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 SCIENCE 
Décembre 2005

Pourquoi... l'atmosphère contient-elle 21% d'oxygène ?

L'oxygène était pratiquement absent de l'atmosphère primitive. C'est l'apparition de la vie qui lui donnera voix au chapitre, et en retour il autorisera le développement de formes vivantes plus complexes.
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Quelques centaines de millions d'années après la formation de la Terre, il y a donc environ quatre milliards d'années, la composition de l'atmosphère était très différente de celle que nous connaissons aujourd'hui.

Celle-ci était alors dominée par le gaz carbonique et contenait beaucoup de vapeur d'eau. Planète tellurique (par opposition aux géants gazeuses comme Jupiter ou Saturne), la Terre est constituée en son cœur des atomes les plus lourds (comme le fer) tandis que les gazs légers (hydrogène, hélium) se sont échappés dans l'espace.

Les molécules simples (formées de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et d'azote), à la fois issues de gaz attirés par la gravitation terrestre et, à l'inverse, rejetés par le volcanisme, ont alors eu le champ libre.

Les stromatolites sont des constructions dues aux premières formes de vie, des colonies bactériennes qui fixaient le carbonate dissous dans l'eau de mer et produisaient de l'oxygène, modifiant profondément le climat terrestre en réduisant l'effet de serre et en favorisant la production de la couche d'ozone.
Photo : Nasa
Quand la photosynthèse entre en scène
Le gaz carbonique, qui est un gaz à effet de serre (c'est à dire qu'il emprisonne, en quelque sorte, la chaleur du soleil), maintient un climat raisonnablement chaud (contrairement à ce qui s'est passé sur Mars, où toute l'eau est présente sous forme de glace).

Cela n'empêche toutefois pas la vapeur d'eau de se condenser, provoquant des pluies torrentielles à l'origine de l'eau liquide présente sur la Terre. Les océans dissolvent alors le gaz carbonique et freinent ainsi l'effet de serre (ce qui ne s'est pas produit sur Venus, où la température de l'atmosphère atteint les 450 degrés celcius).

Un équilibre s'instaure alors (le processus prend des centaines de millions d'années), dont la remarquable stabilité autorise l'apparition de la vie. Il y a environ 3,3 milliards d'années apparaissent notamment les cyanobactéries, premiers organismes capables de tirer leur énergie directement de la lumière du soleil (auparavant, il fallait faire appel à des processus dits géochimiques basés sur l'intéraction entre le sol et l'eau), ce qui leur permet de convertir le gaz carbonique et l'eau en glucose : il s'agit du processus de photosynthèse.

Caractéristique de la photosynthèse : elle rejette de l'oxygène. Est-ce donc là la raison de l'accumulation de cette molécule dans l'atmosphère ? En partie. Car encore faut-il que le carbone fixé par les végétaux, quand ces derniers se dégradent, ne retourne pas se combiner à l'oxygène. Par chance, le carbone présents dans les végétaux dégradés est enfoui dans les roches sédimentaires, l'oxygène étant par contre, en sus de la photosynthèse, rejeté dans l'atmosphère.

L'oxygène, un poison auquel la vie s'est adaptée
L'évolution du taux d'oxygène dans l'air est liée à celle de la vie en général. Son accroissement progressif est le fait des cyanobactéries, des organismes multicellulaires et des plantes. Son accumulation est à l'origine de la couche d'ozone qui, en protègeant la terre des rayons ultraviolets, a permis à la vie de se développer hors de l'eau. Sa stabilisation autour de 21% est également le fait de sa consommation par les être vivants.

L'oxygène ayant un pouvoir énergétique important, il est un poison pour les bactéries anaérobies (n'utilisant pas l'oxygène pour vivre). Le monde du vivant a répondu à ce problème, non sans avoir subi, à cause de l'accumulation de l'oxygène, une extinction massive. Comment ? Par l'invention de la respiration (cellulaire dans un premier temps, physiologique par la suite). Un équilibre efficace s'est constitué entre les besoins en oxygène, sa combinaison avec d'autres éléments, sa production, et sa dangerosité.

En effet, si l'atmophère contenait entre 28 et 30% d'oxygène, le pouvoir énergétique de l'oxygène conduirait, par exemple, à un embrasement des forêts à l'approche d'une source de chaleur.

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Pour certains scientifiques, la hausse du taux d'oxygène a été régulière, passant même peut-être par un maximum autour de 23% il y a quelques dizaines de millions d'années. Pour d'autres, l'évolution s'est effectuée par paliers. Sur ces points, la question n'est pas tranchée dans l'état actuel de la recherche.

 
 Jérôme Morlon, L'InternauteScience - Environnement
 
Magazine Science
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