L'eau liquide, molécule clé du vivant
Note to my English readers: This post is in French so you might want to use your browser's translation service to read it (I made sure that the illustrations don't require translation).
Préface: Par ce post j'explore un nouveau format dans lequel j'illustre un texte scientifique qui m'a touché. Ici, Gilles Bœuf nous parle de l'eau, son histoire sur notre planète et son lien étroit avec la biodiversité. C'est un texte parfois technique, pour lequel j'ai fait des schémas illustratifs et ajouté quelques notes d'accompagnement afin d'en faciliter la lecture.
Texte de Gilles Bœuf, professeur émérite à Sorbonne-Université, Ancien président du Muséum national d’Histoire naturelle, Professeur invité au Collège de France, Président du CEEBIOS. Texte adapté avec accord de l'auteur. Certains passages plus techniques ainsi que les références scientifiques sont passés en annexe, accessibles pour les abonné.e.s. Illustrations et ajouts par Tometa CC BY-SA 4.0.
(Note: sur smartphone la lecture est plus confortable en mode "horizontal")
L'eau liquide, molécule clé du vivant
La Terre était idéalement positionnée par rapport au soleil, sa masse et sa taille adéquates et elle a pu garder une partie de son eau initiale : les conditions étaient réunies pour l’émergence de la vie ! Thierry de Duve, lauréat du Prix Nobel de médecine en 1974, écrivait même dans « Poussière de vie » en 1995 que la vie ne pouvait pas ne pas y apparaître ! L’eau molécule, croyons-nous, si « banale » (sic !!) a été déterminante pour l’apparition de la vie. Sous sa forme liquide elle est le solvant universel et constitue une partie essentielle de toutes les cellules vivantes.
Tous les êtres vivants sont constitués d’eau dans des proportions variables, de quelques % chez les plus secs, des graines de végétaux par exemple, à des organismes aquatiques qui peuvent en contenir plus de 98 %. Un bébé humain à la naissance, c’est 75 % d’eau, un cerveau humain plus de 80 % ! Ceci nous permet de préciser l’indissociable histoire commune de la biodiversité et de l’eau, et donc rapidement expliquer que le vivant ne peut pas se passer d’eau liquide, et donc que ces turbulences climatiques que nous connaissons aujourd’hui ont une influence claire sur l’état de la biodiversité. N’oublions pas non plus que l’effondrement de ce vivant en retour a une influence sur le climat lui-même ! Trop couper les arbres des forêts ou surpêcher les poissons pélagiques entraînent des désordres locaux dans les niveaux des précipitations ou modifient les capacités de l’océan à stocker le CO2 !
Une fraction de continent terrestre sans eau c’est rapidement un désert dans lequel la vie est très rapidement limitée. L’eau « c’est la vie » : observons durant une année fortement marquée par l’oscillation sud-pacifique, el niño, par exemple dans le nord du Chili dans l’Atacama, là ou l’aridité est extrême (moins de 1 mm de précipitations par an) la survenue du phénomène « desierto florido » durant lequel le désert se couvre de fleurs en quelques jours. Ceci intervient après une pluie intense, et apparaît alors un cortège d’insectes et d’oiseaux, et ceci durant quelques semaines en octobre avant de repartir vers 10 ans de sécheresse totale !
Si l’eau ne représente qu’une très mince pellicule superficielle sur la Terre, elle affecte cependant clairement les propriétés physiques du manteau (température de fusion des roches et viscosité). La croûte terrestre formée par accrétion au niveau des dorsales s’hydrate au contact de l’eau de mer . Mais ces roches hydratées subissent dans les zones de subduction une augmentation de pression et de température telles que de nouveaux minéraux métamorphiques apparaissent en libérant de l’eau. Sans ce retour massif à l’océan de cette eau, l’océan disparaitrait en moins de 100 millions d’années (Ma) !
Ajout de Tom: Ok, pas mal de termes techniques ici! Gilles évoque en fait le deuxième cycle de l'eau! Et oui, le cycle de l'eau dit "atmosphérique" (ou solaire) que l'on connaît se passe en surface avec (1) évaporation & transpiration, (2) condensation & précipitations et (3) ruissellement & écoulement des nappes phréatiques. Mais sous l'océan se passe un autre cycle dit "profond" (ou magmatique) avec (A) formation et hydratation de la croute océanique (B) puis son déplacement en profondeur (subduction) où l'eau se libère de la roche et se mêle au magma qui (C) remonte à la surface et disperse l'eau lors des éruptions volcaniques.
Le passé
Les rapports isotopiques de l’hydrogène jouent dans le sens d’un apport important d’eau durant les bombardements de météorites chondrites carbonées durant les premiers 700 Ma de l’existence de la Terre [13].
Ajout de Tom: Cela veut dire que l'eau est probablement apparue sur Terre assez rapidement après sa naissance il y a 4.5 milliards d'années notamment lors d'un long bombardement par ces météorites "chondrites carbonées" dont parle Gilles et qui pouvaient contenir jusqu'à 20% d'eau! De plus, il se trouve qu'elles contiennent aussi certains acides aminés, ces petites molécules qui sont aujourd'hui des briques de base de la vie!
Les origines du vivant sont à rechercher vers 3900 millions d’années (Ma) à partir d’une chimie antérieure, pré-biotique, soumise à d’incessantes périodes sèches et hydratées pour lesquelles nous manquons de connaissances sur les types d’atmosphères alors présentes. Ce qui est clair est que la première cellule vivante émergente (procarya) possédait déjà une membrane séparant un milieu intérieur hydraté liquide d’un milieu extérieur également hydraté liquide, et que les deux communiquaient en permanence !
Dans ces mers anciennes, divers évènements essentiels se sont produits qui ont eu un retentissement déterminant sur le futur de la vie:
- Après l’apparition de la membrane plasmique (A) et de la photosynthèse (B), l’apparition de la membrane nucléaire dans la cellule (C), individualisant le noyau, et le passage des bactéries procaryotes aux cellules eucaryotes (eucarya, protistes), plus grandes, vers 2500 Ma,
- L’émergence d’organismes multicellulaires eucarya vers 2200 Ma (D),
- La capture de cyanobactéries ambiantes qui vont s’intégrer dans les cellules eucaryotes et devenir les mitochondries, vers 2000 Ma (E) et les plastes, indispensables à la photosynthèse, vers 1400 Ma (G) [5].
- Le dernier événement fondamental fut l’apparition de la reproduction sexuée chez les bactéries vers 1500 Ma (F) , fabuleux système pour le vivant pour générer de la biodiversité, et des capacités d’adaptation et d’évolution bien supérieures. La vie complexe « organisée » telle que nous la connaissons aujourd’hui apparaîtra à la fin du précambrien vers 550 Ma (H) [18].
Sur notre planète, la vie est sortie de l’océan, plusieurs fois, en différents endroits, sous différentes formes, à différentes époques, vers 1 milliard d’années pour les cyanobactéries, 450 millions d’années pour les plantes et les animaux. Ils ont dû s’adapter à l’air libre et à l’eau douce, et donc faire face à des milieux aux caractéristiques physiques bien différentes.
[...] Section en annexe pour les abonné.e.s
Lorsque la vie a quitté l’océan, elle a donc dû se conformer aux conditions de respiration en milieu aérien [6]. Les animaux terrestres ont délaissé les branchies pour des poumons, très efficaces, adaptés à un environnement où l’oxygène est abondant, et de grandes fonctions physiologiques comme l’osmorégulation, ou encore l’excrétion, se sont effectuées dès lors hors de l’eau. Il devenait alors vital de conserver cette eau. La poussée d’Archimède, si présente en milieu aquatique, a disparu et les squelettes, internes et externes, ont considérablement été modifiés. Bien que renforcés, ces derniers n’ont jamais pu être aussi grands et lourds que les animaux marins, notamment les baleines actuelles. Pour le physiologiste, la division des animaux en aquatiques et aériens est aujourd’hui fondamentale.
La plupart des phyla animaux (ils y sont tous nés !) ont évolué dans l’océan et sur les plages, en s’approchant des côtes, ont trouvé des environnements particulièrement contraignants et souvent à la limite de conditions extrêmes.
Pensez à un petit poisson gobie [10] qui sur un cycle de marée va passer à marée haute des conditions océaniques côtières « classiques », température plus stable, 15°C par exemple, salinité élevée (1050 mOsm.l-1), pH stable, légèrement alcalin aux environs de 8, tension en oxygène stable… à marée basse et alors se retrouver dans un petit trou d’eau fortement dilué par l’arrivée d’un filet d’eau douce (flaque à 250 mOsm.l-1), sur la plage, beaucoup plus chaude (25°C dans l’après midi), de pH 8 à 6, avec une tension en oxygène beaucoup plus élevée (productions micro et macro-algales) ! Et le niveau d’O2 peut tomber à 0 le matin très tôt, les producteurs primaires respirant alors beaucoup plus et produisant beaucoup moins d’O2 ! Et ceci se produisant deux fois par jour ! Le milieu marin a apporté à l’humanité de fabuleuses ressources biologiques [4, 6].
Toutes ces évolutions ont eu lieu sur le littoral, faisant de ce milieu le théâtre d’une révolution biologique sans précédent. C’est sur ce même littoral que, plus tard, l’humain s’installera et duquel il s’élancera pour ses « grandes découvertes ».
L’effondrement de la biodiversité
Cet humain qui s’est lui-même (K von Linné, en 1758) dénommé « Homo sapiens » (homme « savant », alors que l’on a nommé des espèces « ferox », « horribilis », atrox », « horridus », « gulo »…) et qui souvent se croît aujourd’hui « supérieur » par rapport à tout le reste de la nature, espèces et écosystèmes pour le vivant, et aussi à part, sorti des réalités écologiques, est en fait, en grande partie constitué d’eau, de sels et de bactéries ! Alors comment imaginer une seconde pouvoir se passer de cette biodiversité, encore si florissante sur notre planète, mais en forte régression depuis quelques siècles ou décennies ? Il n’y a pas un humain et une nature à côté, il y a un humain (8 milliards d’individus aujourd’hui !) profondément et indissociablement immergé dans cette nature et cet extraordinaire réseau biologique [8].
Ajout de Tom : Saviez-vous que le pétrole est la matière première de la plupart des plastiques que consomme l'humain moderne ? C'est pour cela qu'on parle de "pétrochimie" ou de produits "pétrosourcés" (tous les PE, PVC, PP ainsi que les fibres synthétiques comme le nylon ou le polyester).
Mais saviez-vous surtout que ce pétrole est en fait composé de résidus d'êtres vivants ancestraux ? Après leur mort, la matière organique dont ils étaient faits a sédimenté au fond des océans et s'est pyrolysée sur plusieurs dizaines, voire centaines de millions d'années, dans les profondeurs géologiques.
Vos lunettes de soleil contiennent donc des atomes de carbone qui ont peut-être appartenu à une fougère primitive du temps des dinosaures !
Le mot « biodiversité » (en anglais, biodiversity), contraction de « diversité biologique », a été créé en 1985. Ce terme est souvent assimilé à la diversité spécifique, c’est à dire l’ensemble des espèces vivantes, bactéries, protistes (unicellulaires), fungi (« champignons »), végétaux et animaux d’un milieu. Mais la biodiversité est bien plus que la seule diversité spécifique, incluant à la fois les espèces et leur abondance relative. Simplement, en pratique, l’espèce est commode d’utilisation, elle peut être assimilée à une sorte « d’unité de monnaie » identifiable et comptabilisable [3]. Mais aujourd’hui la biodiversité est considérée bien différemment, elle ne peut en aucun cas être assimilée à de seuls inventaires ou catalogues d’espèces. La biodiversité a été définie comme étant « toute l’information génétique comprise dans un individu, une espèce, une population, un écosystème » mais nous nous attachons actuellement à la caractériser comme étant l’ensemble de toutes les relations établies entre les êtres vivants, entre eux et avec leur environnement. C’est en fait la fraction vivante de la nature !
Si durant des milliards et centaines de millions d’années, tout a évolué sous la pression des facteurs abiotiques (température de l’eau et de l’air, leur composition, salinité de l’océan, lumière, longueur du jour, rythmicité des saisons, ...) et biotiques du milieu (facteurs liés au vivant, la nourriture par exemple, sa composition, sa disponibilité...compétition et relations entre espèces...), la disponibilité en oxygène étant autant abiotique que biotique, depuis une époque récente, dénommée « anthropocène », la plus grande force évolutive [30, 24, 14, 2, 19] sur cette planète apparaît comme étant la présence de l’humain, associé à son cortège d’activités (plantes et animaux domestiques par exemple).
Ajout de Tom : Ici, Gilles explique que, depuis l'époque moderne, les facteurs qui déterminent la survie d'une espèce sont surtout liés aux activités humaines, alors que par le passé, ces facteurs étaient plus "naturels" et en quelque sorte incontrôlables (on pense à la météorite en partie responsable de l'extinction des dinosaures). Aujourd'hui, l'activité humaine exerce une pression sélective significative sur de nombreuses espèces, conduisant à des évolutions récentes et observables. Voici quelques exemples marquants :
- La pêche sélective des gros poissons a conduit à une évolution des espèces vers des tailles plus petites et une maturation plus rapide. Par exemple, la morue de l'Atlantique (Gadus morhua) et d'autres espèces commerciales ont montré une tendance à atteindre leur maturité sexuelle plus tôt, souvent à des tailles plus petites, pour augmenter leurs chances de se reproduire avant d'être capturées.
- L'utilisation massive de pesticides a conduit à l'apparition de nombreuses espèces d'insectes résistants. Par exemple, les moustiques (porteurs du paludisme) ou les pucerons ont évolué pour développer des résistances aux pesticides couramment utilisés. Ces résistances peuvent apparaître en quelques générations seulement, illustrant une évolution rapide en réponse aux pressions de sélection humaines.
Linné, le père de la systématique « binominale » (nom latin en deux mots, le genre et l’espèce) dénombrait au milieu du XVIIIème siècle environ 12 000 espèces vivantes, végétales et animales. Aujourd’hui, en ce début du XXIème siècle, nous en sommes à un peu plus de 2 millions d’espèces recensées, décrites et déposées dans les Musées. Et nous savons bien que nous sommes très loin du compte ! On décrit actuellement entre 16 000 et 18 000 nouvelles (pour nos connaissances !) espèces par an (dont 10 % issues du milieu marin) : qui sait le nombre réel d’espèces présentes aujourd’hui ? Combien de temps nous faudra t-il encore pour « tout » décrire, 800 à 1 000 ans ? En aurons-nous le temps ? Nous estimons que vivent aujourd’hui entre 1,5 et 2 % de toutes les espèces qui ont peuplé la planète depuis les toutes premières origine [18].
Ajout de Tom: Ces chiffres sont vertigineux, pour mettre les choses en perspective j'ai fait le schéma ci-dessous. Il montre l'évolution de la biodiversité au travers des âges et les grandes périodes d'extinction massive et leur cause principale (c'était toujours multifactoriels, un mélange de facteurs géologiques, climatiques et biologiques).
Si je schématise l'entièreté de toutes les espèces ayant existé sur Terre ça donne quelque chose comme le diagramme ci-dessous, j'y distingue 4 quadrants en fonction d'une part des espèces disparues ou toujours présentes (AB vs BC) et d'autre part des espèces répertoriées ou non par l'humain (AC vs BD). Les tailles sont illustratives car les chiffres réels sont inconnus.
A = les espèces actuellement présentes sur Terre et répertoriées (comme cette espèce Crocodylus palustris répertoriée par Lesson en 1831)
B = les espèces actuellement présentes sur Terre et non répertoriées (comme cette espèce d'araignée étoilée imaginaire et qui sera peut-être déjà disparue à cause du réchauffement climatique avant qu'on puisse lui donner un nom)
C = les espèces disparues et répertoriées (notamment par grâce aux fossiles comme ce trilobite Paradoxides paradoxissimus, répertorié par Wahlenberg en 1818. C'est sur la base de ces quelques traces que se fonde toute notre connaissance du passé du vivant!)
D= les espèces disparues et non répertoriées (par exemple qui n'ont pas laissé de traces fossiles comme cette méduse étoilée imaginaire dont on ne pourra jamais prouver l'existence)
Je sais pas vous mais je trouve vertigineux de me dire que ce que l'on connaît du vivant n'est qu'une fraction minime de toutes les espèces que la Terre a vu naître.
Et comble de l'histoire: nombre de ces espèces disparues anonymement sont aujourd'hui brûlées par l'humain sous forme de pétrole contribuant à la sixième extinction de masse...
Les causes majeures de l’effondrement actuel de la biodiversité [7, 8] sont au nombre de quatre:
- La première en expliquant à elle-seule les 2/3: la destruction et la pollution des habitats:
2. La surexploitation des ressources naturelles, les ressources vivantes « étant naturellement « renouvelables », mais l’humain interdisant alors leur « renouvelabilité », les seuils d’exploitation « harmonieuse » étant largement dépassés:
3. La dissémination anarchique d’espèces partout sur la planète (la « roulette écologique »), devenant pour certaines des « invasives » :
4. Enfin l’accélération du changement climatique [1, 15, 8, 27, 29, 25], dans lequel l’humain a bien sa part :
Les travaux très récents réalisés chez les oiseaux [21, 26] ou encore les insectes [22] sont édifiants et même parfois désespérants : quand allons-nous enfin réagir [23] ?
Conclusion
L’humain ne peut pas se passer d’eau et de la biodiversité, nous ne mangeons et ne coopérons qu’avec du biologique, un corps humain c’est 75 % d’eau à la naissance, les 2/3 plus tard, autant de bactéries dans et sur nous, un tiers de nos gènes (partie codante) en commun avec le phytoplancton, les 2/3 avec une mouche, 98 % avec un chimpanzé... Nous avons chaque matin, en nous réveillant dans notre lit, entre 1 et 2 millions d’acariens et ils sont là parce que nous y avons dormi. Nous sommes totalement immergés dans cette biodiversité, un exemple extrême (totalement créé par l’humain !) opposé étant les maladies nosocomiales à l’hôpital où dans une salle « trop propre », une seule espèce de bactérie prolifère et se révèle alors mortelle, résistante à tous les antibiotiques ! En fait, ce besoin profond de biodiversité est essentiel, que seraient nos activités économiques sans le tourisme, la gastronomie ou encore l’industrie du luxe en France, toutes activités liées à un maintien d’une biodiversité prospère ? Nous venons de cette eau et de ce vivant, nous lui appartenons et n’avons aucun avenir sans lui ! Chaque fois que nous l’agressons, nous nous auto-agressons nous mêmes, ce n’est quand même pas très malin, pour une espèce qui s’est, elle même, attribué cette dénomination de sapiens ! Quand serons-nous prêts à nous adapter à nous- mêmes [28], à accepter nos limites [9]? Alors abandonnons cette imprévoyance, cette arrogance et cette cupidité qui nous ont amené à cette situation si injuste, sociale, sociétale, géopolitique et si inquiétante d’aujourd’hui : en fait passons enfin de faber à sapiens, et vite ! Le monde vivant est vieux de près de quatre mille millions d’années, il s’est formé à partir de ces premières cellules apparues dans l’océan ancestral, il a subi les pires crises imaginables et s’en est toujours sorti ; pour cela, il a dû en permanence s’adapter à des conditions extérieures changeantes. Mais pour s’adapter, il faut impérativement changer, ce que nous ne faisons toujours pas ! Quand cesserons nous cette “myopie du désastre”. Trop de consumérisme, pas assez de sobriété : rappelons le nous en permanence, nous sommes fondamentalement eau, sels et cellules ! Le Coronavirus 19 nous le rappelle, avec ses 15 gènes (nous en avons 22 000 !) : en sortira t-on grâce à un électrochoc collectif salutaire ? Rien n’est moins sûr...
Ajout de Tom: Comment te sens-tu a la fin de cette lecture ? Peut-être triste, en colère voire dans la honte? Ces émotions sont normales et bienvenues... et tu n'es pas seul.e! Peut-être ressens-tu aussi de la joie d'avoir appris de choses nouvelles, et qui sait, ton regard sur le vivant a peut-être même un peu changé ! En tout cas moi j'ai énormément appris au travers de ce projet. Quelques soient les émotions présentes si tu a envie de passer à l'action et de prendre part à la transition globale tu es au bon endroit sur ce blog. Jette par exemple un œil à :
- la série illustrée sur "La Bascule" - une métaphore pour se repérer dans la transition.
- les photos de la biodiversité amazonienne - une invitation à passer à l'action en connectant à la beauté du vivant.
Ci-dessous se trouve une section pour les abonné.e.s, on y trouve notamment:
- Une section supplémentaire illustrée de l'article sur les différences importantes entre les caractéristiques du milieu aquatique et celles du milieu aérien, expliquant les variations drastiques entre les animaux marins et terrestres.
- Les références scientifiques citées dans le texte entre crochets [ ]