus qu’il y a près de 470 millions d’années… (Lire Les premiers écosystèmes terrestres). Quant à la forêt amazonienne, elle s’est formée il y a 55 millions d’années !


Figure 2. Représentation schématique de la photosynthèse et la respiration dans la biosphère. [Source : photo de fond, Reculée des Planches, Jura © Pierre Thomas, Planet-Terre]


L’oxygène que nous respirons s’est accumulé lentement au cours des temps géologiques : la teneur en oxygène de l’atmosphère était pratiquement nulle pendant les premiers milliards d’année d’existence de notre planète (Figure 3). Il y a 2,4 milliards d’années, la teneur de l’atmosphère en oxygène produit par la photosynthèse a doucement commencé à augmenter pour atteindre la teneur actuelle : les 21% présents dans l’atmosphère représentent de l’ordre de 1 000 000 de milliards de tonnes d’oxygène (Lire L’atmosphère et l’enveloppe gazeuse de la Terre)



Figure 3. Évolution de la pression partielle d'oxygène dans l'atmosphère, en fonction du temps, depuis l’origine de la Terre. Représentation logarithmique ; BP = Before present [Source : Schéma adapté de Paul F. Hoffman, Snowball Earth]



L’augmentation de la teneur en oxygène depuis plus de 2 milliards d’années est la résultante d’évènements très différents dont l’importance relative a varié selon les époques. Alors que la photosynthèse produit de l’oxygène, la respiration –qui en consomme- et diverses réactions chimiques avec les minéraux des roches entraînent une diminution nette de cette teneur. En effet, le fonctionnement des écosystèmes repose sur les échanges entre les organismes vivants et les divers réservoirs d'oxygène de la planète : la biosphère terrestre, la biosphère marine, l’écorce terrestre et l'atmosphère (Figure 4).

Presque tout l'oxygène libre de l'air a donc été produit par la photosynthèse. Environ un tiers de la photosynthèse terrestre brute se produit dans les forêts tropicales, dont la plus grande partie se trouve dans le bassin amazonien. Mais, la notion de photosynthèse brute est trompeuse, car la quasi-totalité de l’oxygène libéré par la végétation terrestre ou les micro-organismes marins (microalgues, cyanobactéries, etc…) est immédiatement utilisé par la respiration de ces mêmes organismes qui consomme de l’oxygène et produit du dioxyde de carbone (Figure 2). Feuilles, branches et racines se décomposent à la mort des arbres nourrissant de riches écosystèmes formés d'organismes hétérotrophes, principalement insectes, champignons, et autres micro-organismes.

En résumé, la végétation des forêts produit -le jour- de l'oxygène qui est consommé -tout au long de la journée- lors de la respiration par ces mêmes plantes et les organismes hétérotrophes, en particulier les micro-organismes du sol. En conséquence, la production nette d'oxygène par les forêts est pratiquement nulle (Lire La biosphère, un acteur géologique majeur). Il en est de même dans presque tous les écosystèmes de la planète (Figure 4).

 

Figure 4. Représentation des principaux réservoirs, du cycle global et des flux d'oxygène. Unités : milliards de moles par an. Les flèches dirigées vers le haut indiquent une augmentation de la teneur en oxygène de l’atmosphère, celles vers le bas une diminution. [Source : Schéma adapté de © Pengxiao Xu [CC BY-SA 4.0], via Wikimedia Commons]


L’oxygène : des océans à l’atmosphère

La biomasse terrestre et océanique correspond à une production annuelle -par photosynthèse- et une consommation -par respiration- d’environ 10 000 milliards de tonnes d’oxygène. Pour que le bilan global net entre production et consommation d'oxygène conduise à une accumulation nette dans l'air, il faut qu’une partie de la matière organique des plantes soit retirée du cycle avant qu’elle ne soit utilisée par les organismes hétérotrophes.

C’est ce qui s’est passé à l’époque du carbonifère, entre -360 et -290 millions d'années. De grandes quantités de végétaux (mousses et fougères, par exemple) ont été enfouies dans des tourbières dépourvues d'oxygène et mise à l’abri des micro-organismes (Lire Tourbières et marais, des zones humides remarquables). Elles se sont progressivement transformées en charbon, stockant ainsi du carbone en profondeur dans le sol.

A leur embouchure, les fleuves -comme l’Amazone- déversent des quantités importantes d’éléments nutritifs qui fertilisent localement la couche superficielle de l’océan. Cette couche bénéficie d’un ensoleillement optimal pour la photosynthèse. Des explosions de productivité planctonique se produisent très régulièrement que l’on peut analyser de l’espace dans les mers et les océans de la planète (Figure 5). Cependant, une partie seulement de l'oxygène produit en surface par le phytoplancton est consommée par le zooplancton et les organismes morts tombent en profondeur. Là, ils sont en partie décomposés par divers micro-organismes, consommant le peu d'oxygène présent : le milieu s’appauvri en oxygène et devient anoxique. La respiration n’est plus possible et les restes non décomposés des organismes planctoniques sont enfouis au fond des océans : c’est ainsi que se sont formés pétrole et gaz au cours des temps géologiques dans les bassins sédimentaires (Lire Pétrole : les preuves de son origine biologique).

 

Figure 5. Distribution du phytoplancton dans les océans (sur la base de la concentration moyenne de chlorophylle dans l'océan pour l'ensemble de la mission - 4 septembre 1997 au 30 novembre 2010). [Source : Photo © NASA/Goddard Space Flight Center, The SeaWiFS Project and GeoEye]


Seule une infime fraction - peut-être 0,0001 % - de la photosynthèse globale est ainsi préservée au fond des océans, permettant une très légère augmentation de la quantité d’oxygène dans l’atmosphère. Depuis plus de deux milliards d'années, l'oxygène résiduel –résultant du minuscule déséquilibre entre les métabolismes autotrophes et hétérotrophes au sein de la biosphère- s'est accumulé pour former le réservoir d'oxygène atmosphérique dont dépend toute la vie sur Terre.

Mais il a fallu aussi l’intervention d’évènements majeurs au niveau de la croûte terrestre. Lorsque le fer -abondant dans la croûte terrestre- est exposé à l'oxygène en présence d'eau, il forme de l'oxyde de fer (sous forme ferrique -de couleur orangé- comme la rouille). Ainsi, le fer ferreux marin -abondant dans l’océan primitif de la Terre- a réagi avec l’oxygène photosynthétique jusqu’à épuisement du milieu, il y a 2,4 milliards d’années (Lire La biosphère, un acteur géologique majeur). L’oxygène devenu alors en excès a pu se répandre des océans à l'atmosphère (Figure 3), déclenchant une crise écologique majeure. Ce processus d’oxydation des divers constituants de la croûte terrestre participe ainsi à la régulation du niveau d'oxygène dans l'atmosphère : les réactions des minéraux des roches avec l’oxygène entraînent une diminution nette de sa teneur dans l’air.

Ce sont donc essentiellement des phénomènes géochimiques et géologiques qui déterminent la quantité d’oxygène présent dans l’atmosphère.

La photosynthèse est sans contestation possible responsable de la présence dans l’air de l'oxygène que nous respirons, mais seule une fraction infime Denning S., The Conversation) de cette production est susceptible d’approvisionner le réservoir atmosphérique. Si toute la matière organique présente sur Terre était brûlée en une seule fois, moins de 1 % de l'oxygène de la planète serait consommé. Il y a donc assez d’oxygène dans l’atmosphère pour des millions d'années !

S’il y a de trop nombreuses raisons d'être inquiet des conséquences pour la planète à propos des incendies de forêt en Amazonie, l'épuisement de notre approvisionnement en oxygène n'en fait pas partie. La recrudescence des incendies et de la déforestation en Amazonie, mais aussi en Afrique, en Sibérie ou en Asie du Sud-Est menace des régions parmi les plus riches en biodiversité de la planète et des puits de carbone absolument essentiels pour notre climat : ce sont des raisons très largement suffisantes pour s’alarmer de la situation actuelle.

 

Cet article se base sur divers articles de l’Encyclopédie de l’Environnement :

 

Sur l’Amazonie, voir : Pavé A. & Fornet G., Amazonie, une aventure scientifique et humaine du CNRS, Ed. Galaade, Paris. 2010.


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Ce travail a été réalisé grâce au soutien financier d'UGA Éditions dans le cadre du programme "Investissement d'avenir", géré par l'Agence nationale de la Recherche.