Biosphère et chimie

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Cet ouvrage présente les phénomènes chimiques qui interviennent dans la biosphère. Il permet de mieux comprendre comment leur perturbation par les pratiques anthropiques peut conduire à des bouleversements de notre environnement. Tous les types de réactions chimiques sont examinés : les réactions ioniques de la lithosphère et celles de l’hydrosphère, les réactions radicalaires de l’atmosphère, les transformations moléculaires qui dominent dans les organismes vivants.
Pour faciliter la lecture par des non-chimistes, de nombreuses figures, formules et équations sont données, surtout à titre d’illustrations. En outre, des annexes et un glossaire permettent d’éliminer en grande partie l’obstacle des notations, termes et expressions en usage en chimie.
Le lecteur pourra acquérir une vision globale de l’importance de la chimie dans la biosphère et des conséquences graves que peut entraîner l’activité humaine.
Publié le : mercredi 3 décembre 2014
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Licence : Tous droits réservés
EAN13 : 9782759816989
Nombre de pages : 304
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CO L L E C T I O NGR E N O B L ESC I E N C E S DIRIGÉE PAR JEAN BORNAREL
BIOSPHÈRE ET CHIMIE
UN LABORATOIRE NATUREL
Robert LUFT
Biosphère et chimie Un laboratoire naturel
Grenoble Sciences Grenoble Sciences est un centre de conseil, expertise et labellisation de l’enseigne-ment supérieur français. Il expertise les projets scientiïques des auteurs dans une démarche à plusieurs niveaux (référés anonymes, comité de lecture interactif) qui permet la labellisation des meilleurs projets après leur optimisation. Les ouvrages labellisés dans une collection de Grenoble Sciences ou portant la mention « Sélec-tionné par Grenoble Sciences » (Selected by Grenoble Sciences) correspondent à : des projets clairement déïnis sans contrainte de mode ou de programme, des qualités scientiïques et pédagogiques certiïées par le mode de sélection (les membres du comité de lecture interactif sont cités au début de l’ouvrage), eScnoblGreedese.eicnnequaliulasitaoiétdeérpaelerasnrésuhcetuqinnecert Directeur scientiIque de Grenoble Sciences JeanBornarel, Professeur émérite à l’Université Joseph Fourier, Grenoble 1 Pour mieux connaître Grenoble Sciences : https://grenoble-sciences.ujf-grenoble.fr Pour contacter Grenoble Sciences : Tél : (33) 4 76 51 46 95, e-mail :grenoble.sciences@ujf-grenoble.fr Livres et pap-ebooks Grenoble Sciences labellise des livres papier (en langue française et en langue anglaise) mais également des ouvrages utilisant d’autres supports. Dans ce contexte, situons le concept de pap-ebook. Celui-ci se compose de deux éléments : – unlivre papierqui demeure l’objet central avec toutes les qualités que l’on connaît au livre papier, – unsiteweb compagnonqui propose : des éléments permettant de combler les lacunes du lecteur qui ne posséderait pas les prérequis nécessaires à une utilisation optimale de l’ouvrage, › des exercices pour s’entraîner, › des compléments pour approfondir un thème, trouver des liens sur internet, etc. Le livre du pap-ebook est autosufïsant et certains lecteurs n’utiliseront pas le site web compagnon. D’autres l’utiliseront et ce, chacun à sa manière. Un livre qui fait partie d’un pap-ebook porte en première de couverture un logo caractéristique et le lecteur trouvera la liste de nos sites compagnons à l’adresse internet suivante : https://grenoble-sciences.ujf-grenoble.fr/pap-ebooks Grenoble Sciences bénéïcie du soutien duministère de l’Enseignement supérieur et de la Rechercheet de larégion Rhône-Alpes. Grenoble Sciences est rattaché à l’Université Joseph Fourierde Grenoble. ISBN 978 2 7598 1267 7 © EDP Sciences 2014
Biosphère et chimieUn laboratoire naturel
RobertLuft
17, avenue du Hoggar Parc d’Activité de Courtabœuf - BP 112 91944 Les Ulis Cedex A - France
Biosphère et chimie - Un laboratoire naturel Cet ouvrage, labellisé par Grenoble Sciences, est un des titres du secteur Sciences de la Vie de la collection Grenoble Sciences d’EDP Sciences, qui regroupe des projets origi-naux et de qualité. Cette collection est dirigée par JeanBornarel, Professeur émérite à l’Université Joseph Fourier, Grenoble 1. Comité de lecture de l’ouvrage : diDierastruc, Professeur à l’Université Bordeaux 1, membre senior de l’Institut Universitaire de France RutgerdeWit, Directeur de Recherche CNRS, Montpellier GuyHervé, Directeur de Recherche émérite CNRS, Paris Claudelance, Professeur honoraire, Université Pierre et Marie Curie, Paris ihreyrTlissolo, Maître de Conférences, directeur du département des Sciences de la Vie, Université de Savoie Paulettevignais, Directeur de Recherche honoraire CNRS, Grenoble Cet ouvrage a été suivi par Stéphanietrinela partie éditoriale et par pour SylvieBordage& Anne-LaurePassavantdu centre technique de Grenoble Sciences pour sa réalisation pratique, avec le concours de Patrickdessenne pour les ïgures. L’illustration de couverture est l’œuvre d’Alicegiraud. Autres ouvrages labellisés sur des thèmes proches (chez le même éditeur) : Bactéries et environnement (J. Pelmont) • Respiration et photosynthèse (C. Lance) • Hydro-thermalisme (M. Chenevoy & M. Piboule) • Abrégé de biochimie appliquée (A. Marouf & G. Tremblin) • Biodégradations et métabolismes (J. Pelmont) • Glossaire de biochimie environnementale (J. Pelmont) • Mémento technique, à l’usage des biologistes et des biochi-mistes (A. Marouf & G. Tremblin) • Chimie, le minimum à savoir (J. Le Coarer) • De l’atome à la réaction chimique (R. Barletet al.) • Chimie organométallique et catalyse (D. Astruc) • Électrochimie, concepts fondamentaux illustrés (C. Lefrou, P. Fabry & J.-C. Poignet) • Élec-trochimie des solides. Exercices corrigés avec rappel de cours (A. Hammou & S. Georges) • Électrochimie des solides (C. Déporteset al.) • Thermodynamique chimique (M. Ali Oturan & M. Robert) • Radiopharmaceutiques (sous la direction de Michel Comet & Michel Vidal) • Méthodes et techniques de la chimie organique (D. Astruc, en collaboration avec l’Insti-tut Universitaire de France) • Chemogénomique (sous la direction de E. Maréchal, S. Roy& L. Lafanechère) • Bioénergétique (B. Guerin) •Énergie et environnement, les risques et les enjeux d’une crise annoncée (B. Durand) • L’énergie de demain (Groupe Energie de la Société Française de Physique, sous la direction de J.-L. Bobin, E. Huffer & H. Nifenecker) • Science expérimentale et connaissance du vivant (P. Vignais) • Histoire de la science des protéines (J. Yon-Kahn) • La biologie des origines à nos jours (P. Vignais) • Cinétique enzymatique(A. Cornish-Bowden, M. Jamin & V. Saks) • Enzymes (J. Pelmont) • Enzymologie moléculaire et cellulaire, tomes 1 et 2 (J. Yon-Kahn & G. Hervé) • Éléments de biologie à l’usage d’autres disciplines (P. Tracqui & J. Demongeot) • Physique et biologie (B. Jacrot) • L’air et l’eau. Alizés, cyclones, Gulf Stream, tsunamis et tant d’autres curiosités naturelles (R. Moreau) • Sous les feux du Soleil, vers une météorologie de l’espace (J. Lilensten & J. Bornarel) • La spectrosco-pie de résonance paramagnétique électronique, tomes 1 et 2 (sous la direction de P. Bertrand) et d’autres titres sur le site internet :https://grenoble-sciences.ujf-grenoble.fr
Remerciements
Ma gratitude va tout d’abord à Jameslequeux, astrophysicien (Observatoire de Paris), dont les avis pour la description de « La genèse des espèces atomiques » et les connaissances dans le domaine éditorial m’ont été précieux.
L’aide amicale et désintéressée apportée à mon projet, ainsi que les suggestions pour la présentation de l’ouvrage, que j’ai reçues de mes amis Francine et Mau-ricecHastrette(Université Claude Bernard), GüntherscHütz(Euratom - Ispra) etDieterBürkle(ELF), sortis de leurs retraites pour une lecture approfondie du texte initial a été un grand soutien pour l’entreprise dans laquelle je m’étais engagé. Je n’oublierai pas non plus de remercier mon collègue YvescHevalier(UNSA) pour ses conseils dans le domaine des Sciences de la Terre.
Aux consultants scientiïques chargés par Grenoble Sciences de l’expertise de mon projet je tiens à dire combien, grâce à leurs rapports, leurs conseils judicieux, ainsi que leurs relevés précis de passages critiquables, j’ai pu amender la première ébauche du texte.
Il m’est particulièrement agréable de remercier Grenoble Sciences et son Directeur, le Professeur JeanBornarel, pour l’accueil réservé à mon projet. Je tiens à dire à Madame Stéphanietrine, responsable éditoriale, combien j’ai apprécié sa disponi-bilité, son ouverture à mes sollicitations, tout comme son action méticuleuse pour éliminer les défauts de mon manuscrit grâce à laquelle Mesdames SylvieBordageet Anne-LaurePassavantont pu accomplir une belle réalisation matérielle. Les encouragements, la patience et le soutien de mon épouse dont j’ai bénéïcié au cours de la création du manuscrit m’ont permis, pour une part importante, de le mener à bien. Que tous veuillent trouver ici l’expression de mes remerciements sincères et profonds.
Nice, été 2014
Avant-propos
e La seconde moitié duxx siècle a été marquée par de profondes mutations. En France, elles ont provoqué le passage de collectivités en grande partie rurales, forte-ment imprégnées de leurs traditions de solidarité, vers la société de consommation et de loisirs, hautement urbanisée et individualiste. L’abondance et la diversité des biens matériels que les avancées technologiques ont rendus disponibles sont le fruit des percées réalisées dans un certain nombre de domaines des sciences. Mais cette abondance, outre qu’elle ne proïte qu’à une petite minorité de l’humanité, va de pair avec une multiplication des nuisances qui affectent notre quotidien.
Aussi, en ce début de nouveau millénaire, l’inquiétude de l’humanité va croissante quant à l’évolution de sa biosphère. Le régime climatique semble évoluer sous l’effet du réchauffement planétaire, entraînant entre autres une nette réduction de l’emprise des glaciers, des périodes de vents violents et de cyclones à travers tous les conti-nents, un accroissement de la pluviosité dans certaines régions et sa diminution dans d’autres, avec son corollaire d’inondations et de submersions des côtes par ci, d’ari-dité et de progression du désert par là. D’autre part, la croissance de la population mondiale renforce le pillage des ressources naturelles et multiplie les pollutions ; l’agriculture intensive épuise les terres agricoles qui simultanément rétrécissent et se mitent sous l’effet de l’étalement urbain, parallèle au dépeuplement des communes rurales. La densiïcation de la population des villes et la promiscuité qui en résulte inévitablement sont créatrices de problèmes de circulation, de risques accrus d’épi-démies, de stress, d’angoisses, d’agressivité, voire de criminalité, etc.
L’interaction entre l’homme et la biosphère peut-elle devenir aussi vertueuse que certains aimeraient le voir, ou bien est-elle encore plus pernicieuse que ce que laissent craindre certaines activités dictées par l’appât du gain ? Notre mode de vie doit-il vraiment être révisé à fond sous peine de création de situations catastro-phiques ? Pour pouvoir trouver des réponses à ces questions fondamentales, il est indispensable d’identiïer et de comprendre les facteurs qui conditionnent l’évolution de la biosphère et leurs mécanismes sous-jacents, pour pouvoir assurer la survie de l’humanité sur notre planète.
Parmi ces facteurs les phénomènes chimiques ont un rôle capital, car la chimie est par excellence le moteur des transformations profondes de la composition et de la structure intime de toute espèce matérielle, dans le respect de l’intégrité des noyaux des atomes. Fort heureusement, depuis plusieurs décennies, de grands progrès ont
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Biosphère et chimie
été réalisés dans la connaissance des transformations chimiques au niveau de l’Uni-vers, de leur manifestation à celui de la planète Terre, ainsi que de leur puissance et de leur immuabilité.
Par ses multiples aspects, la chimie gouverne non seulement une grande partie des activités industrielles, mais elle est surtout le moteur d’un grand nombre de pro-cessus indépendants des activités anthropiques. Sans que la plupart des humains en aient conscience, des transformations chimiques en grand nombre se déroulent autour de nous à chaque instant, tant dans l’atmosphère, le sol et les océans, que dans les organismes vivants ; leurs conséquences sur l’évolution de la biosphère peuvent devenir capitales. La perturbation des états stationnaires de ces processus chimiques par les activités anthropiques et ses conséquences sur le bien-être humain font l’objet d’études de plus en plus approfondies.
Toutes ces constatations ne doivent pas faire oublier que la chimie est aussi une belle aventure intellectuelle. N’est-ce pas une prouesse remarquable que d’avoir su décor-tiquer des structures aussi complexes que celles du cholestérol, de la chlorophylle, de l’acide désoxyribonucléique (ADN), etc., d’avoir ensuite su en inventer les voies de synthèse et réaliser ainsi des copies conformes de ces molécules, assemblées selon des schémas strictement déïnis, alors qu’on n’a jamais pu voir ou toucher aucun des atomes qui les constituent ?
Malheureusement, en ce début de millénaire, l’ampleur et la rapidité de l’évolution des savoirs dans les différents secteurs des sciences et des techniques fait souvent croire au public que la connaissance scientiïque constitue, plutôt que le fruit d’ob-servations planiïées, d’expérimentations rigoureuses et de lois issues de raisonne-ments logiques, un domaine hermétique, hors de sa portée, une sorte de religion et une vérité révélée. Pourtant, quoi de plus rationnel, dans les sciences expérimen-tales, que la programmation d’une série d’expériences et/ou d’observations, puis l’établissement d’un modèle mathématique, une sorte de règle du jeu du phénomène étudié, prenant en compte l’ensemble des résultats acquis et établissant les limites de validité du domaine exploré ?
La théorie qui découle de tels modèles restera toujours subordonnée à des obser-vations et mesures ultérieures et, par là même, entachée d’une certaine incer-titude, puis sera invalidée au premier écart entre le modèle et la réalité. Comme l’écrit ClaudeBernard,le grand principe expérimental est donc le doute, le doutephilosophique qui laisse à l’esprit sa liberté et son initiative, et d’où dérivent les qualités les plus précieuses pour un investigateur en physiologie et en médecine. Il ne faut croire à nos observations, à nos théories, que sous bénéîce d’inventaire expérimental.
Avertissement
Ce livre n’est pas un traité de la biosphère, mais un « livre-ressources » mettant en lumière l’intervention de la chimie dans la biosphère depuis la nuit des temps. Il cherche à faire ressentir au lecteur l’existence de systèmes chimiques qui gouvernent le monde depuis sa naissance et dont la perturbation par les pratiques anthropiques peut conduire à des bouleversements imprévisibles.
À ce titre nous examinerons les grandes catégories de réactions chimiques qui dominent dans chacun des compartiments de la biosphère, à savoir : réactions ioniques différenciées de la lithosphère et de l’hydrosphère – réactions radicalaires de l’atmosphère – transformations moléculaires dans les processus régissant les organismes vivants.
Au-delà des chimistes, des biochimistes et des enseignants de ces matières, ce livre devrait aussi pouvoir retenir l’attention d’un public averti plus large, ouvert aux sciences de la nature et sensible aux problèmes de sa protection.
Les ïgures, les formules structurales et les équations chimiques sont surtout don-nées à titre illustratif, rarement à titre explicatif ou interprétatif. Toutefois, les nota-tions, termes et expressions en usage en chimie pouvant constituer un obstacle pour les lecteurs non-chimistes, nous avons cherché à pallier cette situation au moyen de quelques aides, regroupées dans des annexes à la ïn de l’ouvrage.
La liste des espèces atomiques de notre planète, appelée « Tableau périodique des éléments » constitue l’Annexe A. Nous représentons ce tableau sous deux formes : la première est celle validée en 2003 par l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (IUPAC), la seconde est le fruit des avancées les plus récentes dans ce domaine, elle est basée sur un paradigme nouveau.
Dans l’Annexe B, nous expliquons la notation des isotopes, en usage chez les ato-mistes et les astrophysiciens, que nous avons adoptée dans la partie qui traite de la formation des espèces atomiques dans l’Univers. Cette notation diffère de celle en usage chez les chimistes que nous appliquons dans les autre chapitres.
Nous transcrivons les noms des substances chimiques selon les recommandations de Nomenclature établies par l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (IUPAC). Pour le non-chimiste cela constitue un obstacle potentiel ; néanmoins, il n’est pas possible de désigner les corps purs, simples ou composés, autrement que
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