Interaction entre photosynthèse et cycle du carbone
Informations du cours
Programme de 1ère - Enseignement scientifique - France
Introduction au cycle du carbone
Le cycle biogéochimique du carbone
Le cycle du carbone est le mouvement continu du carbone entre l'atmosphère, la biosphère, l'hydrosphère et la lithosphère.
Le carbone est présent sous différentes formes : CO₂, CH₄, HCO₃⁻, CaCO₃, et dans les molécules organiques.
Ce cycle est essentiel pour le maintien de la vie sur Terre.
- 1 Océans : 38 000 Gt de carbone (réservoir le plus important)
- 2 Atmosphère : 800 Gt de carbone (principalement CO₂)
- 3 Biosphère : 2 000 Gt de carbone (végétaux, animaux)
- 4 Sols : 1 500 Gt de carbone (humus, matières organiques)
- Photosynthèse : fixation du CO₂ atmosphérique
- Respiration : libération de CO₂ par les organismes vivants
- Combustion : libération de CO₂ par les énergies fossiles
- Dissolution : échange CO₂ entre air et océan
Photosynthèse et fixation du carbone
Conversion du CO₂ en matière organique
La photosynthèse est le principal mécanisme de fixation du carbone atmosphérique.
Elle convertit le CO₂ en matière organique (glucose) en utilisant l'énergie lumineuse.
La réaction globale est : 6CO₂ + 6H₂O + énergie lumineuse → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
- Réactions lumineuses : se déroulent dans les thylakoïdes
- Production d'ATP et NADPH : énergie pour les réactions sombres
- Réactions sombres (cycle de Calvin) : fixation du CO₂ dans le stroma
- Production de glucose : stockage du carbone fixé
Fixation du CO₂ sur le RuBP (ribulose-1,5-bisphosphate) par la RuBisCO :
Réduction du 3-PGA en G3P (glycéraldéhyde-3-phosphate) :
Régénération du RuBP et production de glucose :
La photosynthèse fixe environ 120 Gt de carbone par an.
Cela représente environ 20% du carbone atmosphérique chaque année.
Le phytoplancton marine contribue à environ 50% de cette fixation.
Respiration et libération du carbone
Retour du carbone vers l'atmosphère
La respiration cellulaire libère le carbone stocké dans les molécules organiques.
Elle oxyde le glucose pour produire de l'énergie (ATP) et libère du CO₂.
La réaction globale est : C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + énergie (ATP)
- Respiration autotrophe : par les producteurs (plantes)
- Respiration hétérotrophe : par les consommateurs (animaux)
- Décomposition : par les décomposeurs (bactéries, champignons)
La combustion d'une molécule de glucose libère environ 2870 kJ d'énergie.
Environ 34% de cette énergie est capturée sous forme d'ATP.
Le reste est dissipé sous forme de chaleur.
La respiration libère environ 120 Gt de carbone par an.
Elle compense presque exactement la photosynthèse dans des conditions naturelles.
La décomposition des matières organiques libère également du CO₂.
Normalement, la quantité de carbone fixée par photosynthèse égale la quantité libérée par respiration.
Quand cet équilibre est rompu, il y a accumulation ou diminution du CO₂ atmosphérique.
Océans et cycle du carbone
Océans comme puits de carbone
Les océans absorbent environ 25% du CO₂ émis par les activités humaines.
Le CO₂ dissous réagit avec l'eau pour former de l'acide carbonique :
L'acide carbonique se dissocie en ions bicarbonate et carbonate :
L'absorption de CO₂ par les océans provoque une diminution du pH (acidification).
Depuis l'ère préindustrielle, le pH des océans a diminué de 0,1 unité.
Cela affecte les organismes marins, notamment les coraux et les mollusques.
Les océans contiennent environ 50 fois plus de CO₂ que l'atmosphère.
Le phytoplancton marin fixe environ 50 Gt de carbone par an.
La pompe biologique transporte le carbone vers les profondeurs océaniques.
La capacité d'absorption des océans diminue avec l'acidification.
La température de l'eau influence la solubilité du CO₂.
Les océans chauds absorbent moins de CO₂ que les océans froids.
Changements anthropiques
Perturbation humaine du cycle
- Combustion des énergies fossiles : pétrole, charbon, gaz naturel
- Déforestation : destruction des puits de carbone
- Industrie : procédés chimiques, cimenterie
- Agriculture : fermentation, décomposition des sols
Les émissions humaines de CO₂ sont de l'ordre de 36 Gt/an.
Seulement environ 50% est absorbé par les puits naturels.
Cela provoque une accumulation de CO₂ dans l'atmosphère.
- Augmentation du CO₂ atmosphérique : de 280 ppm à 420 ppm
- Réchauffement climatique : effet de serre amplifié
- Acidification des océans : impacts sur la vie marine
- Changements de précipitations : perturbations des écosystèmes
Le taux de croissance du CO₂ atmosphérique a augmenté de 0,5 ppm/an dans les années 1960 à 2,5 ppm/an aujourd'hui.
Cela montre l'accélération du déséquilibre du cycle du carbone.
Exercice d'application 1
Calcul du bilan carbone
Une forêt de 10 hectares fixe 12 tonnes de carbone par hectare et par an par photosynthèse.
La respiration forestière libère 8 tonnes de carbone par hectare et par an.
1. Calculer la quantité totale de carbone fixée par an.
2. Calculer la quantité totale de carbone libérée par an.
3. Déterminer le bilan carbone de la forêt (en tonnes de carbone fixé/nettoyé).
4. Convertir ce bilan en tonnes de CO₂.
Solution exercice 1
Correction détaillée
- Surface de la forêt : S = 10 ha
- Carbone fixé par photosynthèse : 12 t·ha⁻¹·an⁻¹
- Carbone libéré par respiration : 8 t·ha⁻¹·an⁻¹
- Masse molaire du CO₂ : 44 g·mol⁻¹
- Masse molaire du C : 12 g·mol⁻¹
Carbone fixé = 12 × 10 = 120 tonnes/an
Carbone libéré = 8 × 10 = 80 tonnes/an
Bilan = Carbone fixé - Carbone libéré
Bilan = 120 - 80 = 40 tonnes/an
La forêt est un puits net de carbone de 40 tonnes/an.
Ratio CO₂/C = 44/12 = 3,67
CO₂ équivalent = 40 × 3,67 = 146,7 tonnes/an
La forêt stocke 146,7 tonnes de CO₂ par an.
Exercice d'application 2
Photosynthèse et rendement énergétique
Un hectare de culture de maïs reçoit 5000 MJ d'énergie lumineuse par jour.
Le rendement photosynthétique est de 1,5%.
Le glucose produit a une énergie de combustion de 16 MJ/kg.
1. Calculer l'énergie chimique produite par jour.
2. Déterminer la masse de glucose produite.
3. Calculer la quantité de CO₂ fixée (en kg), sachant que 1 mole de glucose nécessite 6 moles de CO₂.
4. Comparer avec la quantité de CO₂ produite par la respiration humaine (1 kg/jour par personne).
Solution exercice 2
Correction détaillée
- Énergie lumineuse reçue : 5000 MJ·ha⁻¹·jour⁻¹
- Rendement photosynthétique : 1,5%
- Énergie de combustion du glucose : 16 MJ·kg⁻¹
- Relation : 1 mol C₆H₁₂O₆ ← 6 mol CO₂
- CO₂ produit par respiration humaine : 1 kg·jour⁻¹·personne⁻¹
Énergie chimique = 5000 × 0,015 = 75 MJ·ha⁻¹·jour⁻¹
Masse de glucose = 75 / 16 = 4,69 kg·ha⁻¹·jour⁻¹
Masse molaire du glucose : 180 g·mol⁻¹
Masse molaire du CO₂ : 44 g·mol⁻¹
Quantité de CO₂ = (4,69 × 6 × 44) / 180 = 6,89 kg·ha⁻¹·jour⁻¹
1 hectare de maïs fixe 6,89 kg de CO₂ par jour.
Cela compense la respiration de 6,89 personnes environ.
Cela montre l'importance des cultures pour le bilan carbone.
Bilan énergétique global
Équilibre énergétique planétaire
- Rayonnement solaire : principale source d'énergie (1361 W·m⁻²)
- Énergie géothermique : négligeable comparé au solaire
- Énergie marémotrice : très faible
- Rayonnement thermique : émission de la surface terrestre
- Réflexion : albédo terrestre (~30%)
- Rayonnement réémis par l'atmosphère : effet de serre
La photosynthèse convertit environ 100 TW d'énergie lumineuse en énergie chimique.
Elle représente environ 0,1% de l'énergie solaire reçue.
L'énergie chimique stockée est ensuite utilisée par les écosystèmes.
Quand l'énergie entrante dépasse l'énergie sortante, il y a accumulation d'énergie (réchauffement).
Les gaz à effet de serre modifient ce bilan en réduisant l'émission thermique vers l'espace.
Résumé
Points clés
- Photosynthèse : fixation du CO₂ + énergie lumineuse → glucose + O₂
- Respiration : glucose + O₂ → CO₂ + H₂O + énergie
- Équilibre : dans des conditions naturelles, ces processus se compensent
- Océans : 38 000 Gt (principal réservoir)
- Atmosphère : 800 Gt (en augmentation)
- Biosphère : 2 000 Gt (végétaux et animaux)
- Sols : 1 500 Gt (humus et matières organiques)
- Émissions de CO₂ : +36 Gt/an
- Augmentation atmosphérique : +2,5 ppm/an
- Acidification océanique : pH diminue
- Réchauffement climatique : effet de serre amplifié
Conclusion
Félicitations !
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