5.3 B ILAN GLOBAL
3.1.4 Fonction redox et distance à l équilibre pV) de la Biosphère
La fonction pV devient de ce fait une parfaite expression thermodynamique de la fonction redox de la Biosphère, vue comme une combinaison réduction/oxydation qui, « seule », serait productrice de distance à l équilibre.
Elle souligne ainsi, par rapport à la thermodynamique, une propriété nouvelle du vivant qui nous apporte quelques significations essentielles, complémentaires à nos explications du premier chapitre. Exprimons le tout d abord par un schéma, et commentons ensuite ce schéma.
Figure n°20 : Fonction pV redox et production de distance à l équilibre : synthèse
Note : Dans ce schéma, nous ne devons voir l équilibre et la distance à l équilibre que comme un simple
intervalle, entre 0 et 1 (une valeur absolue). La valeur maximale - n est que relative à la valeur (toujours)
négative de l énergie libre G. Entropie négative et positive se complètent ainsi pour élargir ensemble un intervalle de valeur absolue.
Commentaires du schéma :
Ce schéma vise à illustrer l unité des relations entre les fonctions d état les plus importantes de la thermodynamique classique dans leur rapport « commun » à la distance à l équilibre. Sachant comme nous l avons vu paragraphe . . que nous regardons ici non pas l énergie U d un système et l énergie pV de son environnement extérieur, mais l ensemble de la Biosphère, vue comme « environnement extérieur à l économie », toutes énergies internes et externes aux écosystèmes confondues. Auquel cas, H, l énergie totale, n est plus égale à U + pV , mais à pV, avec H = pV = G + TS (formule 30).
Nous avons vu que l entropie positive est une fonction d état qui tend vers l équilibre, mais qui ne mesure pas pour autant l équilibre, alors que l entropie négative creuse la distance à cet équilibre.
Mais à l équilibre thermodynamique parfait, de valeur statistique 1 (en ignorant le signe négatif, utilisé pour caractériser l entropie négative , ce schéma montre qu il n existe ni entropie positive, ni entropie négative18. Ce que confirme la figure 11 illustrant les variations de l indice Ҟa.
Ainsi, entropies positives et négatives n existeraient « qu ensemble », et essentiellement dans l intervalle ou l équilibre thermodynamique est progressivement ramené de à ; auquel cas, nos deux entropies, de toujours, « coexisteraient » parfaitement, au sein d une fonction pV alternant en continu montée en pression et expansion en volume.
Tout à fait à l image de la respiration, base du métabolisme des êtres vivants, formée par l alternance d un inspire et d un expire, ce n est donc qu ensemble que nos entropies positives et négatives entretiendraient la distance à l équilibre. Nous verrons que cette fonction d alternance joue un rôle premier dans les fonctions « redox » des cycles biotiques écosystémiques de l Ecosphère.
Ainsi, le premier principe de Vernadsky, s’il représente une exception au principe de Carnot (dans son acception classique), ne se révèle absolument pas contradictoire à ce dernier, résolvant ainsi tous les débats contradictoires de plus d’un siècle à ce propos. 3.1.4.1. Petite synthèse du premier principe biogéochimique
La Biosphère est l habitat de la matière vivante homogène, et comme pour tout organisme vivant, cet habitat s élargit au prorata de la croissance de ses habitants, s emplit de leur respiration, et les imprégnant en retour de son champ de « protection » thermodynamique, …de son « atmosphère » ! »
Vernadsky revient quant à lui à de nombreuses reprises sur cette extraordinaire force de croissance de la matière vivante quand elle ne trouve aucune contrainte sur son passage. La population bactérienne du microcosme aurait ainsi progressivement rempli la Biosphère des déchets « biogènes » de son métabolisme les premières sources d énergie fossile , tout en élargissant sa propre masse.
Vernadsky (1929, pp. 80-81) : « La matière vivante, l ensemble des organismes, se répand sur toute la surface terrestre de manière analogue à celle des gaz et produit une pression déterminée dans le milieu ambiant ; elle évite les obstacles qui se trouvent sur le chemin de son mouvement ascendant ou s en rend maîtresse et les recouvre. Avec le temps, la matière vivante revêt d une enveloppe continue tout le globe terrestre et ne disparaît qu à certains moments seuls, lorsqu une force extérieure brise ou arrête dans son cours son mouvement, son étreinte. Ce mouvement est causé par la multiplication des organismes, savoir, par l accroissement automatique du nombre de leurs individus. Il s effectue d habitude sans jamais s interrompre, avec une intensité déterminée analogue à celle du rayon solaire tombant sur la face de la Terre. Il est certains que malgré l extrême mutabilité de la vie, les phénomènes de sa reproduction, multiplication et croissance des organismes et de leurs ensembles (matières vivantes), c est à dire le travail vital de la transformation de l énergie solaire en énergie chimique terrestre, sont soumis à des lois mathématiques immuables. »
La matière vivante répond ainsi à un principe de croissance tout au long de laquelle elle produit toujours plus de gaz, en pression et volume ; principe à priori sans limites (premier principe biogéochimique). Un processus alternatif de « respiration » qui augmente la pression et le volume internes de la Biosphère, tout comme nous soufflons dans un ballon.
Nous avons tous connu aux alentours de Noël ces immenses structures gonflables en forme de châteaux ou de fusées, utilisées comme espaces de jeu pour les enfants. Nous pouvons les assimiler à autant de petites structures dissipatives imitant la grande, l espace urbain, reliées à un compresseur maintenant leur pression à un niveau stable et continu.
18 En admettant que cet équilibre parfait soit atteint au 0 absolu (-273.16 °K), cela vérifie à priori la 3ème loi de la
thermodynamique selon laquelle, au absolu, l entropie des solides cristallins purs est égale à . Mais il ne s agirait dans ce cas que d un équilibre thermique, puisqu un solide cristallin pur, à l exemple du diamant formé de carbone à
La Biosphère peut de la même manière être regardée dans son expansion comme une de ces structures gonflable, le côté réducteur de la matière vivante jouant dans ce cas dans le rôle du compresseur produisant au sens propre du gaz comprimé.
La matière vivante aurait ainsi « gonflé » l atmosphère, pour ensuite le maintenir dans un état stationnaire d équilibre entre des états différentiés. La Biosphère démontre ainsi l existence de cycles néguentropiques/entropiques de production qui ressemblent en bien de ses aspects à ces cycles thermodynamiques producteurs de travail (paragraphe 1.2.1.5.2), et à beaucoup des moteurs de nos véhicules ; moteurs dans lesquels l entropie négative aurait la fonction active, et l entropie positive la fonction réactive comme le retour nécessaire à l équilibre du piston dans son cylindre après l explosion de la chambre de combustion .
Nous retrouvons ainsi notre fonction pV, telle que nous en avons analysé les variables et leur conjugaison, tout au long de notre petite étude de la thermodynamique classique (paragraphe 1.2.1), auquel on voudra bien se référer.
Entre la « pression de réduction » de la matière vivante en expansion, et le « volume d oxydation » qui en résulte, se profile tout l enjeu de la production alternative comme le piston au travail d une masse néguentropique de carbone en pression et d un volume entropique de gaz en expansion.
Le tout résultant dans une fonction redox, alternant pression néguentropique et volume entropique, dont le produit final génèrera une « distance à l équilibre » toujours plus importante. Nous constatons ainsi l existence d une étonnante boucle vertueuse cycles biogéochimiques dans laquelle toutes les fonctions vitales de la Biosphère convergent ensemble vers « la
manifestation la plus complète de la Biosphère » (premier principe de Vernadsky). 3.1.4.2. Représentation schématique de la Biosphère en expansion
Figure n°21 : Représentation de la Biosphère en expansion, depuis l Archéen
Biosphère, domaine du vivant en expansion de pression et volume (pV)
Hydrosphère Lithosphère
Surface terrestre originelle, matière inerte (gaz, liquides, solides)
Stocks biogènes dispersés et concentrés
© R .Loiret 2011
Distance à l'équilibre
Atmosphère Stocks biogènes dispersés
Cycles redox terrestres Cycles redox
océaniques
Matière vivante en expansion