Le dioxyde de carbone : une substance essentielle à la vie

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La vie sur Terre est basée sur le carbone. Tous les composés structuraux des êtres vivants : protéines, graisses, amidon, cellulose, etc., sont à base de carbone.

Les producteurs primaires, c’est-à-dire les plantes vertes ayant une fonction chlorophyllienne, sont capables de produire des substances organiques à partir du dioxyde de carbone (CO2) présent dans l’air. S’il n’y avait pas de dioxyde de carbone, ou si sa concentration était trop faible, la vie sur Terre, comme nous la connaissons, cesserait rapidement d’exister. Comme on le sait, la réaction d’absorption est catalysée par la lumière. Les autres nutriments, tels que l’eau et certains minéraux, sont absorbés du sol par les plantes. Les consommateurs primaires et secondaires, c’est-à-dire les herbivores et les carnivores, ne pourraient pas survivre sans les plantes.

On pense que le CO2 atmosphérique a pour origine principale les éruptions volcaniques massives qui se sont produites au cours des époques géologiques et que les températures extrêmes qui les ont caractérisées ont provoqué l’oxydation du carbone à l’intérieur de la Terre, formant du CO2. Aujourd’hui, le CO2 en tant que composant mineur de l’atmosphère, puisqu’il représente 0,04 % du volume, imprègne l’air et nourrit les plantes terrestres. En outre, il est également absorbé par les océans et autres plans d’eau (hydrosphère) où il fournit les éléments nutritifs nécessaires aux organismes photosynthétiques tels que le phytoplancton et les algues.

La température joue un rôle important et ne doit pas être trop froide pour le développement de la vie. Il suffit pour cela d’observer le nombre d’espèces végétales et animales ainsi que celui des membres de chaque espèce, en se déplaçant des régions équatoriales vers les régions polaires. On sait que le degré de diversité des communautés écologiques varie selon les régions du globe ; la tendance la plus régulière étant le gradient de diversité de l’équateur aux pôles : les écosystèmes tropicaux sont plus diversifiés que les écosystèmes tempérés qui sont à leur tour plus diversifiés que ceux de l’Arctique. Les exemples abondent tant dans le monde végétal que dans le monde animal : le fleuve Amazone contient plus de mille espèces de poissons, tandis que l’Amérique centrale en compte 456 et les Grands Lacs en Amérique du Nord 172. La forêt tropicale peut contenir plus de 200 espèces d’arbres sur une superficie de deux hectares, tandis que les forêts de la zone tempérée (sur la même surface) n’en abritent pas plus d’une quinzaine. Parmi les insectes, les fourmis en sont un exemple très clair lorsque l’on examine leur situation des tropiques aux pôles : à mesure que la latitude augmente, le nombre d’espèces diminue ainsi que celui de ses membres.

En général, une concentration plus élevée de CO2 atmosphérique peut avoir les conséquences suivantes : augmentation de la photosynthèse et de la croissance des plantes (avec une plus grande capture de carbone), amélioration de l’efficacité de l’utilisation de l’eau, retard moindre des cas de stress environnemental.

Une preuve de l’effet du CO2 sur la productivité des plantes est le fait que dans les serres, la fertilisation est réalisée depuis longtemps par le dioxyde de carbone dans le but d’augmenter les rendements des cultures (Incrocci et al., 2008). Ces données sont désormais établies, à titre d’exemple voir la figure 1 sur la croissance des plants de riz.

CO2 Figure 1

Figure 1 – Croissance du riz en fonction de la concentration en dioxyde de carbone (valeurs exprimées en parties par million = ppm, en volume). Notez qu’à moins de 60 ppm la plante a du mal à croître.

Historiquement, lors de la période postglaciaire actuelle (commencée il y a environ 11 500 ans) la révolution néolithique a eu lieu (10 000 à 8 000 ans) de façon synchronisée dans 4 régions du monde : Moyen-Orient (civilisation du blé) ; Asie du Sud-Est (civilisation du riz) ; Afrique subsaharienne (civilisation du sorgho) ; Amérique centrale (civilisation du maïs). Cela a pu se produire en raison de l’augmentation de la température et de la productivité des plantes, entraînant une augmentation du CO2 dans l’atmosphère qui est passé de 180 ppm pendant l’ère glaciaire à 280 ppm pendant la période postglaciaire.

Si l’on observe la reconstitution des tendances du dioxyde de carbone et des températures des époques géologiques, on constate que la période actuelle est caractérisée par une faible concentration en dioxyde de carbone (figure 2). À l’époque cambrienne, il y a 540 millions d’années, le CO2 atmosphérique était de 7 000 ppm, alors que les valeurs actuelles sont de 400 ppm (environ 18 fois moins). La Terre était alors après trois milliards d’années pendant lesquelles la vie était restée confinée aux océans et principalement composée d’organismes microscopiques unicellulaires.

CO2 Figure 2

Figure 2 – Tendance de la concentration de dioxyde de carbone (en volume) et des températures pendant la succession des périodes géologiques.

La soi-disant « explosion cambrienne » a ensuite eu lieu et la vie a fait irruption sur la planète, se manifestant d’abord dans les océans puis sur les terres émergées dans une variété imposante de formes résultant de chaînes alimentaires de plus en plus complexes alimentées par les très hauts niveaux de CO2 présents.

À cette époque, les milieux terrestres étaient colonisés par des plantes vasculaires, semblables aux mousses actuelles qui sont des espèces pionnières caractéristiques ; sans stomates, leur résistance à la pénurie d’eau était donc très faible. Ces plantes primordiales étaient les avant-gardes d’associations végétales qui modifièrent l’environnement pour assurer leur présence dans un nombre croissant d’habitats, jusqu’à couvrir une grande partie de la planète durant les phases chaudes et humides.

Il faut se rappeler que la croissance d’un organisme n’est pas contrôlée par la quantité totale de ressources disponibles, mais par la ressource rare, qui est le facteur limitant. Sur cette base, il est possible de penser que la propagation des plantes dans les milieux terrestres a été localement limitée par la disponibilité d’éléments chimiques (principalement l’azote et le phosphore). Cependant, il est probable que la seule véritable contrainte globale contre l’expansion de la végétation était due aux basses températures des périodes glaciaires, depuis la glaciation lointaine du Carbonifère (360 millions d’années) aux 15 périodes glaciaires du Pléistocène (2,5 millions d’années).

Les liens très étroits entre les niveaux atmosphériques de dioxyde de carbone et la productivité globale des plantes peuvent être confirmés par des preuves intéressantes.

Les données obtenues à partir de carottes de glace de l’Antarctique publiées par Prentice et al (2011), indiquent que la productivité de l’écosystème mondial pendant le dernier maximum glaciaire (environ 20 000) était inférieur à 25 / 40 % par rapport à l’ère préindustrielle ; une valeur cohérente avec ces mesures (- 30 %) résulte de simulations avec des modèles mathématiques. Ce phénomène est probablement limité aux écosystèmes terrestres, puisque les écosystèmes marins ont eu des variations marginales lors de la transition du froid au chaud. Ajoutez à cela le fait que les productions antiques de céréales, simulées par Araus et al. (2003), montrent que l’augmentation du CO2 par rapport aux niveaux préindustriels (275 ppm) à ceux des années 80 (350 ppm) a entraîné une augmentation de 40 % de la production de céréales et de manière plausible d’autres cultures de nombreux écosystèmes naturels.

Au cours des dernières années, les observations par satellite ont montré une augmentation significative de la biomasse végétale mondiale. Une augmentation de 6 % de la productivité primaire nette globale des plantes a été observée dans la période 1982-1999 (Simmons, 2012), dans la période 1990-2009 (Sitch S. et al., 2015) et dans la période 1961-2010 (Zeng et al., 2014). Les tendances observées par ces auteurs ont montré qu’il y a eu des augmentations importantes des zones agricoles d’Amérique du Nord, d’Europe et d’Asie (Figure 3) (la fraction des cultures en 2000 est présentée dans la partie inférieure de la figure). Les augmentations sont généralisées dans la majeure partie de l’hémisphère nord, en particulier dans les hautes latitudes, en réponse au climat plus doux et à l’effet de la fertilisation du CO2. Les diminutions dans certaines régions sont dues aux tendances climatiques. La plus grande croissance saisonnière de la végétation s’est produite au cours de la période 2001-2010, par rapport à celle de 1961-1970 ; ce qui suggère un plus grand échange de CO2 entre l’atmosphère et la biosphère.

Le satellite du centre australien CSIRO, indique également que, de 1982 à 2010, les régions les plus arides (Australie occidentale, Afrique subsaharienne, Inde occidentale et les grandes plaines d’Amérique du Nord) présentent la plus forte augmentation de croissance des plantes (Figure 4).

L’Afrique subsaharienne présente la plus forte augmentation de la croissance des plantes

(Figure 5, d’après Olsson et al., 2005).

CO2 Figure 3

Figure 3 – Les augmentations de la production primaire (PPN) de 1961 à 2010 (kg de C/ m2), répandues dans la majeure partie de l’hémisphère nord, sont principalement attribuables au climat plus doux (29 %) et à l’effet de fertilisation de CO2 (26 %).

CO2 Figure 4

Figure 4 – Les données satellitaires montrent la variation en pourcentage de la productivité nette primaire de la végétation de 1982 à 2010. Les régions les plus arides (Australie occidentale, Afrique subsaharienne, Inde occidentale et les grandes plaines d’Amérique du Nord) présentent la plus forte croissance des plantes (Image du CSIRO Australie).

CO2 Figure 5

Figure 5 – L’Afrique subsaharienne montre la plus forte augmentation de la croissance des plantes.(Olsson et al., 2005).

En observant le graphique de la figure 6, on peut remarquer qu’il y a eu de fortes augmentations du rendement par hectare, de 1961 à 2013, des principales plantes qui nourrissent l’humanité : le blé à triplé ; le maïs a presque triplé ; le riz a plus que doublé ; le soja a plus que doublé. Si nous ramenions le CO2 atmosphérique aux niveaux préindustriels (280 ppm), la production agricole mondiale diminuerait de 20 / 40 %, provoquant une grave crise alimentaire pour l’ensemble de la civilisation humaine (Mariani L., 2014).

CO2 Figure 6

Figure 6 – La production des 4 cultures qui alimentent le monde de 1961 à 2013.

Ces augmentations ont conduit à une amélioration de la disponibilité alimentaire sur l’ensemble de la planète, en fait des données les plus récentes de la FAO il en résulte : qu’en 25 ans, une réduction de la population sous-alimentée a été obtenue comme jamais auparavant (Tableau 1).

Années 1990 2014-2016
Population (millions) 5 320,8 7 243,8
Sous-alimenté (millions) 1 011 795
Sous-alimenté (%) 18,6 % 10,8 %
kcal par personne 2597 2903

Tableau 1 – Diminution du nombre de personnes sous-alimentées et augmentation de la disponibilité alimentaire dans le monde au cours des 25 dernières années.

À la lumière de ces faits, les populations animales – terrestres et aquatiques – sont susceptibles d’être favorisées par une augmentation des niveaux de CO2 dans l’atmosphère, car elles sont liées à celles du règne végétal : plus la base alimentaire est élevée, plus grande est la biomasse des herbivores et des carnivores qui peut être soutenue (Idso, 1995).

Une augmentation de la productivité végétale, conséquence de l’augmentation du CO2, pourrait également être l’un des meilleurs alliés pour préserver la biodiversité de la planète. En effet, si une population donnée a un nombre d’individus supérieur (résultant d’une productivité plus élevée), elle a plus de chances de maintenir sa biodiversité, chaque espèce (végétale ou animale) devant avoir un certain nombre d’unités (une certaine « biomasse critique ») pour soutenir et sauvegarder son espèce et assurer sa reproductivité à long terme (McNaughton et al., 1989) (Cyr et Pace, 1993).

Bibliographie

Araus et al., 2003, “Productivity in prehistoric agriculture: physiological models for the quantification of cereal yields as an alternative to traditional Approaches”, Journal of Archaeological Science, 30, 681–693.

Cyr H. and M.L. Pace, 1993, “Magnitude and patterns of herbivory in aquatic and terrestrial ecosystems”, Nature 361, 148-150.

Idso S.B., 1995, “CO2 and the biosphere: The incredible legacy of the Industrial Revolution. St. Paul, MN: Department of Soil, Water & Climate, University of Minnesota.

Incrocci L. et al., 2008, “Rese maggiori a costi contenuti con la concimazione carbonica”, Informatore Agrario, 21, 57-59.

Mariani L., 2014, “Produttività dei vegetali e livelli atmosferici di anidride carbonica”, 21mo Secolo Scienza e Tecnica, 1, 2-5.

McNaughton S. J. et al., 1989, “Ecosystem-level patterns of primary productivity and herbivory in terrestrial habitats”, Nature, 341, 142-144.

Olsson et al., 2005, “A recent greening of the Sahel—trends, patterns and potential causes”, Journal of Arid Environments, 63, 556–566.

Prentice I.C., Harrison P., Bartlein P.J., 2011, “Global vegetation and terrestrial carbon cycle changes after the last ice age”, New Phytologist, 189: 988–998. Vedere anche http://www.co2science.org/articles/V14/N34/EDIT.php

Simmon R., 2012, “Global garden, NASA Earth Observatory, based on data from Montana University – Numerical Simulations Terradynamic Group – NTSG (http://earthobservatory.nasa.gov/Features/GlobalGarden/).

Sitch S. et al., 2015, “Recent trends and drivers of regional sources and sinks of carbon dioxide”, Biogeosciences, 12, 653–679.

Zeng et al., 2014, “Agricultural Green Revolution as a driver of increasing atmospheric CO2 seasonal amplitude”, Nature, vol . 5015, 20 nov.

About Author

Professor of the Chair of Technology and Innovation as well as of Technology and Economics of Energy Sources in the Department of Science of the G. D'Annunzio University at Chieti-Pescara. His curriculum vitae is eloquent: He chaired for nine years the Faculty of Economics and five that of management sciences in Pescara; He taught at the universities of Bari, Modena, Bologna, Ancona and Milano Bicocca; He led the journal "Journal of Commodity Science, Technology and Quality" (with scientific committee and international arbitrator); He is the Scientific Director of the UN-sponsored Research Center for Evaluation and Socio-Economic Development and a member of the United Nations Academic Impact, not forgetting, as well as the author of more than 100 scientific works published in Italian and international journals. He is the Scientific Director of The Global Review - Books and Papers.

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