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Combien de temps pour respirer (l'équivalent de) toute l'atmosphère ?

Combien de temps pour respirer (l'équivalent de) toute l'atmosphère ?


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J'ai fait quelques calculs approximatifs du temps que cela pourrait prendre à l'humanité : environ 80 000 ans (cela prend la population de la Terre à 7,5 milliards, 11 000 litres de respiration par jour, le poids de 1 litre d'air au niveau de la mer à 1,225 gramme, et le total poids de l'atmosphère à 5140 billions de tonnes)

S'il vous plaît laissez-moi savoir si mes calculs sont massivement hors!

Ma question pour vous est certes beaucoup plus compliquée à répondre - combien de temps faudrait-il à toutes les espèces animales combinées pour respirer la somme totale équivalente du poids total de l'atmosphère ? et combien de temps cela prendrait-il toute la vie combinée (incluant également le poids de l'air de la respiration dans les plantes, les champignons, les algues, etc.) ?


Le volume n'est probablement pas la meilleure façon de penser à la respiration pour la majeure partie de la vie sur Terre, car il ne s'applique vraiment qu'aux animaux dotés de poumons (une petite proportion de la biomasse terrestre). Au lieu de cela, il serait plus logique de penser aux taux de respiration en termes de demandes en oxygène. Dans cet esprit, un humain moyen a besoin d'environ 0,85 kg d'oxygène par jour (selon la NASA). Ainsi, les besoins annuels en oxygène de la population humaine seraient trouvés en multipliant 0,85 kg/personne/jour par 365,25 jours/an et 7,5 milliards de personnes pour obtenir ~2,3e+12 kg d'oxygène par an.

Pour une estimation grossière du temps qu'il faudrait pour utiliser l'oxygène de notre atmosphère à ce rythme, nous pourrions simplement diviser la capacité totale d'oxygène dans l'atmosphère (~ 1,4e + 18 kg) par la demande annuelle en oxygène de la population humaine actuelle. (2,3e+12 kg), pour obtenir une estimation approximative de 600 000 ans pour que la population actuelle de la Terre utilise tout l'oxygène atmosphérique actuel de la Terre (notez que les deux calculs nécessitent des hypothèses assez douteuses, mais le problème semble déjà commencer de cette façon si je lis bien).

Pour une estimation encore plus grossière de toute la vie sur terre, nous pouvons à nouveau prendre la capacité d'oxygène atmosphérique (~1.4e+18 kg) et diviser par le flux annuel d'oxygène de l'atmosphère à la biosphère (~3.0e+14 kg) pour se déplacer ~ 4700 ans. (notez que cela ne suppose aucun flux de la biosphère vers l'atmosphère, et suppose également que le flux lithosphérique est négligeable.)

Si vous voulez aller plus loin et calculer combien de temps il faudrait aux seuls animaux pour utiliser une atmosphère d'oxygène, vous pouvez commencer par regarder comment la biomasse de la Terre est distribuée et faire quelques hypothèses supplémentaires sur la demande en oxygène d'autres animaux par rapport aux humains en suivant cette même idée que j'ai utilisée ci-dessus.

Les estimations de capacité et de flux sont venues (via wikipedia) de (Walker JC (1980) "Le cycle de l'oxygène". Le milieu naturel et les cycles biogéochimiques), mais il existe probablement des estimations plus à jour disponibles quelque part. L'idée générale serait la même.


Découverte de l'origine de l'atmosphère «respirante» il y a un demi-milliard d'années

Les géologues de l'Ohio State University et leurs collègues ont découvert des preuves du moment où la Terre aurait pu supporter pour la première fois une atmosphère riche en oxygène semblable à celle que nous respirons aujourd'hui.

L'étude suggère que les bouleversements de la croûte terrestre ont déclenché une sorte d'effet de serre inversé il y a 500 millions d'années qui a refroidi les océans du monde, engendré des proliférations de plancton géant et envoyé une explosion d'oxygène dans l'atmosphère.

Cet oxygène a peut-être contribué à déclencher l'une des plus grandes croissances de la biodiversité de l'histoire de la Terre.

Matthew Saltzman, professeur agrégé de sciences de la terre à l'État de l'Ohio, a rapporté les résultats le 28 octobre lors de la réunion de la Geological Society of America à Denver.

Pendant une décennie, lui et son équipe ont rassemblé des preuves du changement climatique qui s'est produit il y a 500 millions d'années, à la fin de la période cambrienne. Ils ont mesuré les quantités de différents produits chimiques dans des carottes de roche prélevées dans le monde entier, pour reconstituer une chaîne complexe d'événements de la période.

Leurs dernières mesures, prises dans des carottes du centre des États-Unis et de l'outback australien, ont révélé de nouvelles preuves d'un événement géologique appelé l'excursion d'isotopes de carbone positifs de Steptoean (SPICE).

Les quantités de carbone et de soufre dans les roches suggèrent que l'événement a considérablement refroidi le climat de la Terre sur deux millions d'années – un temps très court selon les normes géologiques. Avant l'événement, la Terre était une serre, avec jusqu'à 20 fois plus de dioxyde de carbone dans l'atmosphère qu'aujourd'hui. Par la suite, la planète s'était refroidie et le dioxyde de carbone avait été remplacé par de l'oxygène. Le climat et la composition atmosphérique auraient été similaires à ceux d'aujourd'hui.

« Si nous pouvions remonter le temps et nous promener à la fin du Cambrien, cela semble être la première fois que nous nous serions sentis chez nous », a déclaré Saltzman. &ldquoBien sûr, il n'y avait pas de vie sur terre à l'époque, donc ça n'aurait pas été si confortable.&rdquo

La terre était dépourvue de plantes et d'animaux, mais il y avait de la vie dans l'océan, principalement sous forme de plancton, d'éponges de mer et de trilobites. La plupart des premiers ancêtres des plantes et des animaux que nous connaissons aujourd'hui existaient au Cambrien, mais la vie n'était pas très diversifiée.

Puis, au cours de la période ordovicienne, qui a commencé il y a environ 490 millions d'années, de nombreuses nouvelles espèces ont vu le jour. Les premiers récifs coralliens se sont formés à cette époque et les premiers vrais poissons ont nagé parmi eux. De nouvelles plantes ont évolué et ont commencé à coloniser la terre.

« Si vous imaginez le « l’arbre de la vie » évolutif, la plupart des branches principales existaient pendant le Cambrien, mais la plupart des branches plus petites n’ont été remplies qu’à l’Ordovicien », a déclaré Saltzman. &ldquoC'est à ce moment-là que la vie animale a vraiment commencé à se développer au niveau de la famille et du genre.&rdquo Les chercheurs appellent cette diversification le &ldquorayonnement ordovicien.&rdquo

La composition de l'atmosphère a changé plusieurs fois depuis, mais le rythme du changement au cours du Cambrien est remarquable. C'est pourquoi Saltzman et ses collègues appellent cet afflux soudain d'oxygène lors de l'événement SPICE un &ldquopulse&rdquo ou &ldquoburst.&rdquo

"Après cette impulsion d'oxygène, le monde est resté dans un climat essentiellement stable et chaud, jusqu'à la fin de l'Ordovicien", a déclaré Saltzman.

Il s'est arrêté avant de dire que l'atmosphère riche en oxygène a causé le rayonnement ordovicien.

&ldquoNous savons que de l'oxygène a été libéré lors de l'événement SPICE, et nous savons qu'il a persisté dans l'atmosphère pendant des millions d'années - à l'époque du rayonnement ordovicien - donc les délais semblent correspondre. Mais dire que l'événement SPICE a déclenché la diversification est délicat, car il est difficile de dire exactement quand la diversification a commencé », a-t-il déclaré.

&ldquoNous aurions besoin de travailler avec des paléobiologistes qui comprennent comment l'augmentation des niveaux d'oxygène a pu conduire à une diversification. Lier les deux événements précisément dans le temps sera toujours difficile, mais si nous pouvions les lier conceptuellement, alors cela deviendrait une histoire plus convaincante.

Les chercheurs ont essayé de comprendre le changement climatique soudain au cours de la période cambrienne depuis que Saltzman a trouvé la première preuve de l'événement SPICE dans la roche dans l'ouest américain en 1998. Plus tard, la roche d'un site en Europe a renforcé son hypothèse, mais ces dernières découvertes dans le centre de l'Iowa et du Queensland, en Australie, prouvent que l'événement SPICE s'est produit dans le monde entier.

Au cours de la période cambrienne, la plupart des continents tels que nous les connaissons aujourd'hui étaient soit sous l'eau, soit faisaient partie du supercontinent Gondwana, a expliqué Saltzman. L'activité tectonique poussait de nouvelles roches à la surface, où elles étaient immédiatement rongées par les pluies acides. Une telle altération chimique tire le dioxyde de carbone de l'air, emprisonne le carbone dans les sédiments et libère de l'oxygène - une sorte d'effet de serre à l'envers.

&ldquoD'après nos travaux précédents, nous savions que du carbone était capturé et que de l'oxygène était libéré lors de l'événement SPICE, mais nous ne savions pas avec certitude que l'oxygène restait dans l'atmosphère", a déclaré Saltzman.

Ils ont comparé les mesures de carbone inorganique - capturé lors de l'altération - avec le carbone organique - produit par le plancton lors de la photosynthèse. Et parce que le plancton contient différents rapports d'isotopes de carbone en fonction de la quantité d'oxygène dans l'air, les géologues ont pu vérifier leurs estimations de la quantité d'oxygène libérée au cours de la période et combien de temps il est resté dans l'atmosphère.

Ils ont également étudié les isotopes du soufre, afin de déterminer si une grande partie de l'oxygène produit était à nouveau captée par les sédiments.

Saltzman a expliqué la chaîne d'événements de cette façon : L'activité tectonique a conduit à une altération accrue, qui a extrait le dioxyde de carbone de l'air et refroidi le climat. Ensuite, alors que les océans se refroidissaient à des températures plus hospitalières, le plancton prospérait et créait à son tour plus d'oxygène grâce à la photosynthèse.

"C'était un double coup dur", a-t-il déclaré. &ldquoIl n'y a vraiment aucun moyen de contourner cela lorsque nous combinons les données sur les isotopes du carbone et du soufre - les niveaux d'oxygène ont considérablement augmenté pendant cette période.&rdquo

Que peut nous apprendre cet événement sur le changement climatique aujourd'hui ? "Les niveaux d'oxygène sont stables depuis 50 millions d'années, mais ils ont fluctué au cours des 500 derniers millions", a déclaré Saltzman. &ldquoNous avons montré que l'explosion d'oxygène à la fin du Cambrien s'est produite sur seulement deux millions d'années, ce qui est une indication de la sensibilité du cycle du carbone et de la vitesse à laquelle les choses peuvent changer.&rdquo

Le refroidissement global a peut-être stimulé la vie au début de la période ordovicienne, mais il y a environ 450 millions d'années, une activité tectonique plus importante - très probablement, la montée des Appalaches - a provoqué une ère glaciaire mortelle. Ainsi, alors que la plupart des espèces végétales et animales du monde sont nées pendant la période ordovicienne, à la fin de celle-ci, plus de la moitié d'entre elles avaient disparu.

Les coauteurs de cette étude comprenaient Seth Young, étudiant diplômé en sciences de la terre à l'Ohio State Ben Gill, étudiant diplômé, et Tim Lyons, professeur de sciences de la terre, tous deux à l'Université de Californie, Riverside Lee Kump, professeur de géosciences à Penn State University et Bruce Runnegar, professeur de paléontologie à l'Université de Californie à Los Angeles.

Source de l'histoire :

Matériel fourni par Université d'État de l'Ohio. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.


Combien de temps pour respirer (l'équivalent de) toute l'atmosphère ? - La biologie

L'atmosphère terrestre contient l'air que nous respirons, les conditions météorologiques que nous connaissons et constitue notre bouclier naturel contre les conditions difficiles de l'espace.

L'atmosphère terrestre est notre bouclier naturel contre les conditions difficiles de l'espace, y compris tout, des météores aux chutes de satellites en passant par les rayons ultraviolets mortels du soleil. Il contient également l'air que nous respirons, le temps que nous subissons et aide à réguler les températures planétaires.

L'atmosphère est constituée de couches de gaz, appelées "air", qui entourent la planète et sont retenues par la gravité terrestre.

« Air » est le nom commun donné à la combinaison de gaz utilisés par les organismes pour la respiration et la photosynthèse. En volume, l'air sec contient 78,09 % d'azote, 20,95 % d'oxygène, 0,93 % d'argon, 0,039% de dioxyde de carbone et de plus petites quantités de divers autres gaz ainsi que des quantités variables de vapeur d'eau. Cependant, la composition de l'air et la pression atmosphérique ne sont pas uniformes dans toute l'atmosphère et varient à différentes altitudes, donnant à l'atmosphère 5 couches principales distinctes.

Les couches de l'atmosphère :

La troposphère :
Commençant à la surface de la Terre, la troposphère s'étend jusqu'à environ sept milles de hauteur. C'est la couche dans laquelle nous vivons et contient la majeure partie de ce que nous considérons comme « l'atmosphère », y compris l'air que nous respirons et presque tout le temps et les nuages ​​que nous voyons. Dans la troposphère, la température de l'air diminue au fur et à mesure que l'on monte.

La stratosphère :
Cette couche existe entre sept et 31 miles au-dessus de la surface de la Terre. Contrairement à la troposphère ci-dessous, la température de l'air augmente en fait avec l'altitude, ce qui rend l'air stratifié. Lorsque cela est possible, les avions à réaction commerciaux volent dans la basse stratosphère pour éviter les turbulences courantes dans la troposphère, dues à la convection.

La mésosphère :
Troisième couche de l'atmosphère terrestre, la mésosphère s'étend d'environ 31 à 50 milles de hauteur (la hauteur à laquelle vous êtes considéré comme un astronaute selon les normes américaines). Considéré comme l'un des endroits les plus froids de la Terre, la température moyenne est d'environ -120°F. Cette couche est l'endroit où la plupart des météores brûlent en entrant dans l'atmosphère terrestre et est la plus haute altitude à laquelle un nuage peut se former.

La thermosphère :
Abritant la ligne Kármán et couvrant une zone de 50 à 440 milles au-dessus de la surface de la Terre, la thermosphère est l'avant-dernière couche de l'atmosphère. La thermosphère est l'endroit où le rayonnement ultraviolet et les rayons X à haute énergie commencent à être absorbés, provoquant des variations de température massives. Fortement dépendantes de l'activité solaire, les températures peuvent aller de -184 °F à 3 630 °F. Cependant, malgré les températures élevées, cette couche de l'atmosphère serait encore très froide pour notre peau en raison de l'atmosphère très mince.
Dans la thermosphère, la courbure de la Terre devient nettement claire et les voyageurs spatiaux commencent à ressentir une "apesanteur". En raison de l'atmosphère fortement ionisée présente dans la thermosphère, elle abrite également le phénomène connu sous le nom d'aurores.

L'Exosphère :
La dernière couche de l'atmosphère terrestre, où elle cède progressivement la place à l'espace, est l'exosphère. Cette couche s'étend d'environ 440 milles au-dessus de la Terre à près de 6 200 milles. L'atmosphère dans l'exosphère est incroyablement mince et ne se comporte plus comme un gaz normal. Les atomes et les molécules sont si éloignés les uns des autres qu'ils peuvent parcourir des centaines de kilomètres sans entrer en collision les uns avec les autres. Cette couche contient une grande partie des satellites en orbite basse.


Facteurs contribuant à une interaction difficile

Pour prévenir et résoudre les interactions difficiles, il faut tenir compte des facteurs qui pourraient contribuer à ces situations. Deux facteurs importants sont le cadre de soins de santé local dans lequel les interactions ont lieu et la variation de la pratique clinique entre les régions et les pays. En particulier, la majorité des établissements de santé sont surchargés de travail et débordés pour répondre à la demande, ce qui affecte continuellement les interactions. Le temps insuffisant pour la consultation ou l'interaction avec les patients joue un rôle important, car les pressions du système de santé augmentent le nombre et les attentes des patients, dans un contexte de réduction des coûts. Avant tout, il est important de garder à l'esprit que les patients et les professionnels de la santé souhaitent une interaction positive pour assurer les meilleurs résultats de santé possibles, car le temps passé en consultation est précieux pour les deux parties. La figure 1 résume plusieurs autres facteurs contributifs importants.

Facteurs contribuant à une interaction difficile.

Le patient

Chaque patient a ses propres antécédents médicaux et psychosociaux qui affecteront naturellement son comportement. Les patients entreront dans votre clinique avec un ensemble de croyances et d'attentes affectées par leur personnalité et la gravité de leurs symptômes, et les implications de cela pour leur qualité de vie. Ils peuvent également avoir eu des expériences négatives et des déceptions antérieures au sein du système de santé qui peuvent être difficiles à surmonter et peuvent générer une certaine méfiance. Ils peuvent avoir l'impression que leur maladie échappe à leur contrôle personnel, ce qui peut les rendre dépendants de l'aide des autres, en particulier de leur professionnel de la santé. De telles circonstances peuvent, naturellement, rendre un patient anxieux, inquiet, désespéré et incertain quant à sa santé, ce qui peut se traduire par une tension et des réactions négatives envers le professionnel de la santé.

Avec les progrès croissants de la recherche médicale, les attentes du système de santé et des praticiens de la santé ont également augmenté. Les patients peuvent avoir des attentes très élevées et faire confiance au système, et lorsqu'il apparaît que leur état est une impasse médicale ou que leur pronostic ne peut être déterminé avec précision en raison de la nature de la maladie, cela peut être très bouleversant. . Les barrières linguistiques, la diversité culturelle et leurs interactions antérieures avec des professionnels ou des figures d'autorité peuvent également contribuer et affecter les interactions, et conduire à des malentendus. De plus, les patients peuvent également avoir d'autres considérations à faire, par exemple, si leur diagnostic peut avoir une incidence sur d'autres engagements (responsabilités professionnelles, de soins, etc.). Les patients travaillent souvent, peuvent s'occuper d'enfants ou de parents, ou ont d'autres engagements qui peuvent être affectés par le diagnostic ou peuvent avoir un impact sur le délai dans lequel ils demandent de l'aide, tout cela leur passera par l'esprit. Être défini par son diagnostic et étiqueté comme 𠇊 patient” n'est pas, et ne devrait pas être, la seule chose dans sa vie.

Le professionnel de la santé

Il existe une grande variabilité dans le développement des compétences de communication appropriées parmi les professionnels de la santé européens et cela a été un défi. Les cours ou la formation aux compétences en communication ne sont pas inclus dans le programme de spécialisation dans tous les pays de l'Union européenne (UE), ni dans les qualifications essentielles pour les candidatures à un poste de spécialiste.

Un manque de formation aux compétences en communication peut entraîner :

choix inapproprié de mots et de phrases, peut-être en raison d'hypothèses faites sur le niveau de littératie en santé du patient ou sa compréhension de la biologie humaine

manque de structure planifiée pour diffuser des nouvelles difficiles (par exemple. informations éparses déroutant les patients ou pas de plan clair du tout)

choix inapproprié de cadre pour annoncer des nouvelles difficiles

manque d'options offertes au patient

ne pas impliquer le patient dans le processus de prise de décision (par exemple. décisions de traitement prises sans les impliquer et sans répondre à leurs besoins et souhaits)

presser le patient d'accepter un plan de traitement proposé

hâter la consultation en raison d'autres pressions ou

ne pas orienter le patient vers les services/ressources de soutien appropriés (par exemple. conseils, soins palliatifs, groupes de soutien et informations fiables de qualité).

Les mauvaises nouvelles peuvent être annoncées d'une manière non empathique, des messages peuvent être donnés aux infirmières au-dessus de la tête du patient lors de l'interruption de la consultation, des mots difficiles peuvent être utilisés que le patient ne comprend pas, et le patient peut se sentir exclu des conversations avec presque aucune préoccupation n'a montré pour leurs sentiments et émotions. Souvent, les données cliniques de routine quotidienne du professionnel de la santé peuvent être totalement inconnues du patient, donnant l'impression que le clinicien est froid et antipathique aux émotions de l'individu alors qu'il essaie de se réconcilier avec le diagnostic et ses implications.

Un temps de clinique trop long peut faire en sorte que les médecins n'aient pas le temps d'écouter réellement les préoccupations du patient. De quoi le patient a-t-il réellement peur ? Qu'est-ce qu'ils veulent savoir? Quelles sont leurs expériences ? Ce sont des questions qui seront négligées par manque de temps. Le temps insuffisant impacte davantage la consultation car il n'y a pas de temps pour le patient de verbaliser, et pour le médecin d'apprécier, la contribution précieuse que le patient apporte en ayant l'expérience vécue de la maladie, surtout s'il s'agit d'une maladie rare.

Dans un cas clinique complexe, les médecins peuvent sembler si préoccupés par la recherche de la solution au problème clinique qu'il est parfois facile d'oublier que le patient peut être submergé par l'anxiété, la frustration et les émotions négatives, et qu'il a besoin d'être rassuré pour se sentir en sécurité, à facilité et confiance dans le médecin.

Le milieu de soins (qu'il s'agisse d'une clinique externe ou de services) est un cadre familier pour les médecins d'avoir des conversations difficiles, alors que pour les patients, cela peut être inconfortable et parfois gênant, surtout s'ils sont sur le point de recevoir leur diagnostic.

De plus, les émotions d'un médecin peuvent l'emporter ou son comportement peut être affecté par un manque de sommeil, la faim, son propre état de santé, un manque de satisfaction au travail ou d'autres préoccupations. Enfin, l'approche et le style de communication du médecin influenceront leurs interactions et pourraient avoir des effets indésirables graves sur le patient (par exemple. si le professionnel de la santé est arrogant ou impatient et pense qu'il n'a pas la responsabilité de discuter de la situation avec le patient ou d'expliquer l'état dans des termes que le patient pourrait comprendre).

Il est important que les médecins reconnaissent que certains patients peuvent être intimidés et percevoir des inégalités dans la relation médecin-patient, qui peuvent être exacerbées par des médecins agissant d'une manière perçue par le patient comme condescendante ou condescendante. Tout cela peut être corrigé avec une formation appropriée et un développement professionnel pertinent.

Le système

Les systèmes de santé dysfonctionnels ne peuvent qu'ajouter à la tension entre les patients et les médecins. Des choses simples comme les longs délais d'attente à la clinique, les annulations consécutives injustifiées ou les retards de rendez-vous ou d'enquêtes précédents essentiellement, tout ce qui a pu mal tourner dans le parcours du patient peut potentiellement conduire à une interaction difficile entre les patients et les médecins. Les médecins sont probablement la première personne avec laquelle les patients passeront du temps après que quelque chose ne va pas et, par conséquent, ils entendront de première main les frustrations immédiates du patient.

Le manque de ressources en termes de niveaux de personnel ou de maintien de l'intimité et de la dignité du patient pendant la consultation est un autre facteur contributif, par exemple, lors d'une consultation, plusieurs médecins ou infirmières peuvent entrer et sortir de la pièce, ce qui détourne l'attention et peut affecter la dignité et l'intimité .

Un manque de systèmes de documentation centralisés peut parfois conduire à demander au patient de répéter indéfiniment les mêmes informations et, par conséquent, de consacrer moins de temps à la gestion effective du cas clinique et à la réponse aux besoins du patient. La répétition constante pour chaque nouveau médecin peut provoquer la frustration du patient, alors qu'il est difficile pour le médecin de savoir ce que le patient comprend déjà.


Il y a un animal qui semble survivre sans oxygène

En 2010, il semblait que les manuels de biologie devaient être réécrits. Au fond de la mer Méditerranée, dans l'un des environnements les plus extrêmes de la planète, une équipe de recherche a trouvé des preuves d'un animal capable de vivre toute sa vie sans oxygène.

Aucune du million d'espèces animales connues ne peut faire cela. L'oxygène, sous une forme ou une autre, est souvent supposé être vital pour la vie animale. Pourtant, l'existence de ces créatures semblait creuser un trou dans cette théorie, avec des implications de grande envergure pour notre compréhension de la vie sur Terre.

Les minuscules animaux méditerranéens appartiennent à un groupe appelé les loricifères et un groupe d'animaux si inhabituel qu'il n'a été découvert que dans les années 1980.

Parce que la boue au fond du bassin de L'Atalante est complètement dépourvue d'oxygène, l'équipe ne s'attendait pas à trouver "des formes de vie plus élevées"

Les Loricifères ont à peu près la taille d'une grande amibe. Ils vivent dans les sédiments boueux au fond des mers. Mais soi-disant, cette boue devrait contenir de l'oxygène pour permettre aux animaux de respirer. La boue du bassin de l'Atalante au fond de la Méditerranée ne le fait pas.

Pendant une décennie, Roberto Danovaro de l'Université polytechnique des Marches, en Italie, et ses collègues ont sillonné les profondeurs du bassin de L'Atalante. Il se trouve à 3,5 km sous la surface, à environ 200 km (124 miles) au large de la côte ouest de la Crète. La partie intérieure du bassin est complètement dépourvue d'oxygène, car d'anciens dépôts de sel enfouis sous le fond marin se sont dissous dans l'océan, rendant l'eau très salée et dense.

L'eau dense ne se mélange pas à l'eau de mer normale riche en oxygène au-dessus et se retrouve piégée dans les vallées du fond marin. L'eau sans oxygène existe depuis plus de 50 000 ans.

Parce que la boue au fond du bassin de L'Atalante est complètement dépourvue d'oxygène, l'équipe ne s'attendait pas à trouver des "formes de vie supérieures" ce qui signifie essentiellement des animaux qui y vivent. Mais en fait, ils ont trouvé trois nouvelles espèces de loricifères, apparemment prospérant dans la boue.

Ce n'est pas seulement des niveaux d'oxygène nuls auxquels les créatures doivent faire face. Les loricifériens sont entourés de sulfures toxiques et vivent dans une eau si salée que les cellules normales se transformeraient en enveloppes desséchées.

Il nous a fallu 10 ans pour confirmer par des expériences que les animaux vivaient réellement sans oxygène

"Quand nous les avons vus pour la première fois, nous ne pouvions pas le croire", explique Danovaro. "Avant cette étude, seuls deux spécimens [loricifères] avaient été trouvés dans la Méditerranée profonde. Il y avait plus d'organismes dans 10 centimètres carrés de bassin anoxique que dans le reste de la mer Méditerranée réunis!"

Mais la plus grande surprise de toutes était le fait que les petits animaux semblaient survivre sans aucun oxygène.

"Nous savions que certains animaux, comme les nématodes parasites des vers plats, peuvent passer une partie de leur vie sans oxygène, vivant dans l'intestin", explique Danovaro. "Cependant, ils ne passent pas tout leur cycle de vie de cette façon. Notre découverte a remis en question toutes les pensées et hypothèses précédentes sur le métabolisme des animaux."

Il dit que cela a rendu leur découverte difficile à croire pour les autres scientifiques. "En effet, nous n'y avons pas cru nous-mêmes au début. Nous avons mis 10 ans pour confirmer par des expériences que les animaux vivaient vraiment sans oxygène."

Ces expériences étaient difficiles à réaliser. Les scientifiques ne pouvaient pas faire remonter les animaux vivants à la surface, car le voyage les tuerait instantanément. Ce qu'ils pouvaient faire était de tester les minuscules animaux pour des signes de vie dans le fond marin.

Ils ont montré que des molécules fluorescentes qui ne sont absorbées que par les cellules vivantes étaient incorporées dans le corps des loricifères. Ils ont également utilisé un colorant qui ne réagit qu'à la présence d'enzymes actives. La tache a réagi avec les loricifériens du bassin, mais pas avec les restes manifestement morts d'autres animaux microscopiques trouvés à l'Atalante.

Plus les échantillons des chercheurs se rapprochaient du bassin d'eau anoxique, moins ils trouvaient de loricifères vivants

De plus, certains loricifériens semblaient avoir des œufs dans leur corps, suggérant qu'ils se reproduisaient. D'autres loricifériens ont été trouvés en train de perdre leur carapace et de muer, une indication supplémentaire qu'ils étaient vivants.

Enfin, les loricifères de l'Atalante étaient complètement intacts et pas du tout décomposés, contrairement à d'autres animaux microscopiques que les chercheurs ont trouvés dans l'environnement salé et dépourvu d'oxygène.

Après ce travail minutieux, Danovaro et ses collègues ont rendu publiques leurs découvertes : les loricifères vivaient, en effet, dans un environnement totalement dépourvu d'oxygène. Leur article de 2010, publié dans la revue BMC Biologie, était une sensation scientifique.

Même ainsi, certains autres chercheurs ne sont pas convaincus. Une deuxième équipe s'est rendue en Méditerranée en 2011 pour examiner par elle-même les loricifères et leur environnement atypique. Leurs découvertes, publiées fin 2015, remettent en cause l'idée que les loricifères vivent réellement sans oxygène.

Joan Bernhard de la Woods Hole Oceanographic Institution dans le Massachusetts a dirigé cette deuxième équipe. Elle et ses collègues ont collecté des échantillons de boue et d'eau juste au-dessus des bassins anoxiques de L'Atalante. En raison de difficultés techniques, les piscines elles-mêmes étaient trop denses pour que leur véhicule télécommandé puisse y pénétrer.

Si les petits animaux étaient vraiment morts et habités par des bactéries, cela aurait été évident

L'équipe a trouvé la même espèce de loricifères découverte par Danovaro. Mais ces loricifères vivaient dans des environnements avec des niveaux d'oxygène normaux, et dans les couches supérieures des sédiments au-dessus des piscines anoxiques, qui avaient de faibles niveaux d'oxygène.

Plus les échantillons des chercheurs se rapprochaient du bassin d'eau anoxique, moins ils trouvaient de loricifères vivants.

Bernhard soutient qu'il est extrêmement improbable que les loricifériens soient adaptés pour vivre à la fois dans des zones totalement dépourvues d'oxygène et riches en sel, et également dans des environnements avec beaucoup d'oxygène et des niveaux normaux de sel.

Au lieu de cela, son équipe fait valoir que des cadavres de loricifères morts auraient pu flotter dans les sédiments boueux du bassin de L'Atalante, où ils étaient habités par des bactéries « arrachant le corps ». De nombreuses espèces de bactéries sont connues pour pouvoir vivre sans oxygène, et elles auraient pu incorporer les biomarqueurs dans le corps des loricifères, trompant potentiellement Danovaro et ses collègues en leur faisant croire que les loricifères étaient vivants.

Cependant, en juin 2016, Danovaro et son équipe sont revenus en combattant ce scénario alternatif. Ils disent que, parce que l'équipe de Bernhard n'a pas collecté d'échantillons de boue dans les zones du bassin qui sont en permanence sans oxygène, ils ne peuvent pas être sûrs que les loricifères n'y vivent pas.

Toutes les formes de vie sur Terre doivent générer de l'énergie si elles veulent manger, se reproduire, grandir et se déplacer

L'équipe de Danovaro souligne également que, si les minuscules animaux étaient vraiment morts et habités par des bactéries, cela aurait été évident lorsque les loricifères ont été examinés au microscope. Mais, en fait, les loricifères ne montraient aucun signe de décomposition et de décomposition par des microbes. De plus, aucune bactérie n'a été observée à l'intérieur des loricifères, et un colorant utilisé pour colorer les tissus vivants a coloré toutes les parties du corps des loricifères, pas seulement les parties où les bactéries coloniseraient probablement un animal mort.

Enfin, ils disent que les couches épaisses d'anciens dépôts de boue soutiennent davantage leur argument.

"Nous avons pu prouver que ces animaux étaient présents dans différentes couches de la boue", explique Danovaro. "Certaines couches ont plusieurs milliers d'années et donc, si ces animaux étaient juste morts et préservés, il est un peu incroyable que les animaux dans une boue vieille de 3 000 ans soient aussi bien entretenus que ceux trouvés à la surface. Le plus probable L'explication est que les animaux peuvent pénétrer dans les sédiments, nager et pousser pour descendre."

Mais pourquoi y a-t-il une telle controverse quant à savoir si les animaux peuvent survivre sans oxygène de toute façon ? Personne ne doute que les bactéries peuvent survivre sans oxygène, par exemple. Pourquoi semble-t-il si improbable que les animaux le puissent ?

Pour répondre à cette question, il faut expliquer pourquoi les animaux comme nous respirent de l'oxygène en premier lieu. Toutes les formes de vie sur Terre doivent générer de l'énergie si elles veulent manger, se reproduire, grandir et se déplacer. Cette énergie se présente sous la forme d'électrons, les mêmes particules chargées négativement qui circulent dans les fils électriques et alimentent votre ordinateur portable.

Sur la Terre primordiale, l'atmosphère était lourde d'un smog de dioxyde de carbone, de méthane et d'ammoniac

Le défi pour toute vie sur Terre est le même, qu'il s'agisse d'un virus, d'une bactérie ou d'un éléphant : il faut trouver à la fois une source d'électrons et un endroit où les déposer pour boucler le circuit.

Les animaux tirent leurs électrons du sucre contenu dans la nourriture qu'ils mangent. Dans une série de réactions chimiques qui se produisent à l'intérieur des cellules animales, ces électrons sont libérés et se lient à l'oxygène. Ce flux d'électrons est ce qui alimente les corps animaux.

Earth's atmosphere and oceans are full of oxygen, and the reactive nature of the element means that it is "eager" to steal electrons. For animals, oxygen is a natural choice for an electron dump.

However, oxygen was not always as plentiful as it is now. On primordial Earth the atmosphere was heavy with a smog of carbon dioxide, methane and ammonia. When the spark of life first ignited, there was little oxygen around. In fact, oxygen levels in the oceans were probably extremely low up until about 600 million years ago &ndash about the same time that animals first appeared.

This means that older, more primitive lifeforms evolved to use other elements as their electron dumps.

Many of these lifeforms &ndash such as bacteria and archaea &ndash are still living happily without oxygen today. They thrive in places on Earth that have little oxygen, for example in mud banks and near geothermal vents. Instead of passing electrons to oxygen, some of these creatures can pass on their electrons to metals like iron, meaning that they effectively conduct electricity. Others can "breathe" sulphur or even hydrogen.

The theory is that the evolution of life exploded when oxygen became available in the atmosphere and ocean

The one thing that unites these oxygen-free lifeforms is their simplicity. They all consist of just one cell. Until the 2010 discovery of the loriciferans, no complex multicellular lifeforms had been found that can live entirely without oxygen. But why is that?

According to Danovaro, this stems from two fundamental points. First, breathing oxygen is far and away a better approach to generating energy. "Complexity and organisation requires oxygen, because this is more efficient for the production of energy," he says.

When oxygen levels rose, hundreds of millions of years ago, it was as if a brake had been taken off evolution's ambitions. A group of lifeforms called the eukaryotes &ndash which includes animals &ndash took advantage, adapting to harness the new substance in their metabolism and becoming far more complex as a consequence.

"The theory is that the evolution of life exploded when oxygen became available in the atmosphere and ocean," says Danovaro.

But this is only part of the story. Some species of microbe also began to breathe oxygen but, unlike animals and some other eukaryotes, they did not become complex. Pourquoi pas?

Danovaro says the key to understanding the mystery comes from looking at mitochondria, the tiny structures inside eukaryotic cells that act as the lifeform's powerhouse. Inside these mitochondria, nutrients and oxygen are combined to generate a substance called ATP, the body's universal energy currency.

It wouldn't work if they were the size of an elephant

Mitochondria are found in almost all eukaryotes. But bacteria and archaea do not carry mitochondria, and this is a key difference.

"When mitochondria evolved, they made the process of making energy and ATP much more efficient, but they needed oxygen to do this," says Danovaro.

In other words, animal life arose as a consequence of two points. First, the eukaryotes had gained mitochondria inside their cells. Then, when oxygen levels rose, these mitochondria allowed some of those eukaryotes to gain complexity and become animals.

So how come loriciferans can get by without oxygen when other animals cannot?

"They are very tiny, about the size of a large amoeba," says Danovaro. "The small size helps. It wouldn't work if they were the size of an elephant. As they are small their energy requirement is less."

The loriciferans might differ from other animals in another important respect. They seem to lack the oxygen-using mitochondria found in all other animals. Instead, they may carry structures related to mitochondria called hydrogenosomes.

Some animals &ndash like the loriciferans &ndash may have stuck it out and lived without oxygen, remaining small as a consequence

These use protons instead of oxygen as their electron dump. Hydrogenosomes may even be one of many primitive types of mitochondria, which evolved in early eukaryotes to produce energy before atmospheric oxygen levels arose.

"I think the eukaryote common ancestor was a facultative anaerobe that could live with or without oxygen, much like E. coli, a well-known bacterium," says William Martin, a professor of molecular evolution at the University of Dusseldorf, Germany.

This has important ramifications for understanding how and in what conditions complex life first appeared. The first eukaryotes probably evolved before oxygen was routinely freely available in the ocean, so the mitochondria-like structures inside their cells might have been adapted to both oxygen-present and oxygen-absent conditions. Then, as oxygen became more abundant, first in the atmosphere and then in the ocean, some eukaryotes adapted to their new oxygen-rich environments and became large and complex. They became animals.

But some animals &ndash like the loriciferans &ndash may have stuck it out and lived without oxygen, remaining small as a consequence.

For this scenario to work, the loriciferans must have retained their ability to live without oxygen from their ancient ancestors. But there is an alternative: the loriciferans might have gained their ability to do without oxygen very recently, perhaps by stealing genes from other species in a process known as horizontal gene transfer.

As soon as you put it under the microscope you kill it

"This could be evolution in action, as all previously-known species of loriciferans respire oxygen," says Danovaro. "It is possible that this is an extreme adaptation to allow the loriciferans to live in an environment without competitors or predators."

For now the scientific community waits with bated breath for more evidence confirming or disproving the original finding. "I think it is a stalemate at present," says Martin. "What is needed are more samples for closer study."

Final proof would be seeing the animals swimming around in the mud, but according to Danovaro, the small size of loriciferans and their difficult-to-reach environment makes it hard to make those sorts of observations.

"The animal is one-tenth of a millimetre so it requires a special system, because as soon as you put it under the microscope you kill it," he says. "In principle you can extract its DNA, which is the next thing we are working on, but someone could still say, 'well, that animal is dead'. It's a very long track to get final confirmation but we are very optimistic."

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The Surprising Ways Your Breath Connects You to the Entire Planet

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Exhale Richard Legner/Getty Images

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Breathing is so universal and continuous that it can be easy to forget about—until we can’t do it anymore. Then it becomes symbolic of life itself. We take special note of words that are carried on final breaths, and sometimes we even cherish the physical substance of the breaths themselves. Henry Ford kept a glass test tube of air in his home for many years, and inside the tube was said to be a sample from the last breath of his late friend and fellow inventor Thomas Edison. According to sources at the Henry Ford Museum in Dearborn, Michigan, several such tubes are believed to have been left open to the air of the room near Edison’s deathbed. “Though he is mainly remembered for his work in electrical fields,” Edison’s son Charles reportedly said, “his real love was chemistry. It is not strange, but symbolic, that those test tubes were close to him at the end.” After Edison’s death, Charles had the tubes sealed and later passed one of them on to Ford as a memento.

Keep this in mind as you take your next breath. Notice how you tighten your diaphragm and relax the muscles in the walls of your chest. This effort alone consumes roughly 3 percent of your metabolic energy at rest, all in order to pull the equivalent volume of a grapefruit into your lungs. Trillions of air molecules are now trapped within your chest like fish in a net. Only a few of them, the oxygens, are what you’re after. An average adult uses nearly two pounds of them every day, and this particular breath full will help to keep you alive for the next few minutes. It will also connect you to the rest of life on Earth and to the planet itself in surprising ways that we will soon explore.

Depending on the time of day and the season of the year, the air you walk through and pull into your lungs changes more than you might expect. This is just one of many discoveries by Ralph Keeling, a scientist at the Scripps Institution of Oceanography who tests the atmosphere the way a police officer might test your breath with a Breathalyzer.

Your Atomic Self: The Invisible Elements That Connect You to Everything Else in the Universe

For more than two decades Keeling has been measuring the oxygen content of air samples that are collected daily in Hawaii, Antarctica, and elsewhere, sealed into small containers, and shipped to his lab in La Jolla, California. Like traces of alcohol in someone’s breath, slight changes in the composition of the atmosphere can tell a lot about what the world’s combined masses of people, vegetation, and plankton are doing.

It is often said that forests are the “lungs of the planet” because they produce oxygen that we breathe, but the metaphor falls short in some respects. Lungs don’t produce oxygen but instead consume it, and Keeling’s work has shown that only about half of your oxygen comes from terrestrial plants. The rest is made by algae and cyanobacteria in lakes and oceans, with a small additional measure produced by the splitting of water vapor in the upper atmosphere by radiation from the sun and distant stars.

However, when combined with the carbon dioxide analyses that his late father, Charles David Keeling, launched at Mauna Loa Observatory in Hawaii in 1958, the long-term oxygen records do show an almost eerie resemblance to the readouts of a medical breath-monitoring device. Annual pulses of oxygen are mirrored by cyclic drops in CO2, and together these data open a unique window on the atomic connections between plants and the earth.

When the elder Keeling first began to study the air, he expected it to vary a great deal from place to place. To his surprise, however, much of the variability vanished when samples were collected with consistent methods at remote locations where the air is free of local influences from respiring forests and cities. The atmosphere mixes more thoroughly and rapidly than scientists had hitherto realized, and average CO2 concentrations in Hawaii are remarkably similar to those at the Scripps pier in La Jolla.

Equally noteworthy, however, were various kinds of rhythmic oscillations that appeared in the gas records. Every day the carbon dioxide concentrations dropped slightly, only to recover at night, and larger seasonal pulses occurred with dips in summer and peaks in winter. When Ralph Keeling began to measure oxygen to complement his father’s work, his results showed similar patterns but in reverse. With these data you can watch the atmosphere respond to the breathing of countless plants and microbes as the earth spins on its axis and circles the sun.

The pacemaker of these pulses is sunlight. When dawn awakens California, the lawns and palm trees of La Jolla begin to pump oxygen into the air and pull carbon dioxide out of it, as does the Pacific plankton drifting offshore. When that portion of the world spins onward into the shadow of night again, the oxygen production shuts down, but the cellular CO2 factories keep running and quickly drive local carbon dioxide levels back up again while oxygen levels drop.

A similar pattern emerges in alternating hemispheres through the seasons, as well. When plants sprout and leaf out in spring, O2 rises rapidly and CO2 declines. Later in the year when photosynthesis slows and dead leaves begin to decay and release carbon dioxide, the opposite trends prevail.

The Keeling records clearly show that we affect the atmosphere, too, but in more disturbing ways. In early 2013 average concentrations of heat-trapping carbon dioxide reached 400 parts per million (ppm, or a ten-thousandth of a percent), having risen from an average closer to 312 ppm during the 1950s. Most of that change represents the burning of fossil fuels along with the decay and fires associated with deforestation. Unlike the photosynthesizers, these artificial “lungs” of the modern world consume O2 and release CO2 like our own, and they do it continuously on a massive scale.

While the long-term carbon dioxide record tilts upward along with global average temperatures, the oxygen trend points downward. According to the Scripps O2 Program site, oxygen concentrations at La Jolla dropped by 0.03 percent between 1992 and 2009. This, as Ralph Keeling said in an interview with the San Diego Union-Tribune, is the global “signature of combustion.”

Should we now worry about running out of oxygen in addition to global warming? Not according to Keeling. In another Union-Tribune interview he explained that there is plenty of oxygen in the air, and the tiny percentage of loss of oxygen in itself isn’t an issue. Rather, “the trend in oxygen helps us to understand . what’s controlling the rise in CO2.” In other words, declining oxygen shows how closely tied we are to this planet, and how much we now affect the atomic world around us.

From space, Earth resembles a floating blue bead, and if you keep that image in mind it will help to drive home an important lesson. As abundant as atoms are on this planet, their numbers are finite. Watch a satellite video of the clouds that sweep across the face of the world, and you will see in an instant that the winds that carry them over one curved horizon may reappear on the opposite horizon. When viewed from a great distance the sky resembles a shockingly thin film, and most of its molecules are packed into a mere 10-mile slice of a total planetary diameter of nearly 8,000 miles. At sea level you might find more than 10 trillion trillion atoms in a cubic yard of air, but just outside that vaporous skin is the relative vacuum of the solar system. The next time you see a photo of the earth taken from space, try to convince yourself that a pollutant-spewing smokestack anywhere in the world doesn’t unleash potentially harmful substances into the same precious air supply that keeps you and your loved ones alive.

Keeling showed that oxygen gas emitted by plants and plankton mixes throughout each respective hemisphere within two months and spreads worldwide in a little more than a year. The sensitivity of the oxygen and carbon dioxide balance of the atmosphere to the activities of living things shows that recycling is not just a passing fad but a tradition that has always been practiced on the atomic level by all life on Earth. To live, rather than to merely exist like inanimate rock, is to borrow and repurpose the elements of the world around you, and then release them again.

As brilliant as he was, Henry Ford apparently failed to realize that he needed no test tube to capture the atomic essence of Edison’s last breath. You can collect a sample of it anytime—along with samples from the last breaths of Jesus, Shakespeare, and Leonardo—and even with a few bits of air that carried your own first cries as a newborn. It’s easy to do, here on this sky-blue sphere of atoms. Just take a breath.

Excerpted and adapted from Your Atomic Self* by Curt Stager. Copyright © 2014 by the author and reprinted by permission of Thomas Dunne Books, an imprint of St. Martin’s Press, LLC.*
Editor: Samantha Oltman (@samoltman)


Photosynthetic Floatation

Photosynthetic organisms capture energy from the sun and matter from the air to make the food we eat, while also producing the oxygen we breathe. In this Snack, oxygen produced during photosynthesis makes leaf bits float like bubbles in water.

Video Demonstration

Outils et matériaux

  • Baking soda (sodium bicarbonate)
  • Gram scale
  • L'eau
  • Liquid dish soap
  • Spoon or other implement (for mixing solution)
  • Soda straw or hole punch
  • Spinach leaves or ivy leaves
  • 10-mL syringe (without a needle)
  • Clear plastic cup (1-cup size) or 250-mL beaker
  • Incandescent or 100-watt equivalent lightbulb in fixture (preferably with a clamp)
  • Timer
  • Notepaper and pencil (or similar) to record results
  • Optional: ring stand, foil, thermometer, ice, hot water, colored gel filters

Assemblée

  1. Make a 0.1% bicarbonate solution by mixing 0.5 grams baking soda with 2 cups (500 mL) water. Add a few drops of liquid dish soap to this solution and mix gently, trying to avoid making suds in the solution.
  2. Using the straw or hole punch, cut out 10 circles from your leaves (see photos below). (Straws work best with spinach hole punches work best with ivy.)

À faire et à noter

Turn on the light, start a timer, and watch the leaf disks at the bottom of the cup. Notice any tiny bubbles forming around the edges and bottoms of the disks. After several minutes, the disks should begin floating to the top of the solution. Record the number of floating disks every minute, until all the disks are floating.

How long does it take for the first disk to float? How long does it take for half the disks to float? All the disks?

When all the disks have floated, try putting the cup in a dark cabinet or room, or cover the cup with aluminum foil. Check the cup after about fifteen minutes. What happens to the disks?

Ce qui se passe?

Plants occupy a fundamental part of the food chain and the carbon cycle due to their ability to carry out photosynthesis, the biochemical process of capturing and storing energy from the sun and matter from the air. At any given point in this experiment, the number of floating leaf disks is an indirect measurement of the net rate of photosynthesis.

In photosynthesis, plants use energy from the sun, water, and carbon dioxide (CO2) from the air to store carbon and energy in the form of glucose molecules. Oxygen gas (O2) is a byproduct of this reaction. Oxygen production by photosynthetic organisms explains why earth has an oxygen-rich atmosphere.

The equation for photosynthesis can be written as follows:

In the leaf-disk assay, all of the components necessary for photosynthesis are present. The light source provides light energy, the solution provides water, and sodium bicarbonate provides dissolved CO2.

Plant material will generally float in water. This is because leaves have air in the spaces between cells, which helps them collect CO2 gas from their environment to use in photosynthesis. When you apply a gentle vacuum to the leaf disks in solution, this air is forced out and replaced with solution, causing the leaves to sink.

When you see tiny bubbles forming on the leaf disks during this experiment, you’re actually observing the net production of O2 gas as a byproduct of photosynthesis. Accumulation of O2 on the disks causes them to float. The rate of production of O2 can be affected by the intensity of the light source, but there is a maximum rate after which more light energy will not increase photosynthesis.

To use the energy stored by photosynthesis, plants (like all other organisms with mitochondria) use the process of respiration, which is basically the reverse of photosynthesis. In respiration, glucose is broken down to produce energy that can be used by the cell, a reaction that uses O2 and produces CO2 comme sous-produit. Because the leaf disks are living plant material that still require energy, they are simultaneously using O2 gas during respiration and producing O2 gas during photosynthesis. Therefore, the bubbles of O2 that you see represent the net products of photosynthesis, minus the O2 used by respiration.

When you put floating leaf disks in the dark, they will eventually sink. Without light energy, no photosynthesis will occur, so no more O2 gas will be produced. However, respiration continues in the dark, so the disks will use the accumulated O2 gaz. They will also produce CO2 gas during respiration, but CO2 dissolves into the surrounding water much more easily than O2 gas does and isn’t trapped in the interstitial spaces.

Aller plus loin

Try changing other factors that might affect photosynthesis and see what happens. How long does it take for the disks to float under different conditions? For example, you can compare the effects of different types of light sources—lower- or higher-wattage incandescent, fluorescent, or LED bulbs. You can change the temperature of the solution by placing the beaker in an ice bath or a larger container of hot water. You can increase or decrease the concentration of sodium bicarbonate in the solution, or eliminate it entirely. You can try to identify the range of wavelengths of light used in photosynthesis by wrapping and covering the beaker with colored gel filters that remove certain wavelengths.

Teaching Tips

This experiment is extremely amenable to manipulations, making it possible for students to design investigations that will quantify the effects of different variables on the rate of photosynthesis. It is helpful to have students familiar with the basic protocol prior to changing the experimental conditions.

Ask your students to think carefully about how to isolate one variable at a time. It is important to hold certain parts of the experimental setup constant—for example, the distance from the light source to the beaker, the type of light bulb used, the temperature of the solution, the height of the solution, and so on. Certain treatments may eliminate photosynthesis altogether—water with no bicarbonate, very low temperature, and total darkness.

A typical way to collect data in this assay is to record the number of disks floating at regular one-minute time intervals. This is easily graphed, with time on the x-axis and number of floaters on the y-axis.

To make comparisons between treatments, the number traditionally used is the time point at which half of the disks in the sample were floating, also known as the E50.

Resources

This experiment was originally described in Steucek, Guy L., Robert J. Hill, and Class/Summer 1982. 1985. “Photosynthesis I: An Assay Utilizing Leaf Disks.” The American Biology Teacher, 47(2): 96–99.

Related Snacks

Leaf Filter

Even plants have their favorite colors.

Oil Spot Photometer

Compare the brightness of two light sources with an oil spot on a white card.


Emergency oxygen enemas could help us "breathe" through our intestines

Scientists have made the surprising discovery that some mammals can absorb oxygen through their intestines. The team experimented by administering oxygen enemas in a gas or liquid form to mice, rats and pigs, and found that they could survive much longer in a low-oxygen environment. The find could eventually open up an alternative treatment for patients suffering respiratory failure.

Certain aquatic species, such as sea cucumbers, loaches and catfish, are known to be able to survive longer in low-oxygen waters by turning to an unorthodox alternative – effectively breathing through their butts. Specifically, the distal gut allows for gas exchange, which can provide additional oxygen to the bloodstream in a pinch.

But could that also work for other animals? Whether or not oxygen could reach the bloodstream from the intestines in mammals was the question at the heart of the new study conducted by researchers at the Tokyo Medical and Dental University and the Cincinnati Children’s Hospital Medical Center.

“The rectum has a mesh of fine blood vessels just beneath the surface of its lining, which means that drugs administered through the anus are readily absorbed into the bloodstream,” says Ryo Okabe, first author of the study. “This made us wonder whether oxygen could also be delivered into the bloodstream in the same way. We used experimental models of respiratory failure in mice, pigs and rats to try out two methods: delivering oxygen into the rectum in gas form, and infusing an oxygen-rich liquid via the same route.”

In the first tests, the team delivered pure oxygen gas to the rectums of mice, then exposed the animals to a low oxygen environment. And sure enough, three out of four test mice survived the 50-minute test, in contrast to the control group, of which no members survived the test, with the median survival time being 11 minutes.

But there’s a catch – this result requires some abrasion of the surface of the intestine, in order to help the oxygen gas pass through. Without this step, mice receiving rectal oxygen treatment only had a median survival time of around 18 minutes in a low-oxygen environment, not much longer than those without.

That caveat alone could be enough to prevent the technique from ever finding clinical relevance, so the researchers also investigated giving the animals enemas of perfluorodecalin (PFD), a liquid rich in oxygen. Importantly, this doesn’t require intestinal abrasion, and is already used to help speed up wound healing or preserve tissues and organs longer.

The animals were then tested in a chamber with oxygen levels only 10 percent of the usual atmosphere – not a lethal environment, but one that can induce hypoxia. The test mice were able to walk four times further in the chamber than the control group, and monitoring showed that more oxygen was reaching their hearts and circulating through their bodies. Mice given the PFD enemas were able to stave off hypoxia symptoms for the duration of the hour-long experiment.

In the next test, the team moved up to pigs, and found similar results. The rectal oxygen infusion improved their oxygen levels, as well as the color and coldness of their skin associated with hypoxia.

There are, however, a few key questions raised by the study. The main one, of course, is why such a roundabout route would ever be required when respirators are much more direct? But the team says that it could be delivered in an emergency, when respirators aren’t available or a patient has suffered respiratory failure and can’t get enough oxygen through their airways. A rectal liquid oxygen infusion could stave off hypoxia long enough for other treatments to be administered.

Other concerns that need to be investigated include what effects the treatment may have on the gut microbiome – after all, many of the important bugs there are used to a very low oxygen environment. The team says that no side effects were reported in the test animals, but further study will need to be conducted.

"The level of arterial oxygenation provided by our ventilation system, if scaled for human application, is likely sufficient to treat patients with severe respiratory failure, potentially providing life-saving oxygenation,” says Takanori Takebe, senior author of the study. "Although the side effects and safety need to be thoroughly evaluated in humans, our approach may offer a new paradigm to support critically ill patients with respiratory failure.”


30% Oxygen levels are not a huge deal as far as respiration goes. You would perform better in endurance events as it is easier to get more oxygen into your system but your body would adapt.

100% Oxygen can be dangerous or even toxic but a relatively modest increase to 30% is unlikely to have many side effects on humans.

There is going to be one large side effects though - fire.

At 30% oxygen levels fires burn faster, hotter and more easily. Even wet vegetation will burn and wildfires could easily sweep through any areas with available fuel.

In short: No benefits, no short-term damages. But quite possibly adverse long-term effects.

A normal person breathes about 7 1/2 to 8 liters per minute in rest and under normal conditions, containing 1.6 to 1,7 liters of oxygen. Only about 0.3 liters make it into the blood.

Patients with hypoxia are often supplied with oxygen. The "standard" amount is 2 liters per minute, which effectively means doubling the normal amount of oxygen. In Emergency care, 5-6 liters per minute are not uncommon, albeit only for a short time.
None of these doses are usually sustained for months or years, so it is hard to tell what long-term effects they may have (well, 5-6 liters will certainement lead to lung damage over a longer period of time, but you might quite possibly support 2 liters for years).

Saturation in healthy people in normal atmosphere under normal pressure is slightly below 100% (around 95-98%) unless you have a really bad hangover or a condition like COPD (then you may have around 91-92% or so).

Doubling, tripling, or quadrupling the amount of oxygen (without elevated pressure so oxygen goes into watery solution) thus cannot have any measurable positive effect, since saturation cannot possibly go above 100%, and it is already there anyway.

On the other hand, oxygen is a radical and apart from being directly neurotoxic at very high doses and directly damaging lung tissue at very high doses, moderately elevated oxygen exposure will eventually increase cell aging and the risk of cancer (especially in "exposed" tissue such as the lungs).

Higher not-immediately-toxic levels of oxygen may also have effects on equipment and environment that may not be neglegible and that may affect humans indirectly:

  • higher levels of ozone
  • increased tendency for metals to rust
  • increased tendency for some organic materials to age and decay, and bleach out
  • fire accelerant, flashing sparks
  • accelerated growth of aerob or opportunistically aerob microorganisms (some fungi, most yeasts, and some bacteria)

Arthropodes would evolve to become larger. In the paleozoic era, when the oxygen levels were higher than today, giant insects roamed the Earth surface.

Most of the other animals and plants would evolve in response of this. Some of these evolutions would be problematic, others won't. The humans are no exception, and a race of giants may evolve. In some areas it will be normal to find a lot of people with more than 2 meters of height.

Fires will burn much more. As explained by @TimB.

People will be stronger and more suitable for hard work. As explained by @ArtOfCode.

Current atmospheric O2 levels are about 21%, though the Oxygen compensation point dictated by C3 plants who produce our O2 limits it to about 23% at current CO2 levels. Higher CO2 levels permits increased photosynthesis rates and a correspondingly higher atmospheric O2% level.

220 ppm CO2 has a upper O2 limit of 23%O2. 350 ppm CO2 has a upper O2 limit of 27%O2. 700 ppm CO2 has a upper O2 limit of 35%O2.

These limits are "theoretical max" which you'll never reach due to O2 consumption from both organic metabolism, and from inorganic O2 fixation (I.e. rust and other metal oxidation). Once you hit the O2 compensation point, plants stop growing. they reach a point where the O2 levels provide a compensating force on enzymes that halt production of Rubisco.

Whats this mean in modern terms? bien. we have increased volcanic activity, massive forest burning in Thialand and Brazil which has driven up CO2 levels since 1800. The increase CO2 raises the maximum O2 concentration and hense the plant-based biolevels possible (ie. more crops, faster growth of plants/food).

global O2 levels move VERY slowly, though its worth noting that past CO2 levels around 1500 ppm correlated to about 35%O2, so even at high compensation points (max levels) they never reached very high.

Humans can supposedly breath 50%O2 all day long without issues, and Scuba Divers like myself can get Nitrox-certifications to use 40% Nitrox (40% O2 with 60% N2) for shallow dives (the higher O2%, reduces the %N2 in the mix to slow nitrogen gas uptake in the blood. basically we use it to do longer dives without having to decompress).

Your question about 30% is interesting. 1) it would give endurance athletes a higher "effective" VO2 Max and would theoretically allow marathon runners to run at slightly higher speeds/effort while staying in the aerobic-exercise zone. This doesn't mean they could go farther, total energy is based on calories available. only that they could burn the same energy faster. )

2) Sprinters and other anaerobic activities would be unaffected. except for recovery rates! Hockey players, basketball, soccer, etc where stop and go windsprints are common could see reduced recovery times (i.e. hockey players could go back on the ice after shorter breaks without lactic acid building up). Even in todays pro sports you see this on football sidelines and hockey benches where winded all-stars will dawn a O2 mask to reduce lactic acid. So you could sprint more often, but not necessarily any faster.

3) Insects wouldn't be bigger. The giant insects in eras past were originally thought to be from O2 absorption, but studies in hyperbaric chambers have shown that O2 absorption rates are not limiting factors. Most scientists attribute ancient giant inserts to a lack of predators in that era, and an abundance of food. They simply lived long and ate well (in addition to theories about indeterminate growth and genetic differences in ancestors).

4) Fire hazards may be an issue, though an increased oxygenation rate of metals and spoiling of foods would be the most common issue for sure.

5) Lastly, its worth noting that CO2 levels in your blood are what trigger your brain to breath. The peripheral chemoreceptors in you carotid arteries will trigger breaths when CO2 concentration rises to 40mmHg. The CO2 levels in your blood vary between breaths from 35 to about 45mmHg are generated by metabolic means. So will increasing atmospheric CO2 levels affect your ability to breath? Nan. 40mmHg which is found in your blood and lungs alveolar space is 53000 ppm. which is why it diffuses out of your blood and into the lung space (since air is only

400ppm). Increased CO2 and O2 levels shouldn't affect your ability to trigger breathing unconsciously. )


How Your Lungs Work

Your lungs are located within your chest cavity inside the rib cage (see illustration below). They are made of spongy, elastic tissue that stretches and constricts as you breathe. The airways that bring air into the lungs (the trachée et bronches) are made of smooth muscle and cartilage, allowing the airways to constrict and expand. The lungs and airways bring in fresh, oxygen-enriched air and get rid of waste carbon dioxide made by your cells. They also help in regulating the concentration of hydrogen ion (pH) in your blood.

When you inhale, the diaphragme et muscles intercostaux (those are the muscles between your ribs) contract and expand the chest cavity. This expansion lowers the pressure in the chest cavity below the outside air pressure. Air then flows in through the airways (from high pressure to low pressure) and inflates the lungs. When you exhale, the diaphragm and intercostal muscles relax and the chest cavity gets smaller. The decrease in volume of the cavity increases the pressure in the chest cavity above the outside air pressure. Air from the lungs (high pressure) then flows out of the airways to the outside air (low pressure). The cycle then repeats with each breath.


Voir la vidéo: Perheitä sateenkaaren väreissä - Apilaperhe - Sateenkaariperheet ry (Juin 2022).


Commentaires:

  1. Konner

    Cette information n'est pas vraie

  2. Efraim

    Nous parlerons.

  3. JoJoshicage

    Ici c'est oui!

  4. Alsandair

    Je m'excuse, mais, à mon avis, vous n'avez pas raison. Discutons-en. Écrivez-moi dans PM, nous parlerons.



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