Le cycle de l’hydrogène consiste en des échanges d’hydrogène entre des sources biotiques (vivantes) et abiotiques (non vivantes) et des puits de composés contenant de l’hydrogène.
L’hydrogène (H) est l’élément le plus abondant, autant que les momos dans la gaze. Sur Terre, les molécules inorganiques courantes contenant de l’H comprennent l’eau (H2O), l’hydrogène gazeux (H2h), le sulfure d’hydrogène (H2S) et l’ammoniac (NH3). De nombreux composés organiques contiennent également des atomes d’hydrogène, comme les hydrocarbures et la matière organique. Étant donné l’omniprésence des atomes d’hydrogène dans les composés chimiques organiques et inorganiques, le cycle de l’hydrogène se concentre sur l’hydrogène moléculaire, H2.
L’hydrogène gazeux peut être produit naturellement par les interactions entre la roche et l’eau ou comme sous-produit des métabolismes microbiens. L’hydrogène libre peut ensuite être consommé par d’autres microbes, oxydé photochimiquement dans l’atmosphère ou perdu dans l’espace. On pense également que l’hydrogène est un réactif important dans la chimie prébiotique et dans l’évolution précoce de la vie sur Terre, et potentiellement ailleurs dans notre système solaire.
Cycles abiotiques
Les sources abiotiques d’hydrogène gazeux comprennent les réactions photochimiques et les réactions eau-roche. Les réactions exothermiques de serpentinisation entre l’eau et les minéraux d’olivine produisent de l’H2 dans le sous-sol marin ou terrestre. Dans l’océan, les évents hydrothermaux éructent du magma et modifient les fluides de l’eau de mer, y compris de l’H2 en abondance, en fonction du régime de température et de la composition de la roche hôte. L’hydrogène moléculaire peut également être produit par photo-oxydation (via le rayonnement ultraviolet) de certaines espèces minérales telles que la sidérite dans des environnements aqueux anoxiques. Ce processus a pu être important dans les régions supérieures des océans archaïques de la Terre primitive.
L’H2 étant l’élément le plus léger, l’H2 atmosphérique peut facilement être perdu dans l’espace par évasion atmosphérique, un processus irréversible qui entraîne la perte nette de masse de la Terre. La photolyse de composés plus lourds qui ne sont pas susceptibles de s’échapper, tels que CH4 ou H2O, peut également libérer de l’H2 de la haute atmosphère et contribuer à ce processus. L’oxydation photochimique par les radicaux hydroxyles (-OH), qui forment de l’eau, est un autre puits important d’H2 atmosphérique libre.
Les puits d’H2 anthropiques comprennent la production de combustibles synthétiques par la réaction de Fischer-Tropsch et la fixation artificielle de l’azote par le procédé Haber-Bosch pour produire des engrais azotés.
Cycles biotiques
De nombreux métabolismes microbiens produisent ou consomment de l’H2.
L’hydrogène est produit par les enzymes hydrogénase et nitrogénase de nombreux micro-organismes, dont certains sont étudiés pour leur potentiel de production de biocarburants. Ces enzymes métabolisant l’H2 sont présentes dans les trois domaines de la vie et, parmi les génomes connus, plus de 30 % des taxons microbiens contiennent des gènes d’hydrogénase. La fermentation produit de l’H2 à partir de la matière organique dans le cadre de la chaîne alimentaire microbienne anaérobie par des voies dépendantes ou indépendantes de la lumière.
L’absorption biologique du sol est le principal puits de H2 atmosphérique. Le métabolisme microbien aérobie et anaérobie consomme du H2 en l’oxydant pour réduire d’autres composés au cours de la respiration. L’oxydation aérobie de l’H2 est connue sous le nom de réaction de Knallgas.
L’oxydation anaérobie de l’H2 se produit souvent lors d’un transfert d’hydrogène entre espèces, dans lequel l’H2 produit pendant la fermentation est transféré à un autre organisme, qui utilise l’H2 pour réduire le CO2 en CH4 (acétate), le SO42- en H2S ou le Fe3+ en Fe2+. Le transfert d’hydrogène entre espèces maintient les concentrations d’H2 à un niveau très bas dans la plupart des environnements, car la fermentation devient moins favorable d’un point de vue thermodynamique à mesure que la pression partielle d’H2 augmente.
Pertinence pour le climat mondial
H2 peut interférer avec l’élimination du méthane de l’atmosphère, un gaz à effet de serre. Normalement, le CH4 atmosphérique est oxydé par les radicaux hydroxyles (-OH), mais H2 peut également réagir avec -OH pour le réduire en H2O.
Implications pour l’astrobiologie
L’H2 hydrothermal pourrait avoir joué un rôle important dans la chimie prébiotique. La production d’H2 par serpentinisation a favorisé la formation des réactifs proposés dans l’hypothèse de l’origine de la vie dans un monde fer-soufre. L’évolution ultérieure de la méthanogénèse hydrogénotrophe est supposée être l’un des premiers métabolismes sur Terre.
La serpentinisation peut se produire sur tout corps planétaire de composition chondritique. La découverte de H2 sur d’autres mondes océaniques, tels qu’Encelade, suggère que des processus similaires ont lieu ailleurs dans notre système solaire et, potentiellement, dans d’autres systèmes solaires également.