Le cycle du carbone organique

Le carbone organique est le carbone produit par les organismes vivants et est associé à des atomes d’hydrogène, d’azote, de phosphore et d’autres atomes de carbone au sein de molécules constituant la matière organique ou les hydrocarbures. Ce cycle est constitué de différents compartiments : atmosphère, organismes vivants (ou biotes), sols et sédiments marins, roches sédimentaires.

De l’atmosphère aux êtres vivants : fixation du Co2

La photosynthèse est le processus qui permet l’intégration du carbone dans le réseau du vivant. Etendu à l’échelle de la planète, elle a lieu dans les forêts par végétaux chlorophylliens mais surtout au niveau des océans via les microorganismes photosynthétiquesle phytoplancton. Au cours de ce processus, le carbone du Co2 (minéral) est fixé et permet de former des molécules organiques et ce grâce à l’énergie lumineuse selon la réaction :

6 CO2 + 6 H2O + hν (énergie lumineuse) → C6H12O6 (glucose) + 6O2

Des êtres vivants à l’atmosphère : les gaz à effet de serre

La respiration est le processus inverse de la photosynthèse. La molécule organique (glucose) est alors dégradée par ces mêmes organismes vivants selon :

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

La dégradation du glucose permet la libération d’énergie utilisée par l’organisme, qu’il soit autotrophe ou hétérotrophe, pour son métabolisme. Le dioxyde de carbone produit sera dégagé dans l’atmosphère. Les organismes photosynthétiques effectuent la respiration lorsqu’il n’y a pas assez ou pas du tout de lumière. En consommant la matière organique les producteurs secondaires stockent le carbone fixé au préalable par les producteurs primaires (dans les milieux aquatiques comme terrestres).

Un autre processus, la fermentation, produit du dioxyde de carbone et du méthane qui sont dégagés dans l’atmosphère :

C6H12O6→3CO2+3CH4

Ces trois processus se déroulent sur des échelles de temps relativement courtes.

Des êtres vivants à la terre

A la mort des organismes vivants a lieu la décomposition par les microorganismes. La matière organique passe alors dans le compartiment du sol : les molécules organiques y sont dégradées plus ou moins rapidement selon leur complexité. Les trois principaux processus de séquestration du carbone dans la pédosphère sont l’humification, l’agrégation et la sédimentation :

La formation des humus résulte de processus biochimiques qui concourent à la transformation de la matière organique morte par l’action des bactéries et des actinomycètes du sol (champignons). L’agrégation conduit à l’encapsulation de la matière organique, principalement par les vers de terre.

La sédimentation permet la formation de combustible fossile, qui se fait en trois étapes: il y a d’abord accumulation de la matière organique, provenant d’organismes morts, qui sédimente strate par strate. Puis maturation de la matière organique : sous l’effet de l’augmentation de la température et de la pression cette matière organique se transforme en kérogène, précurseur de gaz naturel et du pétrole. Enfin les hydrocarbures remontent à la surface jusqu’au moment où ils sont piégés par des roches imperméables de nature variée : le gisement de pétrole ou de gaz est alors formé.

Le cycle du carbone inorganique

Le carbone inorganique est le carbone qui n’a pas été associé à des molécules organiques. Il s’agit du carbone minéral.

Le cycle du carbone inorganique se passe essentiellement dans le compartiment océanique. Les échanges air-océan sont contrôlés par deux facteurs :

- La solubilité, régie par l’équilibre thermodynamique du CO2 à l’interface air-mer. D’un point de vue physique, le CO2 se répartit de façon à équilibrer les pressions partielles entre l’océan et l’atmosphère. La solubilité du CO2 diminue lorsque la température augmente. Ainsi, une eau froide qui remonte des profondeurs libère du gaz carbonique lorsqu’elle se réchauffe en surface. Inversement, l’eau qui dérive vers le Nord avec le Gulf Stream entraîne le carbone dissous en surface dans les couches profondes qui, étant plus froides, ont une plus grande capacité de stockage. Le cycle du carbone est donc étroitement lié à l’évolution de ce premier maillon : le transport physique du CO2 dissout.

- La pompe biologique, régie par l’activité de la biomasse marine, à savoir le phytoplancton et les coraux. Le phytoplancton marin, à l’instar des arbres, utilise la photosynthèse pour extraire le carbone du CO2. Il est le point de départ de la chaîne alimentaire océanique. Le plancton et d’autres organismes marins utilisent le CO2 dissous dans l’eau pour constituer leurs squelettes et coquilles à base de calcaire minéral, CaCO3 qui plus dense que l’eau, précipitent au fond de l’océan pour y sédimenter. Ce phénomène est la bio – calcification.

De plus l’océan recueille les carbonates issus de l’érosion des continents.

Ainsi, à force d’accumulation, ce carbonate de calcium va rejoindre la couche lithosphérique par la diagénèse de roches carbonatées. La conservation du carbone atmosphérique continue donc dans la lithosphère.

Dans les zones de subduction la plaque océanique plonge sous la plaque continentale. On observe alors le phénomène de fusion partielle des matériaux profonds lors duquel la croute océanique fond lorsqu’elle est sous la plaque continentale. Cela aboutit à la remontée de magma et à la libération de celui-ci à la surface lors d’éruptions volcaniques : des gaz carbonés (dioxyde de carbone et méthane) sont alors libérés dans l’atmosphère.

Un autre phénomène est à préciser. Dans le cas général, une photosynthèse accompagnée par l’assimilation de nitrate n’a pas d’influence sur le stock d’azote de l’océan. En revanche, grâce à la diazotrophie, certaines algues utilisent l’azote N2 dissout dans l’eau. Cela entraîne un gain net d’azote qui permet de mobiliser sous forme organique une plus grande quantité de carbone. La diazotrophie augmente donc à long terme l’efficacité de la pompe biologique de carbone.

L’océan occupe donc une place essentielle dans le cycle.

Capacité du cycle à s’autoréguler : l’homéostasie

La capacité du cycle du carbone à s’autoréguler provient des flux naturels existant entre les différents compartiments cités :

- 60 Gt de carbone qui sont échangés annuellement entre la végétation et l’atmosphère, la végétation utilisant le CO2 lors de la photosynthèse.

- 90 Gt sont échangées annuellement entre l’océan de surface et l’atmosphère, le CO2 atmosphérique étant là encore utilisé par le phytoplancton lors de la photosynthèse.

- 40 à 50 Gt sont échangées entre l’océan de surface et les eaux plus profondes (tests calcaires des animaux et diagenèse des roches carbonatées).

Par conséquent la sédimentation suivie de la fossilisation sont deux processus qui apportent l’essentiel du carbone à la lithosphère.

Le carbone est relâché lors des éruptions volcaniques et de la combustion des combustibles fossiles. D’autre part, l’altération des carbonates continentaux contribue au relargage du carbone dans l’océan via les cours d’eau.

Ainsi le CO2 de l’atmosphère est fixé par les autres compartiments et retourne dans l’atmosphère.

En fait le régulateur principal du cycle du carbone est le compartiment océanique qui minimise en grande partie les fluctuations de la pression partielle de carbone atmosphérique : c’est un service écosystémique. La pompe biologique de carbone par l’océan est un système complexe (photosynthèse, biocalcification, diazotrophie, respiration, sédimentation, etc.), qui, dans l’état présent de l’océan, sous le climat actuel, contribue à réduire l’accumulation de CO2 dans l’atmosphère. Dans un climat modifié, le peuplement planctonique s’adaptera et un assemblage différent d’espèces mettra en oeuvre cette pompe biologique. Prévoir la tendance qui s’instaurera alors n’est pas facile. Le premier pas consiste à comprendre comment le climat et la circulation océanique qui en découle contrôlent le peuplement actuel.

Dans le 2e volet de notre dossier consacré au carbone, nous allons évoquer les différentes formes sous lesquels on peut trouver le carbone. On parlera aussi des puits naturels de carbone afin de mieux comprendre comment le carbone est stocké à l’état naturel.

Une quantité énorme de carbone est emprisonné dans les glaces sous forme d'hydrate de méthane. Un réchauffement climatique pourrait avoir des conséquences désastreuses en libérant le méthane, un gaz à effet de serre 20 fois plus persistant que le CO2.

Les différentes formes de carbone

Le diamant est la forme métastable du carbone. C'est la matière la plus dure à rayer sur Terre.

On entend par formes de carbone, les formes de stockage du carbone fossile. Ainsi, dans la croûte terrestre le carbone se présente sous forme :

• Non combustible : ce sont les roches minérales comme celles issues de l’océan (la craie et le calcaire, contenant du CaCO₃), que fixent de grandes quantités de carbone. Le carbone comme corps pur existe aussi dans la nature sous forme de diamant que l’ont retrouve dans des roches comme les kimberlites.
• Combustible (les hydrocarbures), issus des processus de décomposition de végétaux terrestres dans des conditions très particulières (décrites dans la première partie du dossier).
• Sous forme d’hydrates de gaz : On a découvert, il y a peu, que le sous-sol des forêts boréales et les fonds océaniques contenaient de grandes quantités d’hydrates de méthane. On estime aujourd’hui que ces composés des fonds océaniques contiennent deux fois plus en équivalent carbone que la totalité des gisements de gaz naturel, de pétrole et de charbon connus mondialement. Là, les matières organiques mortes se sédimentent et se décomposent. Ce processus est dirigé par des bactéries anaérobies méthanogènes qui ne se trouvent que dans les profondeurs et les milieux mal oxygénés.

Sous des conditions de température et de pression particulières, la glace (H₂O) peut piéger des molécules de gaz (comme le CO₂, le CH₄ ou le sulfure d’hydrogène H₂S) formant une sorte de cage emprisonnant les molécules de gaz. Une glace contient une quantité énorme de gaz : la fonte de 1 centimètre cube de glace libère jusqu’à 164 centimètre cubes de méthane! (Suess, E., Bohrman, G., Greinert, J. et Lausch, E. Le méthane dans les océans. Pour la Science, No 264 – octobre 1999)

Les puits naturels

Les arbres stockent le carbone pendant leur croissance

Le stockage ou séquestration du carbone, regroupe différents processus qui transfèrent le CO₂ de la biosphère aux trois principaux puits : les écosystèmes continentaux, l’océan, les stocks fossiles ou minéraux.

On appelle puits de carbone, un réservoir qui stocke plus ou moins durablement  le carbone sous une forme ou une autre. Il faut souligner que la notion de puits est dynamique, tout dépend du bilan des flux de carbone. L’atmosphère est scientifiquement parlant un puits mais n’est pas reconnu en tant que tel car le concept de « puits de carbone » s’est répandue avec le protocole de Kyoto créé dans le but de réduire les concentrations élevées et croissantes de CO₂ atmosphériques.

Les écosystèmes continentaux

Il s’agit surtout des forêts. Le sol contient l’essentiel du carbone des écosystèmes terrestres notamment sous forme d’humus (matière organique relativement récente non identifiable provenant de la décomposition de végétaux essentiellement). L’autre moitié du stock du carbone du sol est profond, stable, âgé et difficilement dégradable. L’essentiel du carbone forestier est dans le sol

Les forêts ne fixent davantage de carbone qu’elles n’en produisent que pendant leur période de développement en stockant le carbone via la photosynthèse ; passée celle-ci, le carbone se fixe dans le sol et les divers éléments de l’écosystème mais l’absorption globale devient nulle : les plantes absorbent autant de CO₂ que le milieu en produit. Le stockage dans les végétaux n’est relativement durable que dans le bois. En effet, les feuilles et tiges ont des durées de vie faible et sont plus facilement dégradables par les bactéries du sol : leur décomposition libère du CO₂ dans l’atmosphère.

Cependant avec le réchauffement de la planète, les incendies de forêt libèrent des quantités énormes de CO₂, celles-ci ne se comportent plus comme des puits mais comme des sources. De plus les sols cultivés, sont utilisés comme des sources de carbone et autres nutriments pour les cultures. Une étude récente portant sur le priming effect a démontré que ces sols n’arrivent plus à stocker le carbone qu’on leur apporte artificiellement car le carbone est alors utilisé comme source d’énergie pour les bactéries qui, en respirant, produisent au contraire du CO₂.

Les océans

Les coraux participent également à la séquestration du carbone dans les océans. Ce petit animal utilise le carbone pour fabriquer son squelette. On estime ainsi que la grande barrière de corail australienne pourrait mourir et disparaître au cours des prochaines décennies du fait du réchauffement climatique.

Le système océanique contient près de 60 fois plus de carbone que le réservoir atmosphérique. Sa capacité à stocker du carbone et l’importance du flux de carbone à l’interface air-mer lui confère un rôle clé dans le contrôle du contenu atmosphérique de CO₂. Seul le contenu en carbone de la lithosphère surpasse le réservoir océanique. Il n’en demeure pas moins qu’une partie significative des échanges avec la lithosphère transite par l’océan. Le flux de carbone air-mer est contrôlé par deux facteurs que nous verrons dans la partie cycle du carbone.

Les premiers coraux ont ainsi transformé l’atmosphère terrestre initiale en stockant l‘excès de CO₂ atmosphérique de la planète, tôt dans son histoire. C’est au niveau de l’interface eau-sédiment marin que s’opère le partage entre recyclage et enfouissement des squelettes de CaCO3. La fraction du flux qui est enfouie est soustraite du système pour des temps géologiques. Ainsi, les stromatolithes, premières roches coralliennes connues, dateraient environ de 3,5 milliards d’années. D’autres organismes qui fabriquent des pièces calcaires sont les coccolithophoridés (micro-algues), les foraminifères (protozoaires), et les ptéropodes (mollusques pélagiques). Le couplage dilution du CO₂/bio-calcification fait de l’océan un puits de carbone efficace.

Sur des échelles de temps de milliers d’années, 85 % du carbone de l’atmosphère ont été absorbé par les océans. Les proportions de CO₂ sont de 40 000 milliards de tonnes de carbone dans l‘océan, 750 milliards dans l’atmosphère et de 2200 sur terre. Si tout le CO₂ atmosphérique était stocké dans les couches profondes de l’océan, la concentration de CO₂ dans l’océan ne s’en trouverait accrue que de moins de 2 % !

Encore beaucoup d’inconnues

D’une manière générale, la capacité de stockage des systèmes naturels reste mal connue car le stockage résulte de plusieurs facteurs biologique et climatique : le taux de CO2 stimule la croissance des plantes n’est plus si clair. Car l’augmentation de la température entraîne une sécheresse qui diminue la croissance des plantes. De plus, Le sol est un écosystème particuliers dans le sens où il est plus régi par des processus non trophique (non alimentaire) comme les structures élaborées par les organismes ingénieurs ayant un impact certains sur le stockage : à température plus forte, les micro-organisme du sol sont plus actifs et il en ressort un dégagement supérieur de CO2.

On a donc un système relativement dynamique difficile à modéliser. Ainsi, le stockage du CO2 par la biosphère terrestre est beaucoup plus précaire que par les océans. En effet les temps de stockage dans la végétation ou les sols sont courts, quelques années à quelques décennies, tandis que les constantes de temps océaniques peuvent dépasser plusieurs siècles.

Philippe F. NAI

La piscine de Combloux en Haute Savoie peut accueillir jusqu’à 700 visiteurs par jour dans 1500m² réservée à la baignade.

Un écosystème aquatique

Dans ce cas, vous allez devenir un adepte des piscines biologiques. Ces piscines recréent l’équilibre d’un étang naturel. Elles disposent d’une flore et d’une faune aquatique chargée d’assurer naturellement l’épuration des eaux du bassin de baignade. Autrement dit, pour ceux qui ne supportent pas la vue d’un têtard je leur conseille de ne pas s’y risquer. A moindre échelle, les piscines biologiques abritent de nombreux microorganismes. Toute la finesse de ces piscines consiste ainsi à empêcher le développement de germes pathogènes (provoquant des maladies) en favorisant des bactéries dites « amicales » qui consommeront les ressources du milieu.

Ces piscines sont apparues au début des années 90, en Allemagne, Hollande et en Suisse, mais il faut attendre 2003 pour qu’elles émergent en France. Depuis, elles connaissent un engouement non-démenti, aussi bien auprès des particuliers que des infrastructures qui accueillent du public.

On y distingue une zone de baignade et une zone de traitement de l’eau formé par un bassin d’épuration et d’un bassin de régénération. L’objectif est de maintenir la qualité de l’eau à des valeurs respectant les normes françaises physiques, chimiques et microbiologiques des eaux de baignades.

Le bassin d’épuration ou système de lagunage épure les éléments chimiques polluants par des bactéries fixées dans le lit de filtration (pierres poreuses) de manière à transformer les substances organiques en matières minérales qui peuvent êtres puisées par les plantes aquatiques. Le bassin de régénération achève d’épurer et d’oxygéner l’eau, et agrémente le bassin de baignade : c’est la qu’on trouve les plantes qui ont principalement des propriétés décoratives et oxygénatrices.

Comme vous pouvez vous en douter, plusieurs modèles existent suivant l’espace dont vous possédez (Plus la taille des bassins de régénération et d’épuration augmentent et plus la capacité des piscines augmentent), le budget que vous voulez investir…

Une législation en eaux troubles

La crainte d’avoir un risque sanitaire en ce qui concerne l’efficacité du traitement de l’eau est souvent mise en avant par les inconditionnels de la bonne vieille piscine chlorée. Toutefois, ce risque est quasi-nul si l’équilibre général du bassin est atteint. Bien que ces piscines ne soient pas considérées comme de vrais piscines de part leur appellations de bassin- étang ou de bassin de baignade naturelle, les piscines à épuration biologique doivent respecter la réglementation française des eaux de baignade. Dans le cadre privé, l’hygiène et la qualité de l’eau sont donc placées sous la responsabilité du propriétaire. Dans le cadre public, les piscines naturelles ne sont pas autorisées par la DDASS car elles ne garantissent pas une désinfection systématique de l’eau.

L’eau des bassins des piscines doit répondre aux normes physiques, chimiques et microbiologiques de l’Article D1332-2 du Code de la Santé Publique. Il est à déplorer la non responsabilité des pouvoirs publics, propriétaires et constructeurs qui ne cherchent pas à clarifier la situation par des études indépendantes.

Des avantages en nature !

A part les bienfaits ressentis, les différences sont claires.

Une piscine traditionnelle est un lieu aseptisé par l’ajout de chlore, d’hypochlorite de sodium, de brome ; et le retrait des feuilles et des insectes alors qu’une piscine biologique est un veritable écosystème aquatique qui abrite grenouilles, crapauds, libellules, araignées d’eau, escargots aquatiques. Cependant, ce cadre bucolique nécessite une surface 2 à 3 fois supérieure à une piscine traditionnelle et s’oppose au décor froid d’une piscine traditionnelle que l’on bâche l’hiver.

Une grande économie d’eau est réalisée par rapport aux piscines traditionnelles (sur la base d’un fonctionnement de la filtration 8 à 12 heures par jour en temps continu). On n’utilise de l’électricité que pour faire fonctionner la pompe à eau (environ 0,50kW/H à raison de 5 heures). Si l’investissement lors de la construction est plus important, l’entretien annuel d’une piscine biologique est moindre sur le long terme (600 euros pour la consommation électrique de la pompe et l’apport d’eau nécessaire pour compenser l’évaporation en été).

Si vous n’avez pas le budget nécessaire pour vous offrir une piscine naturelle ou chimique soit entre 10 000 et 30 000 € tout de même, il vous reste à attendre le déploiement de piscines municipales biologiques encore trop rares en France.

Maud LeBoulh

Experte en procédés de traitement des eaux, dépollution des sols et techniques de diagnostic.

Hymenolepis microstoma

La biodiversité, c’est quoi pour vous?

Des oiseaux de toutes sortes, des fleurs de toutes les couleurs, des animaux de la savane, un panda ?  L’évolution a conduit à une diversité du vivant surpassant notre imagination, autant dans l’infiniment grand que dans l’infiniment petit. Une bibliothèque du vivant dont les espèces sont autant de livres riches de connaissances qu’il reste à découvrir. Sceptique? Susan Perkins, parasitologue à l’American Museum of Natural History, nous propose une toute autre odyssée…

Birds of all kind, flowers of all colors, animals from the savannah, a panda? Evolution led to a biodiversity outstanding any expectations at every scale. A library of the living in which each specie is an unread book full of knowledge. Sceptical ? Susan Perkins, parasitologist at the American Museum of Natural History, opens the door to a unusual kind of odyssey…

Parasite of the day

A travers le site Daily Parasite, Susan Perkins offre un podium à 365 parasites triés sous la loupe : un par jour. Chaque parasite a droit à un petit portrait expliquant son mode de vie et ses particularités. C’est ainsi tout un univers insoupçonné et insoupçonnable que notre « hôte » se propose de nous faire découvrir. L’occasion était trop belle pour ne pas poser quelques questions à cette spécialiste à l’occasion de l’année de la biodiversité à laquelle cette initiative fait écho.

Daily Parasite is more than a website, it’s a showcase offering 365 parasites a place under the spotlight : one per day. Each parasite has its description to expose its features and way of transmission. Our « host » is inviting us to explore a whole universe we could never have imagined. Of course I had to ask this specialist some questions for the sake of the Year of the Biodiversity.

- Why should we preserve  biodiversity?

-  Pourquoi préserver la biodiversité?

There are several reasons.  For one, we never know what knowledge and products will come from discovering new and different species.  A good example is the discovery this week of a snail with incredibly tough armor that they are now saying may offer inspiration for body armor for people. Another reason is simply, diverse communities and habitats are healthy communities and habitats.  And parasites are part of that (see below).

Un escargot à la coquille dure

Il y a plusieurs raisons. La première est qu’on ne sait jamais quelles connaissances et quels fruits nous pouvons tirer de la découverte de nouvelles espèces. Un bon exemple est la découverte cette semaine d’un escargot avec une armure particulièrement résistante dont on dit qu’elle pourrait inspirer la conception d’armures adaptées à l’homme. Une autre raison est simple : des communautés et des habitats sains sont des communautés et des habitats diversifiés. Et les parasites participent à cela.

- How is biodiversity seen in the field of parasitology?

- Du point de vue de la parasitologie, comment voit on la biodiversité ?

Parasitologists know that they work on an incredibly diverse group of organisms.  If we assume that every organism on the planet has at least one specific parasite (almost certainly a gross understatement), then there are way more parasites than anything else (…) But a lot of other folks don’t really think about parasites – they’re small, they can be a little hard for the squeamish, and they are often seen as things you don’t want around.

Les parasitologues savent qu’ils travaillent sur un groupe d’organismes très diversifié. Si nous supposons que chaque organisme sur la planète abrite au moins un parasite (ce qui est peu dire), alors il y a plus de parasites que quoique ce soit d’autre (…) Mais beaucoup de gens ignorent les parasites – ils sont petits, pas très glamours et sont souvent vus comme des choses qu’on préfère garder à distance.

- Is the diversity of parasites threatened?

- Est ce que cette diversité des parasites est menacée ?

Sadly – very.  Their diversity is threatened because their hosts are threatened.  And their diversity is threatened because human impacts to the environment could alter their transmission and drive them extinct very quickly.

Malheureusement, oui. Ils sont menacés car leurs hôtes sont menacés. Ils sont menacés à cause de l’impact de l’anthropisation sur l’environnement qui peut altérer leur transmission et conduire à leur extinction rapide.

- What is the role of parasites in their ecosystems?

- Quel est le rôle des parasites dans leurs écosystèmes?

They are vital for healthy ecosystems.  It may seem counter-intuitive, but disease promotes diversity in ecosystems.  A good example can be seen in the post from January 15th, written by Tommy Leung.  The parasite in this case makes it difficult for the clam host to burrow and so they are more often predated by birds.  But the dead clams on the substrate make the habitat more varied – it gives other organisms a place to live. In addition to these ecological reasons, parasites are also important for promoting the genetic variation of their hosts.  Curt Lively has done some excellent work on this, for example.

Un parasite des arthropodes qui peut tuer les mâles, les féminiser mais aussi permettre aux femelles de se reproduire par parthogénèse

Ils sont essentiels à des écosystèmes sains. Cela peut sembler contre-intuitif, mais en fait les maladies promulguent la diversité dans les écosystèmes. Un bon exemple peut être vu dans l’article du 15 janvier, écrit par Tony Leung. Le parasite en question altère la capacité de la palourde hôte à s’ensevelir dans le sable ce qui la rend plus vulnérable à la prédation par les oiseaux. Or les coquilles de ces bivalves participent à fabriquer un habitat plus hétérogène qui permet d’abriter des individus d’autant plus variés. En plus de ces raisons écologiques, les parasites sont aussi important pour promouvoir la variabilité génétique de leurs hôtes. Curt Lively a fait un excellent travail là dessus.

- How useful is the field of parasitology ?

- Quelle est l’importance de la parasitologie ?

It’s incredibly useful, but has waned a lot in the past few decades.  We desperately need people who are trained to collect, identify and otherwise study parasites.  But work done on these organisms has formed some of our key understandings in ecology and evolution, genetics, immunology, etc.

Envie de voir par vous même? C'est ici =>

C’est incroyablement utile, mais cela a été délaissé énormément ces dernières dizaines d’années.  Nous manquons cruellement de gens qualifiés pour collecter, identifier sinon étudier les parasites alors que le travail fait en la matière constitue est une des clés essentielle à la compréhension de l’écologie et de l’évolution, de la génétique, de l’immunologie, etc.

Levons les yeux de la loupe

A quoi sert le carbone?

Dans la problématique du changement climatique et de réchauffement de la planète, le carbone et plus précisément le CO₂ se trouve souvent incriminé de nombre de conséquences néfastes pour l’environnement. Cependant, il ne faut pas oublier qu’en plus d’être utile, le carbone est indispensable autant au niveau constitution du vivant qu’au niveau processus chimique essentiel à la vie sur terre.

Constitution du vivant.

Le carbone, de symbole chimique C, est le principal élément constitutif des êtres vivants : protéine, lipide ou les sucres de même que les acides nucléiques sont construits autour de chaînes carbonée. Son noyau contient 6 protons et 6 neutrons, cet élément offre un excellent compromis : Cet atome est capable de se lier avec d’autres éléments chimiques (4 au plus) grâce à des liaisons covalentes. Ces liaisons présentent un compromis entre solidité et relâchement qui permet à un grand nombre de réactions chimiques d’avoir lieu dans des conditions compatibles avec la vie.

Énergies fossiles.

La formation de combustible fossile se fait en trois étapes:

1. il y a d’abord accumulation de la matière organique, provenant d’organismes morts, qui sédimente strate par strate.
2. Puis maturation de la matière organique : sous l’effet de l’augmentation de la température et de la pression cette matière organique se transforme en kérogène, précurseur de gaz naturel et du pétrole.
3. Enfin les hydrocarbures remonte à la surface jusqu’au moment où ils sont piégés par des roches imperméables de nature variée : le gisement de pétrole ou de gaz est alors formé.

Leur combustion est source d’une augmentation de la teneur en carbone minéral (CO2) dans l’atmosphère.

Le gaz, le charbon et le pétrole sont des énergies dites fossiles car elles proviennent de la dégradation d’organismes animaux ou végétaux. Leurs formations nécessitent plusieurs millions d’années. Ces ressources ne sont donc pas renouvelables à l’échelle de l’humanité et notre exploitation intensive de celles-ci va, à terme conduire à leur épuisement.

D’ailleurs, se pose aujourd’hui la question des énergies nouvelles et en particuliers des énergies renouvelables. A défaut d’être assez matures, les énergies renouvelables apparaissent dans ce contexte comme une alternative intéressante, d’autant plus qu’elles offrent de préserver à la fois le confort des êtres humains et la qualité de l’air. En effet, les énergies renouvelables sont des modes de production d’énergie utilisant des forces ou des ressources dont les stocks sont illimités.

Une autre énergie renouvelable est la biomasse qui est un autre moyen d’utiliser la matière organique à des fins énergétiques. Elle est une source d’énergie, parfois appelée « énergie verte ».

La biomasse et les biocarburants.

La biomasse regroupe la matière vivante, animale et végétale. L’énergie lumineuse est captée par des pigments photosynthétiques comme la chlorophylle mais aussi les caroténoïdes et les phycobilines pour les algues et les cyanobactéries. À partir de CO2 et d’eau, la lumière permet de donner des produits hydrocarbonés (sucres,  matière végétale) qui peuvent être des sources d’énergie (énergie thermique et alimentaire) : C’est la production primaire par la photosynthèse.

Chaque année, à l’échelle du globe, 200 milliards de tonnes de CO_2, soit plus de 10% du carbone atmosphérique sont ainsi transformés en biomasse. Les plantes terrestres, les algues et beaucoup de bactéries comme les cyanobactéries pratiquent la photosynthèse.

On peut obtenir de l’énergie à partir de la biomasse de trois manières différentes :

1. Par combustion directe, en brûlant des déchets de bois, de récoltes mais aussi les ordures ménagères et les déchets industriels.
2. Par décomposition, les bactéries produisent du gaz à partir de déchets putrescibles (certaines boues de stations d’épuration, des déchets ménagers organiques. Ce mélange de gaz est en majorité composé de méthane, utilisable, une fois épuré, pour alimenter des chaudières ou des véhicules fonctionnant au gaz naturel.
3. Par transformation. L’huile de colza transformée en biocarburant est un excellent substitut au gazole. Alors que la transformation chimique des céréales ou de la betterave peut fournir de l’ETBE, qui ajouté à l’essence, permet de réduire certaines émissions polluantes de nos voitures.

L’utilisation de biomasse comme source d’énergie est à mettre en relief, elle produit dans les trois cas des gaz responsable de l’effet de serre. De plus,  il ne faut pas oublier les pollutions collatérales ni les besoins importants en eau inhérents aux cultures.

L’effet de serre.

La Terre reçoit la majeure partie de son énergie du soleil, une partie est absorbée par la Terre et une autre renvoyée sous forme d’infrarouges par les nuages et les calottes glacières qui ont un fort albédo (ou pouvoir réfléchissant). Le rayonnement infrarouge réémis par la Terre est en partie piégé par les gaz à effet de serre (vapeur d’eau, CH4, CO2, N2O) augmentant la température moyenne de la Terre.

L’effet de serre est un phénomène naturel, indispensable à la vie sur Terre et intervient dans le bilan radiatif de la terre en assurant une température moyenne de +15°C environ au lieu de -18 °C. En fait, une température de -18°C ferait geler les océans, ce qui augmenterait considérablement leur albédo (pouvoir réflecteur) faisant chuter les températures autour de -100°C, température non favorable à la vie.

Mécanismes de l’effet de serre.

Liens entre CO2 et température :

Quelques mots sur le lien entre CO2 et température qui bien qu’évident n’a été vérifié que relativement récemment. En 1955, Charles Keeling a inventé un instrument de mesure du CO2. Keeling a effectué des mesures méticuleuses du CO2 sur plusieurs années : Il a découvert un cycle jour/nuit, un cycle saisonnier mais surtout une augmentation du CO2 au fil des années corrélés avec l’élévation de la température du globe. Fait appuyé pas les études en glaciologie avec de forte variation de température pour de forte variation de CO2.

Variation de la pression partielle de CO2 au cours du temps de 1955 à 1996. Mesure de Keeling.

Fin de la première partie du dossier Carbone

Dossier Carbone 2e partie

Philippe F. NAI

1. IMPORTANCE DU SOL

Le sol est une interface majeure de la planète : relation avec l’eau (pluie, nappe souterraine), échanges gazeux avec l’atmosphère, relation avec la biosphère (faune et flore).

Il est à l’origine de la production primaire et donc des principales chaînes trophiques (= chaîne alimentaire) terrestres. C’est un système interactif au sein duquel les compartiments physiques, chimiques et biologiques sont en étroites relations et qui fournit de nombreux services écosystémiques à la société :

• nourriture
• qualité des eaux
• régulation du climat par la séquestration du carbone
• contrôle de pathogènes (maladies) notamment via le maintien de la biodiversité.

L’état structural du sol, le recyclage de la matière organique influent sur les peuplements lombriciens (des vers de terre) et inversement : on parle d’interaction.

On ne peut comprendre le sol et ses processus sans étudier les vers de terre et leur dynamique.

2. AGRICULTURE ET VERS DE TERRE

L’utilisation de vers en agriculture est encore peu répandue même si certaines méthodes s’avèrent efficaces. Elles présentent l’avantage de permettre une intensification qui ne se fait pas au détriment de l’environnement : une gestion durable de l’activité agricole, ce qui représente un enjeu important pour l’avenir. Cependant, ces méthodes ont besoin d’être optimisées pour être économiquement viables. En effet, stabiliser une population de vers dans un champ n’est pas évident du fait que les individus peuvent migrer vers les parcelles voisines. De même il serait intéressant de pouvoir attirer les vers du voisinage direct des parcelles cibles.

Pour répondre à ces questions il est nécessaire de comprendre les mouvements des vers de terre et plus précisément leur dispersion : c’est un travail d’ingénierie écologique.

Dans cette étude, nous avons voulons savoir si la dispersion des vers était liée à des facteurs environnementaux tels que la qualité du sol, la densité, la compétition avec une autre espèce, et enfin la présence de litière.

3. RESULTATS

Après plusieurs expérience en mésocosmes avec différents vers européens. Nous avons trouvé que :

Les vers choisissaient leur habitat

• la dispersion des vers pouvait être induite par un changement des propriétés du milieu
• la dispersion pouvait être induite par une densité locale élevée
• la couverture du sol joue un rôle sur la distribution des vers
• L’apport de ces résultats pour les techniques d’agriculture basé sur les vers est discuté.

Les résultats de ce travail de première approche ont intégré une étude de plus grande envergure mené par Jérôme Matthieu dont vous pourrez trouver le résumé ici.

Philippe F. NAI (sous la direction de Jérôme Matthieu).

Parallèlement à l’augmentation de la population mondiale, les ressources naturelles comme  la nourriture, l’eau douce, les terres arables, l’énergie et la biodiversité  diminuent. Sur une surface totale de 13 milliards d’hectares de terre sur la planète, les terres cultivables n’en représentent que 11% fournissant 99,7% de la nourriture (FAO : Food and Agriculture Organization of the United Nations).

Les conséquences

Le déclin de la surface cultivable par personne est aggravé par la dégradation des sols. D’après une étude de l’International Food Policy Research Institute, on estime que 10 millions d’hectares de terres cultivables sont abandonnés chaque année dans le monde à cause de l’érosion des sols, soit 1,3% de ces terre. La majeure partie de la surface additionnelle nécessaire pour remplacer ces pertes annuelles vient des zones forestières. Le besoin urgent d’accroître la production agricole est responsable de plus de 60% de la déforestation massive à travers le monde. Ainsi, selon la FAO, 15 millions d’hectares de forêts tropicales (la superficie de la Tunisie) sont détruits chaque année. Or on sait que les forêts tropicales renferment environ 50 % des espèces vivantes.

Une ressource épuisable

Le Dust Bowls : Conséquence de l'érosion

Enfin les pertes dues à l’érosion sont graves dans la mesure où le renouvellement de la couche arable est extrêmement lent : il faut environ 500 ans pour qu’une couche de 2,5 centimètres de terre arable se renouvelle pour répondre aux exigences agricoles. Or une ressource naturelle est qualifiée de non renouvelable ou épuisable lorsque le temps nécessaire à sa création dépasse largement le temps d’une vie humaine.  Le sol est l’épiderme d’une terre vivante, pour la préserver, il convient de développer une agriculture moins intensive et écologiquement plus productive.

Lutter contre l’érosion des sols est devenu aujourd’hui un défi majeur de notre siècle.

Philippe F. NAI

« L’ingénierie écologique désigne la gestion de milieux et la conception d’aménagements durables, adaptatifs, multifonctionnels, inspirés de, ou basés sur, les mécanismes qui gouvernent les systèmes écologiques. Les processus purement chimiques ou physiques ne relèvent pas du périmètre de l’ingénierie écologique.

A ce titre, l’ingénierie écologique est un ensemble conceptuel spécifique des sciences écologiques mais ouvert sur les problèmes économiques et sociaux. Elle se distingue donc du développement soutenable, qui se base sur une logique économique respectueuse de l’environnement et du progrès social.  » – définition du CNRS

L’un des buts de l’ingénierie écologique est la réhabilitation des écosystèmes.

La réhabilitation d’un écosystème

L’homme dépend de la nature pour certains services appelés services écosystémiques (Millenium Assessment) :

1. Approvisionnement : eau, nourriture, bois, oxygène etc.
2. Régulation : régulation du climat, stockage du carbone par une forêt en croissance
3. Services culturels : éducation etc.
4. Maintien d’un lieu favorable à la vie : cycle des nutriments, formation des sols etc.

Un des buts de la réhabilitation d’un écosystème est de retrouver un ou plusieurs de ces services écologiques. Les organismes ingénieurs créent, modifient, détruisent ou maintiennent des habitats par leurs actions mécaniques (Jones et al, 1994) et ont,  par ce fait, un impact sur les conditions abiotiques et biotiques (biodiversité) d’un biotope. Ils peuvent être :

1. autogéniques comme les arbres qui par leur propre structure physique constituent de véritables habitats ayant un impact sur la lumière et le vent.
2. allogéniques à l’image des castors, l’archétype de l’organisme ingénieur, qui coupent du bois, construisent et conservent des barrages abritant des plantes sensibles à la lumière, des invertébrés vivants en eaux calmes. Ces derniers vont nourrir les poissons qu’on peut pêcher (services écologiques).

Ainsi, ils représentent potentiellement des partenaires de choix pour l’ingénierie écologique qui permettent, de par leur nature autonome, de réduire les efforts à produire par l’homme dans l’entreprise d’une restauration d’écosystème ou de la gestion d’espèces invasives. Le modèle proposé dans l’article illustre, entre autres, leur influence sur le passage d’un état à un autre d’un écosystème.

Comprendre l’influence des organismes ingénieurs et l’intérêt à les utiliser

De prime abord, les organismes ingénieurs agissent comme des enzymes sur une réaction chimique. Ils facilitent ou catalysent le passage d’un état de l’écosystème à l’autre en abaissant la barrière d’efforts à fournir par l’homme pour passer d’un état à un autre. En fait ce n’est pas tout à fait vrai, et même faux. Un écosystème est beaucoup plus compliqué qu’une réaction chimique et les organismes ingénieurs vont influer sur l’état final atteint. On peut alors se demander s’il s’agit vraiment d’une restauration proprement dite ou si d’une manière générale, on ne chercherait pas à amener un écosystème à un état intéressant pour l’homme plutôt que de le réhabiliter vraiment. C’est une question importante dès lors que l’on veut utiliser des organismes ingénieurs dans un objectif de « restauration ».

En effet, si on les introduits dans un écosystème, on ne se ramène plus exactement à l’état « initial ». De plus si on veut à terme, restaurer un écosystème et réintroduire avec succès des espèces qui avaient disparues, il est important de vérifier qu’elles peuvent potentiellement coexister avec le(s) organisme(s) ingénieur(s) dont on s’est servi. Enfin la définition des organismes ingénieurs, précise qu’ils peuvent très bien détruire un habitat. Se pose alors la question du choix des espèces ingénieurs.

Comment choisir ?

Peut-on toujours introduire ces organismes avec succès ? Quel risque y a-t-il à cette introduction? Autant de question à travailler en amont. En effet, un exemple d’utilisation d’organismes vivants dans l’intérêt de l’homme dans un contexte écologique est la lutte biologique contre des indésirables via des ennemis naturels. Or, il y a eu des ratés comme par exemple :

-          l’introduction des coccinelles aux Etats Unis contre les pucerons qui a accéléré l’extinction d’un Lycaenidé et supprimé des espèces de coccinelles indigènes par compétition ou prédation.

-          L’introduction de mangoustes dans les Antilles pour lutter contre les rats et les serpents qui a amené à l’extinction de populations d’oiseaux et de lézards.

Il convient donc de prendre des précautions élémentaire car contrairement à la lutte biologique, l’emploi d’organisme ingénieurs résultent en des conséquences complexes, de grandes ampleurs et difficile à gérer comme l’introduction d’espèces invasives associées. Il faut donc :

• Une bonne connaissance a priori de l’écosystème de la cible (biologie de la cible, structure du réseau trophique)
• Prévoir via les modèles, tester via l’expérimentation à diverses échelles
• un suivi à long terme
• un choix de l’organisme ingénieurs minutieux (screening complet des organismes potentiels, biologie des organismes (sensibilité aux conditions environnementales, capacité de dispersion : sujet de mon stage de M1 sur la dispersion des vers de terre)

Le ver de terre, mon exemple d’organisme ingénieur…

Je terminerai positivement sur cet exemple d’organisme ingénieur qu’on commence à utiliser.  Les vers de terre fabriquent un véritable environnement : la drilosphère et concentrent les ressources dans les agrégats biogéniques (les turricules) qu’ils produisent. Ils  créent des patchs de nutriments pour l’ensemble de la faune et la flore du sol, et augmentent souvent la croissance des plantes (Scheu 2003). Ainsi, ils peuvent jouer un rôle considérable dans l’agriculture (Senapati et al, 1999) car dans les agrosystèmes, l’intensification, recourt généralement à l’utilisation de pesticides, et au travail mécanique du sol, qui conduisent à la dégradation globale de ces écosystèmes et de la biodiversité, et au final, à une moindre fertilité du sol (Mäder, Fliebbach et al. 2002).

Les organismes ingénieurs sont des partenaires de choix, il faut cependant les utiliser avec précaution, on ne voudrait pas se retrouver avec des vers de terre et des castors partout…

Philippe F. NAI