Déplacements cycliques subis de façon massive par certains éléments (carbone, oxygène, azote, soufre, phosphore, etc.) ou par certains composés (eau), à travers les organismes vivants et le monde minéral.

L’existence des êtres vivants à la surface de la terre modifie considérablement le milieu dans lequel ils vivent. Ils prélèvent leurs aliments et l’oxygène dans la réserve naturelle, qui s’appauvrit, et ils y rejettent des déchets. De nombreuses transformations chimiques interviennent, qui font passer les corps simples dans des composés organiques complexes ; puis, par décomposition des déchets, ces corps reviennent à leur état primitif après avoir parcouru un cycle plus ou moins long à l’intérieur des organismes vivants.

Ainsi les atomes de carbone, d’oxygène, d’azote et de phosphore, les molécules d’eau circulent dans la nature et sont repris de nombreuses fois.

Cycle du carbone

L’analyse chimique élémentaire de tous les tissus végétaux montre l’omniprésence du carbone, lié à d’autres corps comme l’hydrogène, l’oxygène, l’azote, le soufre... Le carbone est en effet partie intégrante de toute matière vivante, et c’est autour de lui que s’organisent les constituants chimiques du cytoplasme vivant. Il entre dans la composition des glucides (sucres, amidon, cellulose), des protides (albumine, holo- et hétéroprotéines variées), des lipides (corps gras simples et complexes). Les êtres vivants, ensembles de molécules organiques associées de diverses manières, ont donc un besoin essentiel de carbone.

Les végétaux verts trouvent leur carbone en puisant directement dans les réserves de gaz carbonique de l’atmosphère. Lorsqu’ils sont exposés à la lumière, qui fournit l’énergie nécessaire aux réactions, le phénomène de photosynthèse* permet aux plantes d’utiliser le carbone minéral et de le faire passer à l’état de molécules organiques.

Le siège de la photosynthèse se situe dans les organes verts des végétaux, à l’intérieur des chloroplastes*, au niveau des grana contenus dans ces particules ; les réactions ont lieu entre les diverses lamelles porteuses de pigments. Ces derniers sont capables de capter l’énergie lumineuse nécessaire à la fixation du gaz carbonique et à son association avec de l’oxygène et de l’hydrogène. Les réactions de cette synthèse sont fort complexes et ont été étudiées depuis plus d’un demi-siècle. Actuellement, on pense que l’eau serait scindée en ions H⁺ et OH^–, les ions H étant immédiatement réutilisés et les ions OH^– repris pour former de l’eau et de l’oxygène, effectivement libéré par la plante lors des réactions

Le gaz carbonique est fixé par un accepteur, probablement par le ribulose-diphosphate, à partir duquel seront synthétisés les oses puis les osides. L’accepteur de gaz carbonique se trouve régénéré par Faction d’un réducteur prêt à relancer un nouveau cycle de synthèse.

La cascade des réactions, évoquées très brièvement ici, est résumée dans un schéma expliquant la chaîne des réactions et proposé par Calvin (v. photosynthèse).

L’activité des chloroplastes dépend de plusieurs facteurs.

La présence de gaz carbonique est naturellement indispensable, et le rendement de l’« usine chimique-cellule verte » est d’autant plus grand que le taux de matière première est plus élevé. On peut ainsi augmenter de façon très sensible la production de matière organique en enrichissant l’air en gaz carbonique jusqu’à 5 p. 100 environ (au-delà, le végétal souffre et le phénomène plafonne). En réalité, les végétaux sont toujours très au-dessous de leurs possibilités, l’air atmosphérique ne contenant que 0,03 p. 100 de gaz carbonique.

La lumière est également indispensable ; la nuit, la photosynthèse est arrêtée complètement et elle ne reprend qu’au lever du jour. En lumière artificielle, on a pu constater que certaines radiations seulement sont efficaces : rouge, bleu-indigo tout particulièrement.

La température joue un rôle important, comme dans toutes les réactions biologiques ; au-dessous de zéro, le phénomène est ordinairement stoppé, et, par ailleurs, il s’arrête définitivement vers 50 °C, lorsque le cytoplasme est détruit ; entre ces deux limites, la température optimale se place de 25 °C à 35 °C suivant les espèces.

Quand ces diverses conditions se trouvent réunies, le végétal vert peut fixer le carbone et le transformer en matière vivante. Mais le rendement de cette synthèse est limité par le facteur qui est le plus loin de son optimum. Dans la nature, les conditions idéales ne sont pas souvent réalisées, et, sous nos climats, les plantes vivent en se servant de très faibles quantités de gaz carbonique, sous une température souvent éloignée de l’optimum (au printemps surtout). Un nombre important d’espèces (plantes de sous-bois) n’utilisent qu’une faible partie de l’énergie lumineuse qui parvient dans la station où elles vivent. Cependant, le résultat de ce travail est assez surprenant : 2,5 t à 3 t de carbone sont fixées annuellement par chaque hectare de forêt ; la même surface plantée en prairie n’en retient qu’environ 1 tonne et demie. Mais en mer le phytoplancton réussit à absorber 3,5 t/ha, ce qui s’explique par la profondeur de la mer (les 100 premiers mètres pouvant être pénétrés par certaines radiations lumineuses).