Les Océans

Bases

Le plancton végétal et les nutriments dans les océans

Le plancton végétal est appelé phytoplancton (phyto = plante, planktos = errer). Ce sont des plantes constituées d'une seule cellule, qui vivent dans les eaux de surface des océans. La plupart de ces cellules végétales dérivent simplement, avec l'eau des océans, mais certaines peuvent se déplacer un petit peu toutes seules. Elles utilisent de la lumière du soleil, du dioxyde de carbone (CO₂) et de l'eau, pour produire de la matière qu'elles mangent ou qui leur sert à se construire: c'est la photosynthèse. Par ce processus, elles fabriquent de l'oxygène, qui est nécessaire aux animaux pour vivre sur la planète. Le phytoplankton absorbe autant de dioxyde de carbone que les plantes qui sont sur la terre, et permet ainsi de réguler notre climat.

1. Dans le processus de photosynthèse, la chlorophylle, qui est le colorant vert des plantes, capte l'énergie du soleil.  Comme le plancton végétal a  besoin du soleil,  cette photosynthèse ne peut avoir lieu que dans la couche de surface de l'océan.  Au large, cette couche où vit le plancton fait environ 100 mètres d'épaisseur, alors que les océans peuvent faire plus de 3000 mètres de profondeur.  Dans la plante, une partie de l'énergie du soleil sert à "casser" les molécules de l'eau, pour former de l'oxygène et de l'hydrogène.  L'oxygène n'est pas nécessaire à la plante, il est donc relargué par la cellule.  L'hydrogène issu de cette "cassure", lui,  réagit avec du dioxyde de carbone et permet, en se servant encore de l'énergie du soleil, de former des molécules simples, comme par exemple le glucose.  Ces molécules servent ensuite à construire d'autres composés.  Auteur: Lucinda Spokes.

Pour se développer, le plancton végétal a aussi besoin d'aliments, appelés nutriments. Il a besoin de plein d'éléments chimiques différents, mais l'azote et le phosphore sont cruciaux : ils sont nécessaires en grande quantité, mais par contre leurs concentrations dans l'eau de mer sont relativement basses. L'azote et le phosphore sont comme les engrais que nous apportons aux plantes sur la terre. Dans le plancton, ils servent à fabriquer des protéines, des acides nucléiques et plein d'autres cellules, dont le phytoplancton a besoin pour survivre et se reproduire. Le plancton végétal a besoin de ces nutriments en proportions bien définies: lorsqu'il fabrique de la matière en transformant 106 atomes de carbone,  il a besoin d'exactement 16 atomes d'azote et d'1 atome de phosphore. La majorité des cellules de plancton ne peuvent pas prendre l'azote qui est dans l'air (N₂); pour avoir de l'azote, elles doivent donc se servir d'autres molécules qui en contiennent, comme le nitrate (NO₃^-) ou l'ammonium(NH₄⁺). Le plancton se sert donc de dioxyde de carbone, qui existe en quantité toujours suffisante, d'azote sous ces formes, et de phosphore. Le phytoplancton se développe jusqu'à ce qu'il ait utilisé tout l'azote ou tout le phosphore disponible. Dans la majeure partie des océans, c'est l'azote qui s'épuise d'abord et on dit que le développement du plancton est limité par l'azote. A l'est de la mer Méditerranée, c'est le phosphore qui est en quantité limitée,  et le phytoplancton stoppe son développement quand il a épuisé tout le phosphore, même s'il y a encore de l'azote disponible dans l'eau.

Sources de nutriments

Les nutriments proviennent naturellement de l'érosion des roches et de la conversion de l'azote de l'air (N₂) en des formes biologiquement utilisables. Mais les activités humaines ont énormément ajouté de ces nutriments dans l'eau de mer. 

Le phosphore

Les principales sources humaines de phosphore sont les détergents et les eaux d'égouts. L'amélioration des techniques de traitement des eaux usées et l'utilisation de détergents sans phosphates ont permis de limiter aujourd'hui les apports de phosphore dans les fleuves et les mers.

L'azote

La présence de composés azotés dans les rivières est principalement due à l'agriculture intensive, de part l'utilisation excessive d'engrais contenant du nitrate (NO₃^-) et le labourage de la terre. Le nitrate et l'ammonium sont aussi présents dans l'atmosphère. Le nitrate vient des moteurs des véhicules, et de la production d'électricité. L'ammonium (NH₄⁺) vient du stockage et de l'épandage du fumier. Ces deux composés atmosphériques passent dans les fleuves et dans les océans comme gaz, comme petites particules ou à cause de la pluie.

Silicium

Le silicium est un autrenutriment important; il provient de l'érosion des roches. Certaines sortes de plancton végétal, les diatomées, l'utilisent pour fabriquer leurs coquilles, et leur développement est stoppé lorsque le silicium vient à manquer.

Si les quantités d'azote ou de phosphore s'épuisent, le plancton arrête de se développer. Par contre, le manque de silicium ne l'empêche pas de croître, mais ce ne sont pas les mêmes espèces qui se développeront.

Métaux en trace

Le phytoplancton a besoin également d'un tout petit peu de métaux, tels que le fer, le cuivre, le zinc et le cobalt. Dans de larges régions des océans, il n'y a pas assez de fer pour que le phytoplancton se développe. Ceci a des conséquences importantes pour le climat et nous en parlerons dans la partie Plus.

Reminéralisation

Le phytoplancton se développe très rapidement, et ne vit qu'un seul jour environ. Quand il meurt, il est mangé par les bactéries ou le zooplankton (qui est du plancton animal, c'est à dire des animaux minuscules), qui convertissent leur matière de nouveau en dioxyde de carbone, qui libèrent dans l'eau les nutriments que le phytoplancton avait consommé, et qui utilisent de l'oxygène. Ce processus est appelé reminéralisation et lui a lieu principalement dans les eaux de surface. Le dioxyde de carbone repasse dans l'air ou bien est réutilisé, avec les nutriments libérés par le plancton végétal mort, dans la photosynthèse. Si tout se passe comme cela, il n'y a aucun changement des niveaux atmosphériques de dioxyde de carbone: ce CO₂ est consommé par le plancton végétal, libéré quand ce dernier est mangé par le plancton animal, et il va resservir pour d'autres cellules de plancton végétal, qui vont mourir à leur tour, etc.... C'est un cycle continu.

Cependant, si le phytoplancton, qui vit en surface, meurt et coule au fond des océans plutôt que d'être mangé tout de suite, cette reminéralisation peut avoir lieu dans l'océan profond; dans ce cas les nutriments et le dioxyde de carbone sont stockés au fond de l'océan, et le dioxyde de carbone ne peut pas retourner à l'atmosphère. Ceci fait baisser les niveaux de dioxyde de carbone dans les eaux de surface, ce qui permet à plus de dioxyde de carbone de l'air de passer dans l'eau (plus la différence entre les niveaux dans l'eau et dans l'air est grande, et plus le gaz va passer là où il y en a moins); par ce moyen naturel, les concentrations atmosphériques de dioxyde de carbone, qui est un gaz à effet de serre puissant, sont réduites.

Le dioxyde de carbone  ne retourne dans l'air que quand la circulation océanique fait remonter l'eau profonde en surface, ce qui prend environ 1000 ans. C'est le processus de pompe biologique, qui est expliqué en détail dans la partie Bases, "l'eau".

Environ 15% du carbone qui sert dans la photosynthèse du plancton végétal est stocké dans l'océan profond. Une très petite part tombe finalement sur le fond pour devenir des sédiments. Une autre petite partie devient par la suite du pétrole ou du charbon. En brûlant les combustibles fossiles, nous libérons ce carbone stocké, environ un million de fois plus vite que lors des cycles biologiques normaux. Les forêts et le phytoplancton ne peuvent pas suivre le rythme et prendre le dioxyde de carbone aussi rapidement que nous l'émettons, et les niveaux atmosphériques de dioxyde de carbone ont donc nettement augmenté ces dernières décennies.

A propos de cette page:

auteur: Lucinda Spokes - Environmental Sciences, University of East Anglia, Norwich - U.K.
relecteurs scientifiques: Prof. Tim Jickells - Environmental Sciences, University of East Anglia, Norwich - U.K. et Dr. Keith Weston - Environmental Sciences, University of East Anglia, Norwich - U.K.
dernière version : 2003-10.16