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.
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:

1. 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.

Tu as aimé ces illustrations?

Contacte-moi pour qu'on travaille ensemble!

Contact

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 [ ]

Section Bonus

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.

Ainsi, l’eau, molécule tout à fait extraordinaire, est environ soixante fois plus visqueuse que l’air, et huit cent cinquante fois plus dense. Elle est donc moins « pénétrable », mais aussi incompressible. Les sels, en dissolution dans l’eau de mer, développent une pression osmotique qui provoque des contraintes physiologiques bien particulières. Des flux d’eau et de sels s’établissent entre les organismes et l’eau extérieure, selon la loi physique de l’osmose (migrations d’eau du milieu le moins concentré vers le plus concentré à travers une membrane biologique). Pendant très longtemps (et toujours aujourd’hui, des éponges aux arthropodes), les animaux avaient la même pression osmotique dans leurs tissus et dans leur sang que celle que l’on retrouve dans l’eau de mer. Il leur était impossible de sortir de l’océan. Puis, certaines espèces, comme les crustacés, ont évolué pour atteindre une pression osmotique plus faible, la même que celle de l’humain actuellement (302 mOsm.l^-1), leur permettant alors de vivre dans l’eau saumâtre, près des estuaires, puis plus tard en eau douce.

La régulation du métabolisme hydrominéral est essentielle en milieux aquatiques. Mais quelles sont les contraintes de la respiration dans l’eau ? Beaucoup moins riche en oxygène que l’air (un volume d’eau de mer en équilibre avec l’air contient environ 30 fois moins d’oxygène), et subissant des niveaux variables en oxygène, compte tenu des effets de la température et des végétaux photosynthétiques, le milieu aquatique exige une dépense énergétique très importante aux organismes complexes afin d’en extraire l’oxygène. Alors que chez un mammifère, la captation d’oxygène ne coûte que 1 à 2 % de toute l’énergie dépensée, la proportion s’étend à 20 à 40 % chez un respirateur aquatique (hors cellule ou larve, très petits). La surface branchiale ne peut augmenter indéfiniment à cause des désordres hydrominéraux qui se produiraient (perte d’eau en mer par cette branchie, entrée d’eau chez un poisson d’eau douce). La surface branchiale la plus grande se retrouve chez les thons avec environ 1,36 m² par kg de masse corporelle. Elle n’est que de 0,2 m² par kg chez une truite. Il faut aussi tenir compte du facteur écologique abiotique qu’est la température, dont les effets sont aussi liés à la chaleur spécifique de l’eau. La température varie beaucoup moins dans l’eau que dans l’air. En effet, au cours d’une journée, la température de l’air peut fluctuer considérablement tandis que celle de l’eau de la rivière varie moins et celle de la mer encore beaucoup moins !

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.

Références

1. Barbault, R. 2006. Un éléphant dans un jeu de quilles. L’homme dans la biodiversité. Seuil, Science ouverte, 266 pages.
2. Barnosky, A D et al., 2011. Has the Earth’s 6th mass extinction already arrived? Nature, 471, 51-57.
3. Blondel, J, J Aronson, JY Bodiou and G Boeuf. 2010. The Mediterranean Region: biological diversity in space and time. Oxford University Press, 376 p.
4. Boeuf, G. 2007. « Océan et recherche biomédicale », Journal de la Société de biologie, vol. 201 (1), 5-12.
5. Boeuf, G. 2011. Water, a key-molecule for living. Water in metabolism and biodiversity. In « Water, the forgotten biological molecule », ed D Le Bihan and H Fukuyama, pp 343-364. Pan Stanford Publishing, Singapore, pp 343-360.
6. Boeuf, G. 2011. Marine biodiversity characteristics, Comptes Rendus Biologies, Académie des Sciences, vol. 334, n° 5-6, p. 435-440.
7. Boeuf, G. 2012. Qu’est-ce que la biodiversité ? Quels sont les mécanismes de son érosion ? Responsabilité et environnement, Annales de l’Ecole des Mines, 68, 9-14.
8. Boeuf, G. 2014. La Biodiversité, de l’océan à la cité. Fayard/Collège de France, Paris, 88 p.
9. Boeuf, G, B Swynghedauw et J F Toussaint. 2017. L’Homme peut-il accepter ses limites ? Quae Editions, Versailles.
10. Boeuf, G. 2018. Rivages, entre terre et mer, le littoral. Reliefs, 8, 39-43.
11. Butchart, S H M et al., 2010. Global biodiversity: indicators of recent declines. Science, 328, 1164-1168.
12. Cardinale, B J et al., 2012. Biodiversity loss and its impacts on humanity. Nature, 486, pp 59-65.
13. Cartigny,  P. 2015. Origines de l’eau sur Terre. In « L’eau à découvert », CNRS Editions, pp 22-23.
14. Crutzen, P J, and Stoermer, E F 2000. The “Anthropocene”. Global Change Newsletter 41, 12-13.
15. CSPNB, 2007-2012. 3 tomes issus du Conseil Scientifique biodiversité du CSPNB. 2007, 2009 et 2012. La biodiversité à travers des exemples, Ministère de l’Ecologie et du Développement Durable,104,196 et 186 pages.
16. David, B. 2021. A l’aube de la sixième extinction, comment habiter la Terre ? Grasset, Paris, 256 p.
17. De Duve, C. 1995. Vital dust : life as a cosmic imperative. Basic Books, New York, 288 p.
18. De Wever, P et B David. 2015. La biodiversité, de crise en crise. Albin-Michel.
19. Ehrlich, P and Ehrlich, A H. 2013. Can a collapse of global civilization be avoided? Proceedings of the Royal Society, B, 280, 1-9.
20. Ceballos, G, P R. Ehrlich and R Dirzo. 2017. Biological annihilation via the ongoing sixth mass extinction signaled by vertebrate population losses and declines. PNAS, 114 (30) e6089-e6096.
21. Germain, R R et al, 2023. Changes in the functional diversity of modern birds species over the last million years. PNAS, 120 (7) e2201945119.
22. Hallmann, C A.  et al., 2017. More than 75 per- cent decline over 27 years in total flying insects bio- mass in protected areas, PLOS One, 12 (10).
23. Klinger, B A and S J Ryan. 2022. Population distribution within the human climate niche. PLOS Climate1(11): e0000086.
24. Palumbi, S R. 2001. Humans as the world’s greatest evolutionary force. Science, 293, 1786- 1790.
25. Randel, W J 2018. The seasonal fingerprint of climate change. Science, 361, 227-228.
26. Rigal, S. et al., 2023. Farmland practices are driving bird population decline across Europe. PNAS, 120 (21) e22165573120.
27. Steffen, W et al., 2015. Planetary boundaries: guiding human development on a changing planet, Science, 347, 6223, DOI: 10.1126/science.1259255.
28. Toussaint, J F, B Swynghedauw et G Boeuf. 2012. L’Homme peut-il s’adapter à lui-même ?  Eds Quae,  Versailles,
29. Urban, M C et al., 2016, Improving the forecast for biodiversity under climate change, Science, 353, 6504, aad 8466.
30. Vitousek, P M et al., 1997. Human domination of Earth’s ecosystems. Science, 277, 494-499.
31. Withers, P C. 1992. Comparative Animal Physiology. Thomson Learning, Books/Cole.

Liquid Water, a Key Molecule for Life

Preface: In this post, I am exploring a new format in which I illustrate a scientific text that moved me. Here, Gilles Bœuf discusses water, its history on our planet, and its close relationship with biodiversity. The text is sometimes technical, so I have created explanatory diagrams and added a few accompanying notes to make it easier to read.

Text by Gilles Bœuf, Professor Emeritus at Sorbonne University, former President of the French National Museum of Natural History, visiting professor at the Collège de France, and President of CEEBIOS. Adapted with the author’s permission. Some of the more technical passages, along with the scientific references, have been moved to an appendix available to subscribers. Illustrations and additional material by Tometa, licensed under CC BY-SA 4.0.

Note: On a smartphone, the text is easier to read in landscape mode.

Liquid Water, a Key Molecule for Life

The Earth was ideally positioned in relation to the Sun, and its mass and size were suitable, allowing it to retain some of its original water: the conditions were therefore in place for life to emerge. Christian de Duve, winner of the 1974 Nobel Prize in Physiology or Medicine, even wrote in his 1995 book Vital Dust that life could not have failed to appear here.

Water, a molecule we tend to think of as so “ordinary” — far from it! — played a decisive role in the emergence of life. In its liquid form, it is the universal solvent and makes up an essential part of every living cell.

All living organisms contain water in varying proportions, from just a few percent in the driest forms of life, such as plant seeds, to more than 98% in some aquatic organisms. A human baby is about 75% water at birth, while the human brain is more than 80% water.

This highlights the inseparable shared history of biodiversity and water. It also makes clear that living organisms cannot survive without liquid water, and that the climate disruptions we are experiencing today have a direct impact on biodiversity.

Nor should we forget that the collapse of biodiversity, in turn, affects the climate itself. Excessive deforestation or the overfishing of pelagic fish can disrupt local rainfall patterns or alter the ocean’s ability to store CO₂.

A region of land without water rapidly becomes a desert, where life is severely limited. Water “is life.” This can be seen during years strongly affected by the El Niño–Southern Oscillation. In northern Chile’s Atacama Desert, for example, where conditions are extremely arid—with less than 1 mm of rainfall per year—the desierto florido, or “flowering desert,” phenomenon can occur, covering the desert with flowers within just a few days.

This happens after intense rainfall and is followed by the appearance of a host of insects and birds. The spectacle lasts for a few weeks in October before the region returns to around ten years of complete drought.

Although water forms only a very thin layer on the Earth’s surface, it clearly affects the physical properties of the mantle, including the melting temperature and viscosity of rocks. The Earth’s crust, formed through accretion along mid-ocean ridges, becomes hydrated through contact with seawater. In subduction zones, however, these hydrated rocks are subjected to such high pressures and temperatures that new metamorphic minerals form, releasing water in the process. Without this massive return of water to the ocean, the oceans would disappear in less than 100 million years!

Tom’s note: There are quite a few technical terms here! Gilles is actually referring to the Earth’s second water cycle.

The water cycle we are most familiar with—the “atmospheric” or solar-driven cycle—takes place at the surface and involves:
(1) evaporation and transpiration,
(2) condensation and precipitation, and
(3) runoff and groundwater flow.

But beneath the ocean, another cycle takes place: the “deep” or magmatic water cycle. It involves:
(A) the formation and hydration of the oceanic crust,
(B) its movement deep into the Earth through subduction, where water is released from the rock and mixes with magma, and
(C) the magma rising back toward the surface and releasing water during volcanic eruptions.

The Past

Hydrogen isotope ratios suggest that a significant amount of water was delivered to Earth by carbonaceous chondrite meteorites during the first 700 million years of the planet’s existence [13].

Tom’s note: In other words, water probably appeared on Earth relatively soon after the planet formed 4.5 billion years ago, particularly during a prolonged period of bombardment by the “carbonaceous chondrite” meteorites mentioned by Gilles, which could contain up to 20% water. These meteorites also contain certain amino acids—the small molecules that are now among the fundamental building blocks of life.

The origins of life can be traced back approximately 3.9 billion years, emerging from an earlier prebiotic chemistry subjected to repeated cycles of dry and wet conditions. However, we still know little about the types of atmospheres that existed at the time.

What is clear is that the first emerging living cell—a prokaryote—already had a membrane separating a hydrated, liquid internal environment from an equally hydrated, liquid external environment, with continuous exchanges taking place between the two.

In these ancient seas, several essential events occurred that would have a decisive impact on the future of life:

Following the emergence of the plasma membrane (A) and photosynthesis (B), the nuclear membrane appeared within the cell (C), forming a distinct nucleus. This marked the transition from prokaryotic bacteria to larger eukaryotic cells—eukaryotes and protists—around 2.5 billion years ago.

Multicellular eukaryotic organisms emerged around 2.2 billion years ago (D).

Free-living cyanobacteria were then engulfed and incorporated into eukaryotic cells, eventually becoming mitochondria around 2 billion years ago (E), and plastids—essential for photosynthesis—around 1.4 billion years ago (G) [5].

The final fundamental event was the emergence of sexual reproduction in bacteria around 1.5 billion years ago (F), an extraordinary biological system for generating biodiversity and greatly increasing organisms’ capacity to adapt and evolve.

Complex, organized life as we know it today appeared toward the end of the Precambrian, around 550 million years ago (H) [18].

On our planet, life emerged from the ocean several times—in different places, in different forms, and at different periods: around one billion years ago for cyanobacteria, and around 450 million years ago for plants and animals.

These organisms had to adapt to life in the open air and in freshwater, confronting environments with very different physical characteristics.

When life left the ocean, it had to adapt to breathing in air [6]. Terrestrial animals replaced gills with highly efficient lungs suited to an environment rich in oxygen. Major physiological functions, such as osmoregulation and excretion, also began to take place outside water. Retaining water therefore became vital.

The buoyant force described by Archimedes, so important in aquatic environments, was no longer present, and both internal and external skeletons underwent major changes. Although they became stronger, these skeletons could never support animals as large and heavy as marine species, particularly modern whales.

For physiologists, the distinction between aquatic and air-breathing animals remains fundamental today.

Most animal phyla—all of which originated there—evolved in the ocean. As they moved closer to shore and onto beaches, they encountered particularly demanding environments, often bordering on extreme conditions.

Consider a small goby fish [10]. Over the course of a single tidal cycle, it may experience, at high tide, fairly typical coastal ocean conditions: a relatively stable temperature of around 15°C, high salinity—about 1,050 mOsm/L—a stable, slightly alkaline pH of around 8, and steady oxygen levels.

At low tide, however, the fish may become trapped in a small pool on the beach, heavily diluted by a trickle of freshwater, with an osmolarity of only around 250 mOsm/L. The pool may be much warmer—up to 25°C in the afternoon—while its pH can fall from 8 to 6. Oxygen levels may become much higher because of oxygen production by microalgae and macroalgae.

Yet very early in the morning, oxygen levels can drop to zero, as these primary producers consume much more oxygen through respiration while producing far less of it. And all of this can happen twice a day.

The marine environment has provided humanity with extraordinary biological resources [4, 6].

All these evolutionary developments took place along the coast, making this environment the setting for an unprecedented biological revolution. It was along these same coastlines that humans would later settle and from which they would set out on their “great voyages of discovery.”

The Collapse of Biodiversity

Humans gave themselves the name Homo sapiens—“wise man”—through Carl Linnaeus in 1758, while other species were assigned names such as ferox, horribilis, atrox, horridus, and gulo. Yet humans often consider themselves “superior” to the rest of nature—to other species, ecosystems, and life itself—and somehow separate from ecological realities.

In fact, the human body is made up largely of water, salts, and bacteria. How, then, could we imagine for even a moment that we can do without biodiversity, which is still so abundant on our planet but has been declining sharply over the past few centuries and decades?

There is no humanity on one side and nature on the other. There are humans—eight billion of us today—deeply and inseparably embedded in nature and in this extraordinary biological network [8].

Tom’s note: Did you know that petroleum is the raw material used to make most of the plastics consumed by modern humans? This is why we speak of “petrochemicals” or “petroleum-based” products, including all forms of PE, PVC, and PP, as well as synthetic fibres such as nylon and polyester.
More importantly, did you know that petroleum is actually made from the remains of ancient living organisms? After they died, the organic matter from which they were made settled on the ocean floor and underwent pyrolysis deep underground over tens or even hundreds of millions of years.
Your sunglasses may therefore contain carbon atoms that once belonged to a primitive fern living in the age of the dinosaurs!

The word “biodiversity,” a contraction of “biological diversity,” was coined in 1985. The term is often equated with species diversity, meaning all the living species found in a particular environment: bacteria, protists—single-celled organisms—fungi, plants, and animals.

However, biodiversity encompasses far more than species diversity alone. It includes both the species themselves and their relative abundance. In practice, the species is a convenient concept, as it can be treated as a kind of identifiable and countable “unit of currency” [3].

Today, however, biodiversity is understood very differently. It cannot under any circumstances be reduced to inventories or catalogues of species. Biodiversity has been defined as “all the genetic information contained within an individual, a species, a population, or an ecosystem.” More recently, we have sought to describe it as the totality of all the relationships established among living organisms, and between those organisms and their environment.

It is, in fact, the living component of nature.

For billions and hundreds of millions of years, all living organisms evolved under pressure from both abiotic environmental factors—such as water and air temperature, their composition, ocean salinity, light, day length, and seasonal cycles—and biotic factors, meaning those related to living organisms, such as food, its composition and availability, competition, and interactions between species. Oxygen availability is both an abiotic and a biotic factor.

Since the beginning of a recent period known as the “Anthropocene,” however, the greatest evolutionary force on the planet appears to be the presence of humans and the many activities associated with them, including the spread of domesticated plants and animals [30, 24, 14, 2, 19].

Tom’s note: Here, Gilles explains that, in the modern era, the factors determining whether a species survives are increasingly linked to human activities. In the past, these pressures were more “natural” and, in a sense, beyond our control—such as the meteorite that contributed to the extinction of the dinosaurs.
Today, human activity exerts significant selective pressure on many species, leading to recent and directly observable evolutionary changes. Here are two striking examples:
- The selective harvesting of large fish has driven some species to evolve toward smaller body sizes and earlier maturation. Atlantic cod (Gadus morhua), for example, along with other commercially exploited species, has shown a tendency to reach sexual maturity earlier and often at a smaller size, increasing the likelihood of reproducing before being caught.
- The widespread use of pesticides has led to the emergence of many pesticide-resistant insect populations. Mosquitoes, including those that transmit malaria, and aphids, for example, have evolved resistance to commonly used pesticides. Such resistance can arise within only a few generations, illustrating how rapidly evolution can occur in response to human-driven selective pressures.

Linnaeus, the father of “binomial” taxonomy—the system in which each species is given a two-part Latin name consisting of its genus and species—had identified around 12,000 living plant and animal species by the middle of the eighteenth century.

Today, in the early twenty-first century, just over two million species have been recorded, described, and catalogued in museums. Yet we know that this figure is still far from complete.

Between 16,000 and 18,000 species that are new to science are currently described each year, around 10% of them from marine environments. But who knows how many species actually exist today? How much longer would it take us to describe them all—800 to 1,000 years? Will we even have that much time?

It is estimated that the species living today represent only between 1.5% and 2% of all the species that have inhabited the planet since life first appeared [18].

Tom’s note: These figures are staggering. To put them into perspective, I created the diagram below. It shows how biodiversity has changed through geological time, along with the major periods of mass extinction and their principal causes. In reality, these events were always multifactorial, resulting from a combination of geological, climatic, and biological factors.

If I represent all the species that have ever existed on Earth in a single diagram, it would look something like the one below. I divide it into four quadrants according to two criteria: whether the species are extinct or still living (AB versus BC), and whether they have been identified and catalogued by humans or remain unknown to us (AC versus BD). The relative sizes shown are purely illustrative, as the actual figures are unknown.

A — Species currently living on Earth and already documented, such as Crocodylus palustris, described by Lesson in 1831.
B — Species currently living on Earth but not yet documented, such as this imaginary star-shaped spider, which may already disappear because of climate change before we ever have the chance to give it a name.
C — Extinct species that have been documented, often thanks to fossils, such as the trilobite Paradoxides paradoxissimus, described by Wahlenberg in 1818. Our entire understanding of the history of life is based on these few surviving traces.
D — Extinct species that were never documented, for example because they left no fossil record, such as this imaginary star-shaped jellyfish whose existence we will never be able to prove.
I do not know about you, but I find it dizzying to think that everything we know about life represents only a tiny fraction of all the species that have ever appeared on Earth.
And, in a final twist, many of those species that disappeared without ever being known are now being burned by humans in the form of fossil fuels, contributing to the sixth mass extinction.

The current collapse of biodiversity has four major causes [7, 8]:

The destruction and pollution of habitats, which alone account for two-thirds of the decline.

The overexploitation of natural resources. Living resources are naturally “renewable,” but humans are preventing them from renewing themselves by exceeding the thresholds of sustainable exploitation by a very wide margin.

The uncontrolled spread of species across the planet—a form of “ecological roulette”—with some of them becoming invasive.

The accelerating pace of climate change [1, 15, 8, 27, 29, 25], for which humans bear a significant share of responsibility.

Very recent studies on birds [21, 26] and insects [22] are striking, and sometimes even deeply discouraging. When will we finally take action [23]?

Conclusion

Humans cannot live without water or biodiversity. Everything we eat and all the organisms with which we cooperate are biological. The human body is approximately 75% water at birth and around two-thirds water later in life. We carry roughly as many bacterial cells in and on our bodies as human cells. We share one-third of our protein-coding genes with phytoplankton, two-thirds with a fly, and 98% with a chimpanzee.

Every morning, when we wake up in bed, we are surrounded by between one and two million dust mites—and they are there because we slept there.

We are completely immersed in biodiversity. An extreme example of the opposite situation—entirely created by humans—can be found in hospital-acquired infections. In an excessively “clean” hospital room, a single species of bacterium may proliferate, become resistant to every antibiotic, and prove deadly.

Our profound need for biodiversity is essential. What would economic activities such as tourism, gastronomy, or the luxury industry in France become without the preservation of flourishing biodiversity? All of them depend upon it.

We came from water and from the living world. We belong to them, and we have no future without them. Every time we attack the living world, we attack ourselves. That is hardly intelligent behaviour for a species that gave itself the name sapiens.

When will we be ready to adapt to ourselves [28] and accept our limits [9]? Let us abandon the short-sightedness, arrogance, and greed that have brought us to today’s deeply unjust and alarming social, societal, and geopolitical situation. We must finally move from faber—the maker—to sapiens—the wise—and do so quickly.

The living world is almost four billion years old. It developed from the first cells that appeared in the ancestral ocean. It has endured the worst crises imaginable and has always survived. To do so, it has had to adapt continuously to changing external conditions.

But adaptation requires change—and we are still failing to change. When will we overcome this “disaster myopia”?

Too much consumerism, not enough restraint: we must constantly remind ourselves that we are fundamentally made of water, salts, and cells.

The COVID-19 coronavirus reminds us of this. With its 15 genes—compared with our approximately 22,000—will it lead to a beneficial collective wake-up call? That remains far from certain.

Tom’s note: How do you feel at the end of this text? Perhaps you feel sad, angry, or even ashamed. These emotions are normal and welcome—and you are not alone in feeling them. Perhaps you also feel joyful because you have learned something new. Who knows—maybe your perspective on the living world has changed a little as well. I certainly learned an enormous amount through this project.