D’où vient l’oxygène que nous respirons ?
L’oxygène est un corps gazeux diatomique indispensable à la respiration et présent dans l’atmosphère terrestre à hauteur de 20 %.
Si le gaz carbonique a toujours fait partie des composants de notre atmosphère, le développement de l’oxygène sur Terre est un phénomène beaucoup plus récent.
Ce changement, on le doit à l’apparition de la vie il y a environ 3,5 milliards d’années, plus particulièrement aux cyanobactéries et à la photosynthèse.
La photosynthèse est le phénomène qui est souvent considéré comme la « respiration » des végétaux. En réalité, c’est un processus plus complexe qui participe aussi à la nutrition des plantes par la fabrication de matière organique.
Ces dernières emmagasinent de l’eau (H2O) et du dioxyde de carbone (CO2) présents dans l’atmosphère. En parallèle, elles captent la lumière du soleil (« photos » en grec) grâce à la chlorophylle qu’elles contiennent naturellement. C’est la phase photochimique ou phase claire.
Elles synthétisent ensuite du dioxygène (O2) qu’elles libèrent dans l’air et des composés organiques à partir du carbone (C) comme des glucides. C’est la phase non photochimique ou phase sombre qui est beaucoup plus longue que la précédente.
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. 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. 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… .
Quant à la forêt amazonienne, elle s’est formée il y a 55 millions d’années !
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.
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.
La grande oxydation
Pendant quelques centaines de millions d’années, nos cyanobactéries ont donc produit de l’oxygène qui s’est retrouvé immédiatement capté par les différents éléments environnants, notamment le fer. Mais ça n’a pas duré. Une fois tout ce petit monde rassasié, il y a environ 2,4 milliards d’années, l’oxygène a enfin pu se répandre librement dans l’atmosphère, et a finalement atteint le niveau énorme de …0.1%.
Cela ne parait pas beaucoup, mais il s’agit d’un changement suffisant pour que l’on nomme cet évènement « la grande oxydation ». Certains l’appellent même « la catastrophe de l’oxygène » ou « la crise de l’oxygène ». Pourquoi ? Car l’oxygène est un poison !
Pour les cyanobactéries, l’apparition de l’oxygène dans l’atmosphère n’a pas été un grand bouleversement. Mais pour toutes les autres bactéries, ce fut une catastrophe. De la même manière que l’oxygène aime se lier à tout ce qu’il passe, il attaque la matière organique (c’est pourquoi on nous bassine tant avec les antioxydants pour lutter contre le vieillissement). L’oxygène a donc rapidement provoqué l’extinction de la plupart des autres espèces, laissant tout le champ libre aux cyanobactéries.
Autre changement catastrophique, le dioxygène de l’atmosphère a réagi avec le méthane (CH4) de l’atmosphère pour former de l’eau et du CO2. Or comme on l’entend parfois, le méthane est un très puissant gaz à effet de serre, bien plus que le CO2 ou l’eau. Sa disparition de l’atmosphère a donc provoqué un refroidissement important et une des plus importantes glaciations de l’histoire de la Terre, la glaciation Huronienne, qui a duré de -2,4 à -2,1 milliards d’années.
Mais au rayon des bonnes nouvelles, l’apparition de l’oxygène dans l’atmosphère a aussi permis la constitution de la couche d’ozone (O3), qui comme vous le savez nous protège des effets néfastes des rayons UV du soleil.
Pendant 1 milliard et demi d’années, la concentration d’oxygène est ainsi restée à un niveau faible, situé probablement entre 0.1% et 1%, avec cependant des fluctuations plus ou moins importantes. Au cours de cette période de disponibilité de l’oxygène, les organismes capables de pratiquer la respiration (et donc d’utiliser l’oxygène disponible pour produire de l’énergie) ont peu à peu pris le pas sur ceux pratiquant la fermentation. Avant que n’apparaisse une deuxième période de croissance rapide de la concentration atmosphérique d’oxygène.
Les plantes et les arbres respirent
Seule une partie du glucose produit par la photosynthèse servira à la respiration de la plante. La respiration de l’arbre s’effectue principalement par ses racines, ses feuilles et, dans une moindre mesure, par son tronc et ses branches.
L’intensité de sa respiration, et donc de sa consommation d’oxygène, dépend de son âge. Elle est maximale au début de sa vie, durant sa période de croissance (printemps), puis, elle ralentit, au fur et à mesure que son âge augmente.
Il semblerait donc qu’un arbre produise plus d’oxygène qu’il n’en consomme. Cependant, à sa mort, ses tissus sont « mangés » par des bactéries, des champignons et la microfaune du sol. À la fin de sa décomposition, tout l’excédent d’oxygène qu’il avait produit lors de sa vie sera donc été réutilisé.
En parallèle, il rejette la même quantité de CO2 qu’il avait fixé en grandissant. On se rend alors compte qu’il est impossible, en pratique, de faire un bilan précis de la production et de la disparition de ces deux gaz parce qu’une forêt est un système ouvert échangeant avec son environnement.
Qui produit l’oxygène que nous respirons ?
Lorsque l’on fait les comptes, l’oxygène présent dans l’air et provenant des forêts trouve son origine dans la biomasse produite et non encore métabolisée, dans la matière organique fossilisée et dans la matière organique sédimentée. Dans une forêt vierge, le volume de matière en croissance est pratiquement égal au volume en décomposition. Au total, la quantité d’oxygène produite est égale à la quantité consommée qui se transforme sur le sol en humus. Il n’y a pas de surplus d’oxygène.
Une forêt ne peut donc produire de l’oxygène que si elle devient de plus en plus étendue.
En réalité, les principaux systèmes produisant un surplus d’oxygène sont les forêts en formation, et les algues dans les mers, dans la mesure où leurs « produits » sont conservés. D’après des études récentes, c’est le phytoplancton présent dans les océans qui, à lui seul, fournit la majorité du dioxygène atmosphérique à travers le cycle marin de l’oxygène.
Une gestion durable des forêts pour produire du dioxygène
Feuilles et aiguilles permettent la photosynthèse. Les arbres ne sont pourtant pas tous égaux en production d’oxygène.
D’une façon générale, plus un arbre produit de glucose pour grandir, plus il produit de l’oxygène. Les forêts qui produisent le plus d’oxygène sont les forêts où l’on exploite le bois. En effet, un arbre qui croît produit plus d’oxygène qu’il n’en consomme.
Les végétaux dégagent aussi de l’oxygène. Cette action étant proportionnelle à la surface foliaire, leur production est très inférieure à celle d’un arbre occupant la même surface au sol.
Sources :
- https://www.caminteresse.fr/environnement/dou-vient-loxygene-11152751/
- https://www.echosciences-grenoble.fr/articles/d-ou-vient-l-oxygene-que-nous-respirons
- https://www.natura-sciences.com/comprendre/oxygene-forets-respiration.html
- https://scienceetonnante.com/2014/06/16/dou-vient-loxygene-de-lair-que-nous-respirons/
