EnSciTerre 3 avril 2013 - univ-orleans.frLa biosphère est la couche de la planète Terre composés...

La Biosphère:

un système global, ouvert et auto-organisé

La Biosphère __________________________________________________________/EnSciTerre - Orléans - avril 2013

Sébastien Gogo

enseignant-chercheurs Université d’Orléans

sebastien.gogo@univ-orleans.fr

1. Développement du concept de biosphèreHistorique et définition

2. Les caractéristiques de la biosphère en tant que système complexeGlobal,ouvert et auto-organisé

3. Les interactions de la biosphère avec les autres sphèresDes organismes: coccolithophoridésUn élément: oxygèneUn processus: la décomposition de la MOUne méthode: la modélisation

4. Conclusions

La Biosphère:

un système global, ouvert et auto-organisé

1. Développement du concept de biosphère

James Hutton

1726 – 1797

La Terre comme un « super-organisme ».

Les premières intuitions

Jean-Baptiste LAMARK

1744 – 1829

Antoine LAVOISIER

1746 – 1794

Il élabore et démontre expérimentalement la loi de conservation de la masse.

« Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme »

« Les animaux se nourrissent ou de végétaux ou d’autres animaux, nourris eux-mêmes de végétaux… Enfin, la putréfaction et la combustion rendent perpétuellement à l’air et au règne minéral les principes que les végétaux et les animaux leur ont empruntés. Par quels procédés la nature opère-t-elle cette merveilleuse circulation entre les trois règnes? Ce sont là jusqu’ici des mystères impénétrables »

La chimie

Antoine Lavoisier et son épouse, par Jacques Louis David, 1788, Metropolitan museum of arts, New York.

J. VON LIEBIG

Jean-Baptiste BOUSSINGAULT

1802 – 1887

Jean Baptiste DUMAS1800 – 1884

Interactions entre les plantes et leurs environnement.

Justus VON LIEBIG1803 – 1873

La Loi du minimum: la production végétale est limitée par l’élément qui vient à manquer en premier.

La biologie-agronomie

J-B BOUSSINGAULT J-B DUMAS

J. VON LIEBIG

Vassili Vassilievitch DOKOUTCHAÏEV

1846 – 1903

Il a relié les types de sols au climat, à la roche sous-jacente, au relief, au temps et aux agents biologiques.

Il a encadré Vernadsky pendant ses études

La pédologie

J-B BOUSSINGAULT J-B DUMAS

Eduard SUESS

1831 – 1914

Il aurait inventé le terme de « Biosphère » en 1875.

« …la vie est limité à une zone déterminée à la surface de la lithosphère. La plante, dont les racines profondes plongent dans le sol pour se nourrir, et qui en même temps s’élève dans les airs pour respirer, est une bonne illustration de la vie organique à l’interface entre la sphère supérieure [l’atmosphère] et la lithosphère, et à la surface des continents il est possible de singulariser une biosphère indépendante. »

Tiré de « Das Antlitz der Erde » (la face de la Terre), 1895, 1888, 1905.

La géologie

Vladimir Ivanovitch VERNADSKY

1863 – 1945

« [la biosphère] peut être considérée comme une région de l'écorce terrestre, occupée par des transformateurs qui changent les rayonnements cosmiques en énergie terrestre active, énergie électrique, chimique mécanique, thermique... »

« Vernadsky fait pour l'espace, ce que Darwin a fait pour le temps : alors que Darwin a démontré que toute vie descend d'un ancêtre lointain, Vernadsky a montréque toute la vie vient d'un unique matériau, la biosphère. »

Lynn MARGULIS

La biogéochimie

James E. LOVELOCK

Né en 1919

Lynn MARGULIS

1938 - 2011

La théorie Gaïa

Tous les organismes et leur environnement inorganique sur Terre sont intégrés pour former un unique système complexe autorégulé, capable de maintenir des conditions favorables à la vie sur la planète

Pieter WESTBROECK

Né en 1937

Global Emiliana Modelling Initiative (GEM)

Expérimentation et modélisation des liens entre biosphère-géosphère en prenant comme organismes modèle Emilianahuxleyi.

James J. Kay

1954 – 2004

Sven E. Jørgensen

Né 1934

Et al. …

Ces chercheurs abordent les écosystèmes, et par conséquent la biosphère dans son ensemble, sous l’angle thermodynamique. Dans cette approche, la biosphère et le niveau hiérarchique le plus élevé et est considère comme un système ouvert qui présente des structures dissipatives.

James J. Kay

Sven E. Jørgensen

La biosphère est la couche de la planète Terre composés de l’ensemble des êtres vivant, àl’interface entre l’atmosphère et la lithosphère.

Par ces capacités réactionnels, sous l’effet de l’énergie solaire, les parties de la biosphère sont capable d’altéré les autres sphère. In fine et de manière non-planifiée, ces transformations et ces interactions vont permettre de maintenir des conditions favorables à la vie.

La biosphère est donc un système ouvert, complexe et autorégulés, dans lequel les rétroactions positives et négatives jouent un rôle important.

Atmosphère

Biosphère

Lithosphère

A + B => C + D

Lithosphère

Biosphère

Atmosphère

AtmosphèreBiosphèreLithosphère

Venus Terre(tel qu'elle est)

Mars Terre"sans vie"

Dioxyde de carbone (%) CO2 97% 0.038% 95% 98%

Diazote (%) N2 1-3.5% 78% 2.7% 1.9%

Dioxygène (%) O2 trace 21% 0.13% 0

Méthane (ppm) CH4 0 1.7ppm 0 0

Température de surface (°C) 460 15 -53 à -46 240 à 340

Pression atmosphérique (bar) 92 1.01 0.006 60

Composition chimique et caractéristiques physiques de la Terre (actuelles et àl’équilibre chimique - « sans vie ») et des planètes voisines.

2. Les caractéristiques de la biosphère en tant que système complexe

Diagnostic du système global

matière

Géosphère Hydrosphère

Atmosphère Espace

Biosphère

Un système ouvert

matière

matière énergie

Structures dissipatives et auto-organisation

Gradient de température

Flux par conduction

Cellule de Bénard

Structures dissipatives d’importance pour la biosphère

Circulation atmosphérique globale

Les cycles biogéochimiques

Structures dissipatives d’importance pour la biosphère

6CO2 + 6H2O

Matière Organique +

Photosynthèse

Décomposition

Rayonnement solaire

Rayonnement de longeur d’ondes plus longues

La notion d’échelles

Ecosystème

Systèmes en interaction, àdifférentes échelles

-Systèmes complexe => hiérarchisation

-Clairement définir les échelles de travail

-Travailler à des échelles différentes pour bien

comprendre le système

Biosphère

La hierarchisation

Rétroaction positive = boucle

permanente entrainant

l’emballement ou l’extinction du

processus

Rétraction négative = boucle de

force opposée qui entraîne la

régulation du processus

Interaction « prédateur-proie »

Effet « boule de neige »

Les boucles de rétroactions

3. Les interactions Biosphère �� {autre}sphère sous différents angles

Des organismes:

Les coccolithophores

⇒ Formation de la craie

⇒ Régulateur de la température des

océans

Un élément:

L’oxygène

⇒l’oxygène à l’échelle des temps

géologiques

⇒ Régulation d l’oxygène atmosphérique

Un processus:

La décomposition de la

matière organique

⇒ Quand elle est bloquée

⇒ Quand elle est stimulée

Une méthode:

La modélisation

⇒ « Daisy World »

rganismes

Emiliana huxleyiProduction de Sulfure de diméthyle

Coccolithe en calcite

Coccolithe en calcite Vastes étendues marines

Formation de couches sédimentaires

Crétacés (âge de la craie, 145-65 Ma BP)

Influence de la biosphère sur la géosphère: la formation de la craie

Falaise de craie en Normandie

rganismes

Influence de la géosphère sur la biosphère: stockage actuel du C

Les sols acides (massif Armoricain) contiennent plus de carbone que les sols calcaires du bassin parisien.

rganismes

La conséquence est devenue une causeMode de pensée circulaire et non plus linéaire

Carte géologique Carte des stock de C des sols

Arrouays et al, 2001

Régulateur de la température de l’océan

Définition:

Rapport de l’énergie solaire réfléchie par une

surface à l’énergie solaire incidente. C’est

une grandeur sans dimension comprise en 0

et 1 (ou 0 et 100 si exprimée en %)

Albédo = Er / Ei

0.05 – 0.15 0.35-0.850.08 0.08

Surface de la mer Sol sombre Forêt de conifère Nuages

L’albédo

rganismes

Nombre de gouttelettes

Teneur en eau liquide

Surface des nuages

Température de l’océan

Production Coccolithophoridés

Production Sulfure de diméthyle

Concentration DMS dans l’atmosphère

Concentration SO2

dans l’atmosphère

Noyau de condensation des

nuages

Océan *CLAW: Charlson, Lovelock, Andreae, Warren

L’hypothèse CLAW* ou comment les coccolithophoridés « manipule » l’albédo

rganismes

Surface des nuages

Concentration SO2

nuages

rganismes

Surface des nuages

Concentration SO2

nuages

rganismes

Surface des nuages

Concentration SO2

nuages

rganismes

Surface des nuages

Production phytoplancton

Concentration SO2

nuages

Océan

rganismes

*CLAW: Charlson, Lovelock, Andreae, Warren

Surface des nuages

Production phytoplancton

Concentration SO2

nuages

Océan

rganismes

*CLAW: Charlson, Lovelock, Andreae, Warren

L’hypothèse CLAW ou comment E. huxleyi « manipule » l’albédo

16 mars 2013

23 mars 2013

Tendent à infirmer Tendent à confirmer

30 mars 2013

rganismes

~2100 citations en 26 ans => 6-7 citations par mois

L’hypothèse CLAW ou comment E. huxleyi « manipule » l’albédo

rganismes

16 mars 2013

23 mars 2013

30 mars 2013

~2100 citations en 27 ans => 6-7 citations par mois

Diminution

Surface des nuages

Diminution [DMS] dans l’atmosphère

Diminution [SO2] dans l’atmosphère

Diminution condensation des

nuages

Océan

L’hypothèse ANTI-CLAW (Lovelock, 2007)

Augmentation des

températures

Diminution de la production

phytoplancton

Diminution de la production de Sulfure de

diméthyle (DMS)

[nutriments]Océan

rganismes

Changements climatiques

Diminution

Surface des nuages

Diminution [DMS] dans l’atmosphère

Diminution [SO2] dans l’atmosphère

Diminution condensation des

nuages

Océan

L’hypothèse ANTI-CLAW (Lovelock, 2007)

Augmentation des

températures

Diminution de la production

phytoplancton

Diminution de la production de Sulfure de

diméthyle (DMS)

[nutriments]Océan

rganismes

Changements climatiques

Synthèse: coccolitophoridés - biosphèrerganismes

• L’activité biologique peut être à l’origine de formation géologique

=> capacité réactionnelle de la biosphère

• Les organismes seraient capable de réguler les caractéristiques de son environnement en leur propre faveur

=> capacité de régulation de la biosphère

=> auto-organisation

• L’étude approfondie des processus implique de prendre en compte lesinteractions à différentes échelles

=> hiérarchisation, complexité

• Des hypothèses restent à tester

=> la biogéochimie est une science jeune

L’oxygène dans le temps: les voies métaboliques les plus anciennes

CO2 + H2O CH2O + O2

CO2 + 4H2 CH4 + 2 H2O

CH3COOH CH4 + CO2

Photosynthèse basé sur H2O

Sulphato-réduction

Hydrogénotrophie

Acétotrophie

Photosynthèse basé sur H2S CO2 + 2H2S CH2O + 2 S + H2O

2 CH2O + 2 H+ + SO42- H2S + 2 CO2+ 2 H2O

« La production de dioxygène par la photosynthèse est sans doute l’effet le plus significatif de

la vie sur la géochimie de la surface de la Terre » WH Schlesinger

2) Oxidation de l’ion ferreux

1) Début de la photosynthèse

3) O2atmosphérique

4) Oxidation de la pyrite

5) Air actuel

Modified from Schildowski (1980) in Schlesinger, 1997

21% d’O2 dans l’air, c’est « récent »

Kump, 2008

Evènements oxydatifs

Concentration~21%

21% d’O2 dans l’air, c’est « récent »

Interactions biosphère-géosphère-atmosphère

Capacitéautorégulatrice de la biosphère

2.7 Ga: the earliest time we can speakof cyanobacterial evolution with a highdegree of confidence (Canfield, 2005)

221% d’O2 dans l’air : la biosphère autorégulatrice?

Canfield, 2005

Régulation de l’O2 atmosphérique à l’échelle des temps géologiques

Concentration O2atmosphérique

Enfouissement 1) du C organique2) de la pyrite

Altération1) du C organique2) de la pyrite

kproduction kconsomation

Canfield, 2005

Origine de l’O2atmosphérique

« Pyrite vs OrganicCarbon burial »

Oxygène provenant majoritairement de l’enfouissement de la pyrite

Oxygène provenant majoritairement de l’enfouissement du C orga.

Canfield, 2005

Origine de l’O2atmosphérique

« Pyrite vs OrganicCarbon burial »

Oxygène provenant majoritairement de l’enfouissement de la pyrite

Oxygène provenant majoritairement de l’enfouissement du C orga.

L’enfouissement du C organique joue un rôle important dans l’augmentation de l’O2

atmosphérique depuis ~600 Ma.

C organique respiré < C organique produit

augmentation de l’O2 atmosphérique

CO2 + H2O

Carbone organique

C organique enfouit

photosynthèse

respiration

« At atmospheric levels between 25 and 35% the increasing probability of fire would be incompatible with the existence of land based vegetation »

Watson et al, 1978

VenusTerre(tel qu'elle est) Mars

Terre"sans vie"

Dioxyde de carbone (%) CO2 97% 0.038% 95% 98%

Diazote (%) N2 1-3.5% 78% 2.7% 1.9%

Dioxygène (%) O2 trace 21% 0.13% 0

Méthane (ppm) CH4 0 1.7ppm 0 0

Température de surface (°C)

460 15 -53 à -46 240 à 340

Pression atmosphérique (bar) 92 1.01 0.006 60

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Régulation de l’oxygène atmosphérique actuel

Accumulation C organique O2 atmosphérique+

Émissions de CH4+

Zones humides tropicales

Tourbières

Décomposition de la

M Synthèse: oxygène - biosphère

• Les réactions entre l’oxygène (produit de la biosphère) avec les éléments minéraux sont à l’origine de formation géologique

• L’oxygène atmosphérique à travers les temps géologiques est réguler par des processus géologique et biologique

• L’oxygène atmosphérique à l’Archéen et au Protérozoic? Mécanismes de régulations?

Flux de matière

Le processus de décomposition de la MO

Matière Organique

Décomposition

Photosynthèse

=> Système Source de C

Décomposition

Photosynthèse

=> Système Puits de C

Système puits à l’échelle de la biosphère

(sinon, pas d’oxygène…)

M Le processus de décomposition de la MO

Fougères arborescentes

Blocage et déblocage du processus de décomposition:

cas des forêts du Carbonifère

- Apparition des organismes ligneux

- Flore et faune du sol incapables de dégrader la lignine

Accumulation de matière organique à l’origine du charbon

- Le Carbonifère s’arrêterait avec l’apparition des champignon capable de dégrader la lignine

Les tourbières à SphaignesLes zones humides tropicales

Blocage et déblocage du processus de décomposition:

qu’en est-il aujourd’hui?

-Déforestation

-Drainage

-Changement climatique

Augmentation des températures liées àl’augmentation des gaz à effet de serre

IPCC, 2007

MEffet d’une hausse des température et de la concentration en CO2

sur la productivité primaire

Matière Organique

MEffet d’une hausse des température sur la décomposition de la

matière organique

Température (°C)

Respira

tion du sol (µmol C

-2s-1 )

Lloyd and Taylor, 1994

Matière Organique

⇒On ignore dans quel sens a et/ou aura lieu ces rétroactions.

⇒Autres facteurs: la pluviosité, les changements de végétation

Ecosystème

décomposition+

+ CO2, CH4 emissions

Temperature

production primaire

Rétroaction entre les écosystèmes et le climat

Ecosystème

Amplification Atténuation

• La production et l’accumulation de matières organiques sont à l’origine de formation géologique

• En modifiant le climat, les activités humaines pourraient modifier la capacités de la biosphère à accumuler de la matière organique

=> Homo sapiens sapiens �� Biosphère

• Comment réagissent les écosytèmes aux changements globaux?

Synthèse: processus de décomposition - biosphère

délisation

Le modèle « Daisy World » (Watson et Lovelock, 1983)

Modèle numérique

⇒Représenter la température du sol en fonction de

la luminosité (quantité d’énergie apportée par le

soleil)

⇒Planète où se développe des Pâquerettes noires et

blanches

⇒Tester l’effet de la « biosphère » sur le température

de la planète et le rôle de l’albédo

⇒Hypothèses de départ:

1) Les Pâquerettes noires se développent à de

relativement faibles luminosités

2) Les Pâquerettes blanches se développent à de

relativement fortes luminosités

Y : Température du

sol de la planète

X : Luminosité solaire

délisationM

Fort albédo

⇒Augmentation de la quantité

d’énergie réfléchie vers l’espace

⇒Tendance à refroidir le sol

Faible albédo

⇒Absorbation de l’énergie

⇒Tendance à réchauffer le sol

neutre NOIRES

BLANCHES

L’effet des Pâquerettes noires

blanches sur leur environnement

tend à réguler la température à la

surface de la planète.

Régulation

Le modèle « Daisy World » (Watson et Lovelock, 1983)délisationM

Synthèse: modélisation - biosphèredélisationM

• Un modèle théorique capable de générer de nouvelles idées

=> diversité des outils et approches pour étudier la biosphère

• Via des processus physique, la biosphère pourrait favoriser les conditions de son propre développement

=> auto-organisation

• Le modèle est « simple »: reste à rentrer dans le détails

onclusions

4. Quelques points à emporter

• Photosynthèse – décomposition de la matière organique

Clé de voute de la biosphère

• Homo sapiens sapiens �� Biosphère

Nous ne sommes pas neutres

• Multitudes d’approches et de disciplines

Beaucoup reste à faire

4. Pas de biosphère sans pluridisciplinarité

James Hutton

1726 – 1797

Traité non publié: « The Elementsof agriculture »

Les premières intuitions

Jean-Baptiste LAMARK

1744 – 1829

1802: « Hydrogéologie »

de votre attention

Sulfure de diméthyl (fr)

Dimethylsulfide (eng)

M = 62.134

Oxydation de l’ion ferreux

4Fe2+ + 3O2 2 Fe2O3

Oxydation de la pyrite

4 FeS2 + 19 O2 2 Fe2O3 + 8 SO42-

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