L’atmosphère terrestre se compose d’environ 78 % d’azote et 21 % d’oxygène, avec des traces d’autres gaz. L’oxygène est essentiel à toute vie animale et à de nombreux autres organismes. Étant donné que le gaz est utilisé par les formes de vie qui respirent de l’oxygène et qu’il a également tendance à réagir avec de nombreuses roches et minéraux, il doit être constamment reconstitué. Environ 98% de l’oxygène atmosphérique provient de la photosynthèse, le processus par lequel les plantes produisent des sucres à partir de dioxyde de carbone et d’eau. Le reste résulte de la décomposition de l’eau par le rayonnement ultraviolet.
Photosynthèse
Les plantes et certaines bactéries utilisent la photosynthèse pour fabriquer des aliments sous forme de sucres et d’autres substances riches en énergie. L’eau et le dioxyde de carbone sont absorbés par l’organisme et la lumière du soleil fournit l’énergie qui alimente le processus. L’oxygène se trouve être un sous-produit très utile. D’après les scientifiques, les niveaux d’oxygène sur Terre sont restés assez stables pendant plusieurs centaines de millions d’années. Cela indique que la production d’oxygène par photosynthèse a été plus ou moins équilibrée par sa consommation par d’autres processus, tels que la respiration d’oxygène, ou les formes de vie aérobies et les réactions chimiques.
Les sources d’oxygène atmosphérique par la photosynthèse sont le phytoplancton, comme les cyanobactéries dans l’océan, et les arbres et autres plantes vertes sur terre. Le montant de la contribution de chaque source fait l’objet d’un débat : certains scientifiques suggèrent que plus de la moitié provient des océans, par exemple, tandis que d’autres évaluent le nombre à un tiers. Ce qui est clair, c’est que les chiffres ont fluctué au cours des temps géologiques, en fonction de l’équilibre de la vie sur Terre. Lorsque l’atmosphère se développait pour la première fois, par exemple, les cyanobactéries contribuaient à la majeure partie de l’oxygène.
L’augmentation des niveaux d’oxygène
On pense qu’au départ, l’oxygène produit par les cyanobactéries a été utilisé pour réagir avec le fer dans les sols, les roches et l’océan, formant des composés d’oxyde de fer et des minéraux. Les géologues peuvent estimer la quantité d’oxygène dans l’atmosphère dans les temps anciens en examinant les types de composés de fer dans les roches. En l’absence d’oxygène, le fer a tendance à se combiner avec le soufre, formant des sulfures tels que les pyrites. Lorsqu’il est présent, cependant, ces composés se décomposent et le fer se combine avec l’oxygène, formant des oxydes. En conséquence, les pyrites dans les roches anciennes indiquent de faibles niveaux d’oxygène, tandis que les oxydes indiquent la présence de quantités importantes de gaz.
Une fois que la majeure partie du fer disponible s’est combinée à l’oxygène, le gaz a pu s’accumuler dans l’atmosphère. On pense qu’il y a environ 2.3 milliards d’années, les niveaux étaient passés d’une infime trace à environ 1 % de l’atmosphère. Les choses ont ensuite semblé s’équilibrer pendant une longue période alors que d’autres organismes évoluaient pour utiliser l’oxygène pour fournir de l’énergie par l’oxydation du carbone, produisant du dioxyde de carbone (CO2). Ils y sont parvenus en mangeant des matières végétales organiques riches en carbone, vivantes ou mortes. Cela a créé un équilibre, avec la production d’oxygène par la photosynthèse correspondant à sa consommation par les organismes qui respirent de l’oxygène.
Il semble qu’en raison de cet équilibre, la photosynthèse ne puisse à elle seule expliquer l’augmentation initiale de l’oxygène. Une explication est qu’une partie de la matière organique morte s’est enfouie dans la boue ou d’autres sédiments et n’était pas disponible pour les organismes aérobies. Cette matière ne pouvant se combiner avec l’oxygène de l’air, tout l’élément produit n’a donc pas été utilisé de cette manière, ce qui a permis aux niveaux d’augmenter.
À un moment donné plus tard dans l’histoire de la Terre, les niveaux d’oxygène ont augmenté de façon spectaculaire pour atteindre leur niveau actuel. Certains scientifiques pensent que cela s’est peut-être produit il y a environ 600 millions d’années. À cette époque, un grand nombre d’organismes multicellulaires complexes et relativement grands sont apparus qui auraient nécessité des niveaux d’oxygène beaucoup plus élevés. Cependant, la cause de ce changement n’est pas claire. Fait intéressant, cela s’est produit alors que la Terre semblait émerger d’une période glaciaire massive, au cours de laquelle la majeure partie de la planète était recouverte de glace.
Une théorie est que l’action des glaciers, en avançant et en reculant, a broyé des roches riches en phosphore et en a libéré d’énormes quantités dans les océans. Le phosphore est un nutriment essentiel pour le phytoplancton, ce qui a pu provoquer une explosion de cette forme de vie. Cela entraînerait à son tour une augmentation de la production d’oxygène, avec probablement très peu de vie terrestre pour l’utiliser. Cependant, tous les scientifiques ne sont pas d’accord avec cette théorie et, en 2012, le problème n’était toujours pas résolu.
Menaces sur les niveaux d’oxygène atmosphérique
Une étude a montré que les niveaux d’oxygène ont diminué régulièrement entre 1990 et 2008 d’environ 0.0317 % dans l’ensemble. Ceci est principalement attribué à la combustion de combustibles fossiles, qui consomment de l’oxygène lors de la combustion. La baisse est toutefois moindre que prévu, compte tenu de la quantité de combustibles fossiles brûlés au cours de cette période. Une possibilité est que des niveaux accrus de dioxyde de carbone, éventuellement combinés à l’utilisation d’engrais, ont encouragé une croissance plus rapide des plantes et plus de photosynthèse, compensant en partie la perte. On estime que même si toutes les réserves mondiales de combustibles fossiles étaient brûlées, cela n’aurait qu’un très faible impact direct sur les niveaux d’oxygène.
La déforestation est une autre préoccupation populaire. Bien que la destruction de vastes zones de forêt tropicale ait de nombreux autres effets environnementaux graves, il est peu probable qu’elle réduise de manière significative les niveaux d’oxygène. En plus des arbres et autres plantes vertes, les forêts tropicales abritent toute une gamme de vie oxygénante. Il semble que ces forêts contribuent très peu aux niveaux d’oxygène atmosphérique dans l’ensemble, car elles consomment presque autant d’oxygène qu’elles n’en produisent.
Une menace plus sérieuse pourrait être l’impact des activités humaines sur le phytoplancton, qui, selon certaines sources, contribue le plus aux niveaux mondiaux d’oxygène. On craint que l’augmentation du dioxyde de carbone dans l’atmosphère provenant de la combustion de combustibles fossiles ne rende les océans plus chauds et plus acides, ce qui pourrait réduire la quantité de phytoplancton. En 2012, les preuves ne sont pas claires, car différents types de phytoplancton sont affectés différemment. Certains peuvent diminuer en nombre, tandis que d’autres peuvent croître et photosynthétiser plus rapidement.