Introduction
Le dioxygène (O₂) constitue environ 21 % de l’atmosphère terrestre. Ce gaz, indispensable à la respiration des organismes aérobies, joue également un rôle clé dans de nombreuses réactions chimiques au sein de l’atmosphère. Sa présence en abondance est une singularité planétaire qui résulte de l’action combinée de processus biologiques et géologiques.
Comprendre les sources actuelles de dioxygène, c’est explorer le fonctionnement des cycles biogéochimiques, des flux biologiques et des équilibres dynamiques, c’est-à-dire des équilibres entre flux opposés mais simultanés, tels que la production et la consommation d’O₂. Cela permet de prendre la mesure de la complexité des systèmes qui rendent la vie possible.
La photosynthèse : moteur principal de production d’O₂
La quasi-totalité du dioxygène atmosphérique est produite par la photosynthèse oxygénique, un processus biologique réalisé par les plantes, les algues et le phytoplancton. Ces organismes utilisent l’énergie lumineuse, captée par la chlorophylle, pour convertir le dioxyde de carbone (CO₂) et l’eau (H₂O) en glucides et en dioxygène (O₂).
L’équation globale peut s’écrire ainsi :
...à la lumière et en présence de chlorophylle.
Ce dioxygène est un produit secondaire du métabolisme photosynthétique. Dans les océans, le phytoplancton — composé d’organismes unicellulaires microscopiques — est responsable d’environ la moitié de la production mondiale d’O₂. Le reste est assuré par les végétaux terrestres, notamment les forêts et les zones humides, qui jouent également un rôle majeur dans la fixation du carbone.
À retenir
Le dioxygène atmosphérique est produit par la photosynthèse oxygénique, réalisée par les plantes, les algues et le phytoplancton, à la lumière et en présence de chlorophylle. Il s’agit d’un produit secondaire de ce métabolisme.
Une consommation permanente : respiration et oxydation
Le dioxygène produit n’est pas intégralement conservé dans l’atmosphère. Il est largement consommé par divers processus naturels. Le principal est la respiration aérobie, qui permet aux organismes vivants d’oxyder la matière organique pour en tirer de l’énergie. Ce processus inverse celui de la photosynthèse :
L’oxygène atmosphérique est également utilisé lors de la décomposition microbienne de la matière organique, de la combustion naturelle ou industrielle (bois, charbon, pétrole, gaz), et dans des réactions chimiques impliquant des minéraux, notamment les oxydations de surface et l’altération des roches.
Ainsi, la concentration en O₂ dans l’atmosphère dépend d’un équilibre dynamique entre production biologique et consommation biologique ou chimique.
À retenir
Le dioxygène est continuellement consommé par la respiration, la décomposition, la combustion et diverses réactions chimiques. Sa concentration dans l’air résulte d’un équilibre dynamique entre ces flux opposés.
Une source géologique différée : la matière organique enfouie
Sur de courtes échelles de temps, la production photosynthétique et la respiration tendent à s’équilibrer. Cependant, à l’échelle des temps géologiques, un processus permet une accumulation nette d’O₂ dans l’atmosphère : l’enfouissement de matière organique non décomposée.
Lorsque des restes d’organismes (plancton, végétaux, etc.) sont rapidement enfouis dans des sédiments, sans être totalement dégradés, le carbone organique qu’ils contiennent est séquestré. Cela signifie que le dioxyde de carbone qui aurait dû être restitué par décomposition ne l’est pas, tandis que l’O₂ produit initialement reste disponible dans l’atmosphère.
Sous l’effet de la pression et de la température, cette matière peut, au fil des millions d’années, subir une fossilisation qui conduit à la formation de charbon, de pétrole ou de gaz naturel. Ces gisements fossiles représentent un stockage durable de carbone réduit, et donc une source différée d’oxygène libre.
À retenir
L’enfouissement de matière organique non décomposée permet une accumulation d’oxygène dans l’atmosphère. Ce processus, associé à la fossilisation sous haute pression et température, explique l’augmentation d’O₂ à l’échelle géologique.
Le rôle particulier de la stratosphère : formation de l’ozone
Une infime partie du dioxygène atmosphérique est transformée dans la stratosphère en ozone (O₃), grâce à un ensemble de réactions appelé cycle de Chapman. Ce cycle désigne le processus de transformation du dioxygène en ozone sous l’effet des rayons ultraviolets (UV).
Les UV dissocient des molécules d’O₂ en atomes d’oxygène (O), qui réagissent avec d’autres O₂ pour former de l’O₃. Cette couche d’ozone joue un rôle crucial : elle filtre les rayonnements UV-B et UV-C, très dangereux pour les êtres vivants, en protégeant l’ADN des mutations.
Bien que ce mécanisme n’implique qu’une quantité minime d’oxygène, son impact biologique est considérable.
À retenir
Une fraction du dioxygène atmosphérique est convertie en ozone dans la stratosphère via le cycle de Chapman. Cette couche d’ozone protège les êtres vivants des UV solaires.
Conclusion
Le dioxygène atmosphérique résulte principalement de la photosynthèse oxygénique, complétée à long terme par la séquestration du carbone organique dans les sédiments. Sa concentration actuelle est le produit d’un équilibre dynamique entre flux de production et de consommation, équilibre sensible aux perturbations biologiques et géologiques.
Comprendre les sources d’oxygène, c’est aussi mieux saisir la vulnérabilité de notre atmosphère : ce que la Terre a mis des centaines de millions d’années à construire peut être menacé en quelques décennies par l’activité humaine et la déstabilisation des écosystèmes producteurs d’O₂.