- caractéristiques
- Origine
- Atmosphère primitive
- Les énergies qui animent le cycle
- Relation avec d'autres cycles biogéochimiques
- Réservoirs
- Géosphère
- Atmosphère
- Hydrosphère
- Cryosphère
- OU
- Étapes
- -Étape environnementale du réservoir et de la source: atmosphère-hydrosphère-cryosphère-géosphère
- Atmosphère
- Stratosphère
- Hydrosphère
- Cryosphère
- Géosphère
- - Stade photosynthétique
- -Étape de retour atmosphérique
- -Stade respiratoire
- Photorespiration
- Importance
- Modifications
- Effet de serre
- Références
Le cycle de l'oxygène fait référence au mouvement circulatoire de l'oxygène sur Terre. C'est un cycle biogéochimique gazeux. L'oxygène est le deuxième élément le plus abondant dans l'atmosphère après l'azote, et le deuxième le plus abondant dans l'hydrosphère après l'hydrogène. En ce sens, le cycle de l'oxygène est lié au cycle de l'eau.
Le mouvement circulatoire de l'oxygène comprend la production de dioxygène ou d'oxygène moléculaire de deux atomes (O 2). Cela se produit en raison de l'hydrolyse lors de la photosynthèse réalisée par les différents organismes photosynthétiques.
Réservoir d'oxygène: forêt de nuages, parc national de Waraira Repano, Venezuela. Arnaldo Noguera Sifontes, de Wikimedia Commons
L'O 2 est utilisé par les organismes vivants dans la respiration cellulaire, générant la production de dioxyde de carbone (CO 2), ce dernier étant l'une des matières premières du processus de photosynthèse.
D'autre part, dans la haute atmosphère, une photolyse (hydrolyse activée par l'énergie solaire) de la vapeur d'eau se produit, causée par le rayonnement ultraviolet du soleil. L'eau se décompose en libérant de l'hydrogène qui est perdu dans la stratosphère et l'oxygène est intégré dans l'atmosphère.
Lorsqu'une molécule d'O 2 interagit avec un atome d'oxygène, de l'ozone (O 3) est produit. L'ozone constitue la soi-disant couche d'ozone.
caractéristiques
L'oxygène est un élément chimique non métallique. Son numéro atomique est 8, c'est-à-dire qu'il a 8 protons et 8 électrons dans son état naturel. Dans des conditions normales de température et de pression, il se présente sous forme de gaz dioxygène, incolore et inodore. Sa formule moléculaire est O 2.
L'O 2 comprend trois isotopes stables: 16 O, 17 O et 18 O. La forme prédominante dans l'univers est 16 O. Sur Terre, il représente 99,76% de l'oxygène total. Le 18 O représente 0,2%. La forme 17 O est très rare (~ 0,04%).
Origine
L'oxygène est le troisième élément le plus abondant de l'univers. La production de l'isotope 16 O a commencé dans la première génération de combustion d'hélium solaire qui s'est produite après le Big Bang.
L'établissement du cycle de nucléosynthèse carbone-azote-oxygène dans les générations ultérieures d'étoiles a fourni la principale source d'oxygène sur les planètes.
Des températures et des pressions élevées produisent de l'eau (H 2 O) dans l'Univers en générant la réaction de l'hydrogène avec l'oxygène. L'eau fait partie de la composition du noyau terrestre.
Les affleurements de magma dégagent de l'eau sous forme de vapeur qui entre dans le cycle de l'eau. L'eau est décomposée par photolyse en oxygène et hydrogène par photosynthèse et par rayonnement ultraviolet dans les niveaux supérieurs de l'atmosphère.
Atmosphère primitive
L'atmosphère primitive avant l'évolution de la photosynthèse par les cyanobactéries était anaérobie. Pour les organismes vivants adaptés à cette atmosphère, l'oxygène était un gaz toxique. Même aujourd'hui, une atmosphère d'oxygène pur cause des dommages irréparables aux cellules.
La photosynthèse est née dans la lignée évolutive des cyanobactéries d'aujourd'hui. Cela a commencé à changer la composition de l'atmosphère terrestre il y a environ 2,3 à 2,7 milliards d'années.
La prolifération des organismes photosynthétiques a modifié la composition de l'atmosphère. La vie a évolué vers l'adaptation à une atmosphère aérobie.
Les énergies qui animent le cycle
Les forces et les énergies qui agissent pour conduire le cycle de l'oxygène peuvent être géothermiques, lorsque le magma expulse la vapeur d'eau, ou provenir de l'énergie solaire.
Ce dernier fournit l'énergie fondamentale pour le processus de photosynthèse. L'énergie chimique sous forme de glucides résultant de la photosynthèse entraîne à son tour tous les processus vivants à travers la chaîne alimentaire. De la même manière, le Soleil produit l'échauffement différentiel planétaire et provoque les courants marins et atmosphériques.
Relation avec d'autres cycles biogéochimiques
En raison de son abondance et de sa forte réactivité, le cycle de l'oxygène est lié à d'autres cycles tels que le CO 2, l'azote (N 2) et le cycle de l'eau (H 2 O). Cela lui donne un caractère multicyclique.
Les réservoirs d'O 2 et de CO 2 sont liés par des processus qui impliquent la création (photosynthèse) et la destruction (respiration et combustion) de matière organique. A court terme, ces réactions d'oxydoréduction sont la principale source de variabilité de la concentration d'O 2 dans l'atmosphère.
Les bactéries dénitrifiantes obtiennent de l'oxygène pour leur respiration à partir des nitrates du sol, libérant de l'azote.
Réservoirs
Géosphère
L'oxygène est l'un des principaux composants des silicates. Par conséquent, il constitue une fraction importante du manteau et de la croûte terrestre.
- Noyau de la Terre: dans le manteau externe liquide du noyau de la Terre, il y a, en plus du fer, d'autres éléments, dont l'oxygène.
- Le sol: dans les espaces entre les particules ou les pores du sol, l'air est diffusé. Cet oxygène est utilisé par le microbiote du sol.
Atmosphère
21% de l'atmosphère est constituée d'oxygène sous forme de dioxygène (O 2). Les autres formes de présence d'oxygène atmosphérique sont la vapeur d'eau (H 2 O), le dioxyde de carbone (CO 2) et l'ozone (O 3).
- Vapeur d'eau: la concentration de vapeur d'eau est variable en fonction de la température, de la pression atmosphérique et des courants de circulation atmosphériques (cycle de l'eau).
- Dioxyde de carbone: le CO 2 représente environ 0,03% du volume d'air. Depuis le début de la révolution industrielle, la concentration de CO 2 dans l'atmosphère a augmenté de 145%.
- Ozone: c'est une molécule présente dans la stratosphère en faible quantité (0,03 - 0,02 partie par million en volume).
Hydrosphère
71% de la surface terrestre est recouverte d'eau. Plus de 96% de l'eau présente à la surface de la terre est concentrée dans les océans. 89% de la masse des océans est constituée d'oxygène. Le CO 2 est également dissous dans l'eau et est soumis à un processus d'échange avec l'atmosphère.
Cryosphère
La cryosphère fait référence à la masse d'eau gelée qui recouvre certaines zones de la Terre. Ces masses de glace contiennent environ 1,74% de l'eau de la croûte terrestre. D'autre part, la glace contient des quantités variables d'oxygène moléculaire piégé.
OU
La plupart des molécules qui composent la structure des êtres vivants contiennent de l'oxygène. En revanche, une forte proportion des êtres vivants est constituée d'eau. Par conséquent, la biomasse terrestre est également une réserve d'oxygène.
Étapes
En termes généraux, le cycle que suit l'oxygène en tant qu'agent chimique comprend deux grandes zones qui constituent son caractère de cycle biogéochimique. Ces zones sont représentées en quatre étapes.
La zone géoenvironnementale englobe les déplacements et le confinement dans l'atmosphère, l'hydrosphère, la cryosphère et la géosphère de l'oxygène. Cela comprend le stade environnemental du réservoir et de la source et le stade du retour dans l'environnement.
Cycle d'oxygène. Eme Chicano, de Wikimedia Commons
Deux étapes sont également incluses dans la zone biologique. Ils sont associés à la photosynthèse et à la respiration.
-Étape environnementale du réservoir et de la source: atmosphère-hydrosphère-cryosphère-géosphère
Atmosphère
La photosynthèse est la principale source d'oxygène atmosphérique. Mais il existe d'autres sources à partir desquelles l'oxygène peut pénétrer dans l'atmosphère.
L'un de ceux-ci est le manteau externe liquide du noyau terrestre. L'oxygène atteint l'atmosphère sous forme de vapeur d'eau lors d'éruptions volcaniques. La vapeur d'eau monte dans la stratosphère où elle subit une photolyse à la suite d'un rayonnement à haute énergie du soleil et de l'oxygène libre est produit.
En revanche, la respiration émet de l'oxygène sous forme de CO 2. Les procédés de combustion, en particulier les procédés industriels, consomment également de l'oxygène moléculaire et contribuent au CO 2 dans l'atmosphère.
Lors de l'échange entre l'atmosphère et l'hydrosphère, l'oxygène dissous dans les masses d'eau passe dans l'atmosphère. De son côté, le CO 2 atmosphérique est dissous dans l'eau sous forme d'acide carbonique. L'oxygène dissous dans l'eau provient principalement de la photosynthèse des algues et des cyanobactéries.
Stratosphère
Dans les niveaux supérieurs de l'atmosphère, le rayonnement à haute énergie hydrolyse la vapeur d'eau. Le rayonnement à ondes courtes active les molécules d'O 2. Ceux-ci sont divisés en atomes d'oxygène libres (O).
Ces atomes d'O libres réagissent avec les molécules d'O 2 et produisent de l'ozone (O 3). Cette réaction est réversible. En raison de l'effet du rayonnement ultraviolet, l'O 3 se décompose à nouveau en atomes d'oxygène libres.
L'oxygène en tant que composant de l'air atmosphérique fait partie de diverses réactions d'oxydation, intégrant divers composés terrestres. Un puits majeur pour l'oxygène est l'oxydation des gaz des éruptions volcaniques.
Hydrosphère
La plus grande concentration d'eau sur Terre est constituée par les océans, où il y a une concentration uniforme d'isotopes d'oxygène. Cela est dû à l'échange constant de cet élément avec la croûte terrestre par des processus de circulation hydrothermale.
Aux limites des plaques tectoniques et des dorsales océaniques, un processus constant d'échange gazeux est généré.
Cryosphère
Les masses de glace terrestre, y compris les masses de glace polaire, les glaciers et le pergélisol, constituent un important puits d'oxygène sous forme d'eau à l'état solide.
Géosphère
De même, l'oxygène participe à l'échange gazeux avec le sol. Là, il constitue l'élément vital des processus respiratoires des microorganismes du sol.
Les processus d'oxydation minérale et de combustion des combustibles fossiles constituent un puits important dans le sol.
L'oxygène qui fait partie de la molécule d'eau (H 2 O) suit le cycle de l'eau dans les processus d'évaporation-transpiration et de condensation-précipitation.
- Stade photosynthétique
La photosynthèse a lieu dans les chloroplastes. Pendant la phase légère de la photosynthèse, un agent réducteur est nécessaire, c'est-à-dire une source d'électrons. Ledit agent dans ce cas est l'eau (H 2 O).
En prélevant de l'hydrogène (H) dans l'eau, l'oxygène (O 2) est libéré en tant que déchet. L'eau pénètre dans la plante du sol par les racines. Dans le cas des algues et des cyanobactéries, il provient du milieu aquatique.
Tout l'oxygène moléculaire (O 2) produit lors de la photosynthèse provient de l'eau utilisée dans le processus. Lors de la photosynthèse, du CO 2, de l'énergie solaire et de l'eau (H 2 O) sont consommés et de l'oxygène (O 2) est libéré.
-Étape de retour atmosphérique
L'O 2 généré par la photosynthèse est expulsé dans l'atmosphère par les stomates dans le cas des plantes. Les algues et les cyanobactéries le renvoient dans l'environnement par diffusion membranaire. De même, les processus respiratoires renvoient l'oxygène dans l'environnement sous forme de dioxyde de carbone (CO 2).
-Stade respiratoire
Pour remplir leurs fonctions vitales, les organismes vivants doivent rendre efficace l'énergie chimique générée par la photosynthèse. Cette énergie est stockée sous forme de molécules complexes d'hydrates de carbone (sucres) dans le cas des plantes. Le reste des organismes l'obtient de l'alimentation
Le processus par lequel les êtres vivants déploient des composés chimiques pour libérer l'énergie requise est appelé respiration. Ce processus se déroule dans les cellules et comporte deux phases; un aérobie et un anaérobie.
La respiration aérobie a lieu dans les mitochondries chez les plantes et les animaux. Chez les bactéries, il est effectué dans le cytoplasme, car ils n'ont pas de mitochondries.
L'élément fondamental de la respiration est l'oxygène en tant qu'agent oxydant. Lors de la respiration, de l'oxygène (O 2) est consommé et du CO 2 et de l'eau (H 2 O) sont libérés, produisant de l'énergie utile.
Le CO 2 et l'eau (vapeur d'eau) sont libérés par les stomates des plantes. Chez les animaux, le CO 2 est libéré par les narines et / ou la bouche et l'eau par la transpiration. Dans les algues et les bactéries, le CO 2 est libéré par diffusion membranaire.
Photorespiration
Dans les plantes, en présence de lumière, se développe un processus qui consomme de l'oxygène et de l'énergie appelé photorespiration. La photorespiration augmente avec l'augmentation de la température, en raison de l'augmentation de la concentration de CO 2 par rapport à la concentration d'O 2.
La photorespiration établit un bilan énergétique négatif pour la plante. Il consomme de l'O 2 et de l'énergie chimique (produite par la photosynthèse) et libère du CO 2. Pour cette raison, ils ont développé des mécanismes évolutifs pour la contrer (métabolismes C4 et CAN).
Importance
Aujourd'hui, la grande majorité de la vie est aérobie. Sans la circulation de l'O 2 dans le système planétaire, la vie telle que nous la connaissons aujourd'hui serait impossible.
De plus, l'oxygène constitue une part importante des masses d'air de la Terre. Elle contribue donc aux phénomènes atmosphériques qui lui sont liés et à ses conséquences: effets érosifs, régulation du climat, entre autres.
Directement, il génère des processus d'oxydation dans le sol, des gaz volcaniques et sur des structures métalliques artificielles.
L'oxygène est un élément à haut pouvoir oxydant. Bien que les molécules d'oxygène soient très stables en raison du fait qu'elles forment une double liaison, l'oxygène ayant une électronégativité élevée (capacité à attirer des électrons), il a une capacité réactive élevée. En raison de cette électronégativité élevée, l'oxygène participe à de nombreuses réactions d'oxydation.
Modifications
La grande majorité des processus de combustion qui se produisent dans la nature nécessitent la participation d'oxygène. De même pour ceux générés par les humains. Ces processus remplissent des fonctions à la fois positives et négatives en termes anthropiques.
La combustion de combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz) contribue au développement économique, mais représente en même temps un problème sérieux en raison de sa contribution au réchauffement climatique.
Les grands incendies de forêt affectent la biodiversité, même si dans certains cas ils font partie des processus naturels de certains écosystèmes.
Effet de serre
La couche d'ozone (O 3) dans la stratosphère est le bouclier protecteur de l'atmosphère contre l'entrée d'un excès de rayonnement ultraviolet. Ce rayonnement hautement énergétique augmente le réchauffement de la Terre.
D'autre part, il est hautement mutagène et nocif pour les tissus vivants. Chez l'homme et d'autres animaux, il est cancérigène.
L'émission de divers gaz provoque la destruction de la couche d'ozone et facilite donc l'entrée des rayons ultraviolets. Certains de ces gaz sont les chlorofluorocarbures, les hydrochlorofluorocarbures, le bromure d'éthyle, les oxydes d'azote provenant des engrais et les halons.
Références
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