En biologie, le
cycle des éléments nutritifs est un concept qui décrit comment les nutriments
passent de l'environnement physique dans les organismes vivants et par la suite
sont recyclés à l'environnement physique. Ce mouvement circulaire de nutriments
est essentiel pour un écosystème donné, et il doit être équilibré et stable
pour le système doit être maintenu. Dans de nombreux cas, les activités humaines
ont eu un impact majeur sur ces processus, entraînant des effets indésirables.
Il existe de nombreux cycles de nutriments, chacun avec ses propres voies
particulières, mais peut-être les plus importants sont ceux qui impliquent des
éléments carbone, oxygène, azote, et phosphore.
Le cycle du
carbone
Ce cycle
nutritif commence par photosynthèse, le processus par lequel les plantes, les
algues et certaines bactéries utilisent l'énergie du soleil pour combiner le
dioxyde de carbone (CO 2) à partir de l'atmosphère et de l'eau pour former des
sucres, de l'amidon, les lipides, les protéines et d'autres composés que l'on
utiliser pour construire des cellules ou stocker de nourriture. De cette façon,
les plantes absorbent le carbone de l'atmosphère et de le stocker, mettre à la
disposition des herbivores qui mangent les plantes. Herbivores utilisent une
partie du carbone qu'ils consomment pour construire et réparer les cellules, de
sorte qu'il est stocké dans leur corps. Le reste est utilisé pour fournir de
l'énergie: elle se combine avec l'oxygène de l'air pour former du CO 2, qui est
ensuite exhalé, renvoyant le carbone directement dans l'atmosphère.
Le carbone
stocké dans le corps d'un herbivore, tel qu'un cerf, peut être recyclé lorsque
l'animal meurt. Alternativement, l'animal peut être tué et mangé par un
carnivore, comme un loup, dans ce cas, le recyclage aura lieu lorsque le
carnivore meurt. La matière végétale et animale mort est décomposée par
d'autres organismes, tels que les champignons et les bactéries. Ce processus
libère du carbone, sous la forme de dioxyde de carbone, dans l'atmosphère.
Il y a un
certain nombre de complications dans ce processus général. Par exemple, la
matière organique morte peut parfois être enfouie sous les sédiments, ce qui
rend le carbone disponible pour les organismes vivants. Ce matériau enterré a
formé des dépôts de charbon et de pétrole, dont les êtres humains sont
maintenant exploitent comme fossiles combustibles. La combustion de ces
composés forme du dioxyde de carbone, qui est libéré dans l'atmosphère. Il
existe un large consensus parmi les scientifiques que l'augmentation des
niveaux de CO 2 résultant de la combustion de combustibles fossiles est en
train de changer le climat de la Terre à l'échelle mondiale.
Le carbone peut
également être enfermé dans des roches lorsque le dioxyde de carbone se dissout
dans l'eau. Certains types d'organismes marins peuvent combiner du dioxyde de
carbone dissous de calcium pour construire des coquilles composées de carbonate
de calcium. Lorsque ces organismes meurent, les coquilles s'accumulent les
sédiments, pour finalement former la roche calcaire. Sur de vastes échelles de
temps, le calcaire peut être soulevé à la surface par des processus
géologiques, où l'eau acide peut réagir avec lui pour libérer le CO 2 dans
l'atmosphère.
Le cycle de
l'oxygène
Ce cycle est
étroitement liée au cycle du carbone et démarre au même endroit: la
photosynthèse, ce qui libère de l'oxygène dans l'air. Ceci, à son tour, est
absorbé par les organismes de l'oxygène de respiration, qui se combinent avec
le carbone et rejettent le dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Le CO 2 est
ensuite utilisé dans la photosynthèse pour libérer à nouveau l'oxygène. Le
dioxyde de carbone provenant d'autres sources, telles que la décomposition de
la matière organique morte et la combustion de combustibles fossiles, est
également utilisé dans la photosynthèse, la production d'oxygène.
Le cycle de
l'azote
L'azote est un
élément essentiel de toutes les formes de vie connues, et il est nécessaire
pour former les acides aminés, les protéines et l’ADN. Bien que 78% de
l'atmosphère de la Terre être constituée de cet élément, il ne peut pas être
utilisé directement par les plantes sous cette forme. Les molécules de gaz sont
constituées de deux atomes maintenus ensemble par un très fort triple liaison,
ce qui rend très difficile pour le faire réagir avec d'autres éléments.
Néanmoins, l'azote a son propre cycle de nutriment.
Il y a deux
principales façons dont cet élément peut devenir disponible pour les organismes
vivants. Normalement, beaucoup d'énergie est nécessaire pour rompre les
liaisons entre les atomes dans une molécule d'azote. Cette énergie peut
provenir de la foudre, ce qui provoque un peu d'azote pour se combiner avec
l'oxygène pour former des oxydes d'azote. Ceux-ci peuvent se dissoudre dans
l'eau de pluie pour former de l'acide nitrique très diluée, qui réagit avec les
minéraux du sol pour former des nitrates. Les nitrates sont solubles dans l'eau
et peuvent être facilement absorbés par les plantes.
La plupart de
l'azote dans les organismes vivants provient d'un procédé connu en tant que
fixation d'azote. Cela implique la conversion de l'azote atmosphérique dans les
sols en ammoniac par différents types de bactéries et des algues. Un tel groupe
de bactéries, appelé Rhizobium, forme des nodules dans les racines de pois et
de haricots. Pour cette raison, ces plantes sont souvent cultivées comme
cultures par les agriculteurs lorsque le terrain doit être enrichi avec cet
élément.
L'ammoniac
généré de cette manière est ensuite converti en d'autres types de bactéries en
nitrates, qui sont absorbés par les plantes. Un autre procédé, appelé
dénitrification, renvoie l'azote gazeux dans l'atmosphère. Encore une fois,
ceci est réalisé par des bactéries qui réduisent les nitrates dans le sol en
azote.
Les êtres
humains ont eu un impact significatif sur le cycle de l'azote. Etant donné que
les nitrates sont très solubles dans l'eau, ils peuvent être éliminés
rapidement dans le sol par la pluie. Lorsque les cultures sont cultivées
intensivement, les nitrates perdus doivent souvent être remplacés par des
engrais azotés. Ces composés sont produits industriellement par des procédés
qui combine d'abord l'azote atmosphérique avec de l'hydrogène pour former de
l'ammoniac puis combine ceci avec l'oxygène pour former de l'acide nitrique,
qui est utilisé pour fabriquer des engrais.
Le cycle du
phosphore
Comme l'azote,
cet élément est une partie essentielle de l'ADN. Il est également nécessaire
pour la production d'adénosine triphosphate (ATP), un composé que les cellules
utilisent pour l'énergie. La principale source naturelle de phosphore est de
roches. L'élément entre l'eau et le sol sous forme de phosphates par l'érosion
et les intempéries, et il est absorbé par les plantes. Il progresse ensuite
dans la chaîne alimentaire via les herbivores et les carnivores, le retour à la
terre quand ces organismes meurent.
Les phosphates
peuvent être lavés hors du sol par l'eau de pluie, qui s'accumulent dans les
lacs et les rivières, où une partie est utilisée par les plantes aquatiques et
d'autres organismes. Une partie du phosphate, cependant, subit les réactions
chimiques qui forment des composés insolubles qui se déposent sous forme de
sédiments. Ceux-ci forment finalement roche et, de cette manière, le phosphore
peut être enfermé pendant de très longues périodes - peut-être des dizaines ou
des centaines de millions d'années. Finalement, les processus géologiques
peuvent élever cette pierre, ce qui permet l'érosion et les intempéries pour
revenir à des organismes vivants.
Dans les zones
cultivées, comme l'azote, le phosphore perdu du sol a souvent besoin d'être
remplacés par des engrais phosphatés à permettre à l'agriculture de continuer à
être rentable. Ces engrais sont principalement faits de roches de phosphate
tels que l'apatite. L'utilisation de fumier animal dans les champs de culture
est un autre exemple de l'addition de phosphore dans le sol par l'homme. Dans
certains cas, l'excès de phosphate est lavé dans les rivières et les lacs. De
là, il peut être déposé dans les sédiments, mais certains peuvent rester
dissous, conduisant à une croissance excessive d'algues.