BIOSPHÈRE

BIOSPHÈRE

L’idée de biosphère, ensemble des êtres vivants qui peuplent notre planète, remonte à J.-B. Lamarck. C’est ensuite le géologue autrichien Suess qui, en 1875, a mis en parallèle le terme de biosphère avec ceux d’hydrosphère, d’atmosphère et de lithosphère. Il étendait en fait le concept à tout ce qui constituait ou avait constitué le monde vivant, en y incluant donc aussi, par exemple, les gisements de charbon et les roches calcaires des récifs coralliens fossiles. Une acception plus dynamique du terme a été adoptée plus tard par le géochimiste russe Vladimir Ivanovitch Vernadsky (1929): il considère dans la biosphère, outre les êtres vivants eux-mêmes, les éléments du milieu au sein duquel se déroulent les échanges d’énergie et de matière qui permettent et caractérisent leur fonctionnement. Vue sous cet angle fonctionnel qui prend en considération les interactions des êtres vivants avec les composantes physico-chimiques du milieu, la biosphère est un gigantesque système formé par l’ensemble des écosystèmes (et non pas seulement des biocénoses) du globe. Mieux vaudrait-il sans doute parler alors d’écosphère, et nous renvoyons le lecteur à l’article qui traite de ce sujet.

La biosphère stricto sensu, c’est-à-dire l’ensemble des êtres vivants, végétaux, animaux et micro-organismes, ne représente quantitativement qu’une masse insignifiante à l’échelle de la planète, puisque trois cents fois plus petite que celle de l’atmosphère et soixante-dix mille fois plus petite que celle de l’hydrosphère. Par sa composition comme par son activité chimique, elle offre en revanche une originalité exceptionnelle.

1. Composition et structure de la biosphère

Composition chimique

Les éléments chimiques qui sont présents dans la biosphère, c’est-à-dire qui constituent la matière des êtres vivants, sont nombreux, mais leur importance quantitative est très variable. Le carbone est l’élément de base de la matière organique, qui renferme aussi en quantités non négligeables de l’azote, du phosphore et, dans une moindre mesure, du soufre et du fer. L’abondance de l’oxygène et de l’hydrogène est liée à la forte proportion d’eau qui constitue les êtres vivants. Divers sels minéraux comme des chlorures, des bicarbonates et des phosphates de sodium, de potassium, de calcium et de magnésium, tous solubles dans l’eau, jouent un rôle important dans la physiologie des organismes. D’autres éléments sont présents, mais en quantités le plus souvent très faibles, comme le bore, l’aluminium, le cuivre, le zinc, le silicium, le gallium, le molybdène, le manganèse, le cobalt et l’iode (cf. figure).

Plus encore que les proportions relatives différentes des divers atomes, c’est la complexité de ses molécules qui fait l’originalité chimique majeure de la matière vivante; c’est pourquoi leur étude constitue un domaine à part de la chimie: la chimie organique. Cette complexité, déjà présente dans des molécules encore relativement petites comme l’urée, les sucres, les acides aminés, les acides gras, se retrouve très accentuée dans d’autres molécules plus grandes, notamment celles des divers polymères glucidiques et protidiques, celles des lipides, et surtout dans les macromolécules énormes comme celles de l’acide désoxyribonucléique (ADN).

Par-delà l’extrême diversité de détail de ces molécules, le fait remarquable est leur appartenance à des ensembles bien définis qui se retrouvent dans tous les groupes d’êtres vivants. Les acides aminés qui constituent les protéines, par exemple, y sont toujours les mêmes, au nombre de 21, mais associés selon un nombre immense de modalités. Chez tous les organismes, ce sont des molécules d’ARN et d’ADN qui permettent la transmission héréditaire des caractères, et l’on retrouve des similitudes non moins remarquables dans les systèmes enzymatiques.

On peut dire que la présence constante de ces types de molécules chez tous les êtres vivants découle de leur commune origine. L’évolution biologique a en effet conservé et amplifié à travers les avatars de la paléobiogenèse un patrimoine moléculaire fondamental qui reste aujourd’hui celui de tout être vivant.

Diversité morphologique et fonctionnelle des êtres vivants

Peu variés en ce qui concerne leur composition chimique fondamentale, les êtres vivants présentent une diversité morphologique considérable. Cette diversité n’affecte pas seulement les détails – il existe plusieurs millions d’espèces animales et végétales –, elle est plus encore marquée par une différenciation profonde de nombreux types structuraux (les diverses classes et embranchements). Une telle multiplicité des types d’êtres vivants est le résultat de l’évolution biologique qui se déroule sur notre planète. C’est le flux ininterrompu d’énergie arrivant à la surface de la terre depuis des milliards d’années qui a fait naître, puis a modelé et diversifié peu à peu la biosphère, permettant l’accumulation d’une quantité d’information sans cesse croissante transmise de génération en génération par le système des molécules d’ADN. La biosphère telle qu’elle nous apparaît aujourd’hui est le résultat d’un nombre immense de transformations, et chaque espèce actuellement présente a une très longue histoire qui remonte à l’apparition de la vie sur la Terre.

De cette évolution, la paléontologie permet, grâce aux fossiles, de reconstituer les modalités. Le mécanisme même de ces changements ininterrompus, lui-même de mieux en mieux connu, fait apparaître le rôle directeur essentiel que jouent, par l’intermédiaire des mutations, de la recombinaison génétique et de la sélection, les facteurs du milieu ^{[cf. PALÉOGÉOGRAPHIE]}. Comme rien ne permet de penser que les mêmes mécanismes ne jouent pas depuis qu’existent des organismes plus ou moins semblables aux organismes actuels (quelques centaines de millions d’années), on comprend que les modifications importantes qui ont affecté continuellement les climats de la planète et leur répartition à sa surface aient déterminé et orienté de continuelles transformations de l’ensemble des flores et des faunes.

Il est non moins certain que des conditions de milieu fondamentalement différentes ont caractérisé les premières étapes du refroidissement du globe terrestre. Elles ont fait naître des formes de vie totalement différentes des formes actuelles et dont il est difficile d’imaginer avec précision les structures et les modes de fonctionnement. Aussi les origines de la biosphère et les premières centaines de millions d’années de son histoire n’autorisent-elles que des hypothèses assez hasardeuses et fort imprécises. La «soupe primitive» de molécules encore très simples formées grâce à la catalyse par les rayons ultraviolets a permis sans doute l’apparition d’une «vie primordiale», nécessairement hétérotrophe et anaérobie puisqu’il n’existait pas encore d’oxygène atmosphérique, mais dont rien ne permet de connaître la structure.

Bien des étapes ont évidemment été nécessaires ensuite pour arriver aux formes vivantes, même les plus primitives comme les archéobactéries étudiées par Carl Woese. Des activités diverses se sont alors développées dans des groupes bactériens multiples, activités chimio-autotrophiques d’abord puis photo-autotrophiques. De l’apparition de ces dernières date, avec le dégagement d’oxygène qui accompagne la photosynthèse, la formation d’une atmosphère qui a permis l’installation de la vie aérobie, tant animale que végétale.

Les ultimes étapes ont été liées à l’adaptation de certains organismes à une vie non aquatique, conduisant au peuplement des terres émergées et à la constitution d’une biosphère semblable à la biosphère actuelle.

Hétérogénéité spatiale de la biosphère

En moyenne règnent actuellement sur la planète Terre des conditions dites biotiques qui font de notre planète un cas unique dans le système solaire. La Terre possède toutefois, par rapport au Soleil qui lui dispense son rayonnement, source de toute vie, une dynamique qui détermine à sa surface une hétérogénéité spatiale et temporelle des facteurs ambiants. De fait, indépendamment de la rotation autour de l’axe de ses pôles qui est à l’origine du rythme quotidien des jours et des nuits, l’angle que fait cet axe avec le plan dans lequel elle tourne autour du Soleil provoque au cours de l’année des variations saisonnières. À ces situations variables dans le temps en chaque point du globe s’ajoutent des différences que crée la latitude par l’inclinaison de la surface du sol par rapport à la direction du Soleil. Ces variations et ces différences, qui affectent en premier lieu le rayonnement solaire reçu, se manifestent également sur les températures, les précipitations, l’humidité de l’air, les vents. Autrement dit, les diverses régions du globe sont soumises à des climats qui diffèrent tout à la fois par les moyennes et par les fluctuations des principaux facteurs du milieu.

En fonction de la zonation géographique des facteurs physiques et chimiques des grands milieux naturels et, par-delà des différences taxinomiques parfois importantes, on retrouve en des lieux éloignés soumis à des conditions semblables des unités de même type, que l’on regroupe sous le nom de biomes. On peut citer ainsi, parmi les principaux biomes terrestres ^{[cf. BIOGÉOGRAPHIE]}: la forêt tropicale, la forêt décidue tempérée, décidue ou à conifères, la forêt sclérophylle, les savanes tropicales, la toundra, la steppe, le désert chaud, la croûte de lichens et de mousses, auxquels il faut ajouter les différents biomes aquatiques dulçaquicoles ou marins. Duvigneaud (1980) regroupe ces biomes en un nombre plus limité de grands ensembles: silva , saltus , ager , toundra desertus , marais, eaux douces pour les formations continentales, et océans, zones côtières et estuaires, zones d’upwelling pour les formations marines.

L’homogénéité d’aspect des biocénoses qui constituent un biome ne doit pas faire oublier les différences taxinomiques qui les distinguent. Nées de l’éloignement des diverses régions du globe et de leur séparation par des obstacles parfois insurmontables durant de longues durées, ces différences ont conduit à l’individualisation de grandes régions – ou empires – biogéographiques subdivisées à leur tour en provinces, secteurs, districts de moindre superficie et de moindre originalité ^{[cf. RÉPARTITION DES FLORES ET DES FAUNES]}.

Cette diversité régionale, considérablement accrue par les phénomènes d’isolement – îles, lacs, bassins fluviaux, sommets montagneux... –, explique le très grand nombre – plusieurs millions – d’espèces animales et végétales qui peuplent le globe alors que dans un milieu donné, un écosystème, n’en coexistent que quelques centaines ou au maximum quelques milliers.

2. Le fonctionnement de la biosphère

Le fonctionnement de la biosphère est la résultante du fonctionnement de tous les êtres vivants qui la composent, et il se manifeste par des transferts continuels de matière et d’énergie entre le milieu physico-chimique ambiant et les organismes d’une part, entre les organismes d’autre part. Ces transferts correspondent à quelques grands mécanismes qui caractérisent divers groupes fonctionnels entre lesquels se répartissent les êtres vivants.

La structure fonctionnelle de la biosphère

Grâce à l’énergie lumineuse venue du Soleil, l’anhydride carbonique C², en se combinant avec l’eau (H²O), donne naissance à des précurseurs organiques à partir desquels s’élaborent, avec l’apport de divers sels minéraux (et notamment de nitrates et de phosphates), toutes les molécules complexes qui constituent la matière vivante. On a donné le nom de producteurs à l’ensemble des végétaux chlorophylliens qui assurent cette «matérialisation» de l’énergie du rayonnement solaire en l’énergie chimique de substances organiques. Les autres êtres vivants – animaux, végétaux sans chlorophylle, bactéries – ne sont que des transformateurs de cette matière organique qu’ils ingèrent à leur profit et utilisent à la faveur des réactions couplées de leur métabolisme. Ce sont des consommateurs , parmi lesquels on a dinstingué des herbivores consommateurs de végétaux, des carnivores consommateurs d’autres animaux. On réserve souvent le nom de décomposeurs aux micro-organismes; quantitativement, leur rôle est prédominant dans le fonctionnement, mais il n’est en fait pas fondamentalement différent de celui des autres consommateurs.

On retrouve ce schéma fonctionnel dans tous les écosystèmes et c’est à leur échelle seule que peut être conduite l’étude du fonctionnement de la biosphère. De fait, à l’hétérogénéité de structure que traduit l’existence de biomes différents à la surface du globe répond évidemment une diversité du fonctionnement et en particulier de la production végétale.

Production primaire et flux d’énergie

Malgré l’incertitude de résultats encore très préliminaires, on peut avec Duvigneaud (1980) établir le tableau des superficies occupées par chaque grand type de milieu, de leur production primaire moyenne par hectare et de leur production à l’échelle du globe, d’une part en tonnes de matière organique (sèche), d’autre part en kilocalories (cf. tableau).

L’ensemble des formations végétales photosynthétiques de la biosphère conduisent à une production totale de 180,6 憐 10⁹ de matière organique (poids sec) – soit encore 85,6 憐 10¹⁶ kcal –, dont 138,8 憐 10⁹ t pour les formations continentales et 41,8 憐 10⁹ t pour les formations marines. On trouvera par ailleurs ^{[cf. ÉCOSYSTÈMES]} une estimation plus détaillée des productions et des biomasses des divers écosystèmes continentaux.

De ces productions on a tenté de présenter la répartition géographique en se fondant sur des relations avec les données climatiques et, d’autre part, sur des études ponctuelles en divers points du globe (cf. carte). Il apparaît que les terres sont en moyenne plus productives que les océans et que leur productivité diminue, plus ou moins régulièrement, de l’équateur vers les pôles, les zones d’égale productivité correspondant sensiblement aux grandes zones de végétation. Dans les océans, le gradient de productivité est au contraire pratiquement inversé, les mers froides étant les productives par suite des mouvements ascendants de l’eau qui ramènent en surface les nitrates et les phosphates dissous. Ce phénomène se produit aussi dans certains secteurs des zones tropicales (zones d’upwelling).

Des estimations quelque peu différentes de la production végétale du globe ont été publiées, traduisant la marge d’incertitude qui persiste dans ce domaine, mais les valeurs présentées restent bien moins incertaines que celles que l’on pourrait donner de la production du monde animal. Disons seulement que, compte tenu de ce que l’on sait des écosystèmes terrestres, la part de matière organique métabolisée par les bactéries est bien supérieure à celle qui est utilisée par les animaux eux-mêmes: dans presque tous, les micro-organismes minéralisent en effet plus de 80 p. 100 de la production végétale initiale, alors que la production animale ne représente sans doute que moins de 2 p. 100.

Les cycles biogéochimiques

Les flux d’énergie qui traversent la biosphère ont pour support, après le rayonnement solaire, la matière organique des êtres vivants et de leurs aliments. Les principaux éléments chimiques qui la constituent – carbone, azote, phosphore, oxygène, hydrogène – peuvent être suivis et dosés dans le milieu ambiant, en dehors des organismes vivants. Ainsi peuvent être définis ce que l’on appelle des cycles biogéochimiques et par là précisées, à la fois qualitativement et quantitativement, les modalités du fonctionnement de la biosphère comme celles de tout écosystème considéré isolément (cf. cycles BIOGÉOCHIMIQUES).

La quantification des cycles biogéochimiques présente en outre l’intérêt de faire ressortir l’importance relative de la matière vivante présente sur la planète et des réserves qui existent, pour tel ou tel de ses constituants, dans le reste du globe.

Ajoutons que ces divers cycles présentent des interférences qui lient les taux de renouvellement caractérisant chaque élément. C’est par ailleurs l’équilibre entre la production, d’une part, l’ensemble de la consommation et de la décomposition, d’autre part, qui règle le fonctionnement des écosystèmes et, par eux, de la biosphère. Lorsqu’il y a surconsommation se produit un appauvrissement, voire une désertification du milieu; lorsqu’il y a surproduction se produit au contraire un phénomène de fossilisation.

3. L’homme, maître de la biosphère?

L’homme a développé depuis plusieurs millénaires, mais de façon accélérée depuis quelques décennies, des techniques d’une efficacité telle qu’elles arrivent à perturber le milieu environnant à des échelles qui atteignent maintenant celle de la planète entière.

L’accroissement continu de la teneur en anhydride carbonique par exemple, en rapport sans doute avec l’oxydation des combustibles fossiles, n’a pour le moment aucun effet funeste, contribuant même à accroître le rendement de la photosynthèse. Certains craignent toutefois qu’il ne détermine, par un effet «de serre», une élévation de la température moyenne du globe qui entraînerait une fonte des glaciers et par là une submersion de nombreux territoires de basse altitude.

Plus directes sont les menaces qui pèsent sur la biosphère du fait de la synthèse industrielle de molécules toxiques. Encore plus inquiétant apparaît à beaucoup la multiplication des produits radioactifs à usage civil et surtout à usage militaire. Le pouvoir destructeur des armes atomiques accumulées à la fin du XX^e siècle est tel qu’il ne laisserait que peu de chances de survie à l’humanité, non plus sans doute qu’à la plupart des autres êtres vivants, à l’exception peut-être de bactéries bien protégées au sein de milieux spéciaux. Ainsi se trouverait modifié en un instant le cours de l’évolution des organismes. Même l’emploi d’une partie seulement de ces armes atomiques entraînerait des perturbations considérables de la vie sur notre planète, ce qu’on a appelé l’«hiver nucléaire».

De ces dangers que les diverses pollutions font courir à l’existence même de la vie ou au moins à celle des organismes supérieurs, les plus sensibles, une image partielle est donnée par les accidents que l’on déplore trop souvent.

biosphère [ bjɔsfɛr ] n. f.

• 1842; de bio- et sphère

1 ♦ Écol., géogr. Ensemble des êtres vivants qui se développent sur la Terre.

2 ♦ Zone occupée par l'ensemble des êtres vivants au contact de la terre (⇒ lithosphère), de l'air (⇒ atmosphère) et dans les eaux (⇒ hydrosphère).

● biosphère nom féminin Ensemble des régions de la Terre où l'on rencontre des êtres vivants.

biosphère

n. f. Partie de l'écorce terrestre et de l'atmosphère où il existe une vie organique.

⇒BIOSPHÈRE, subst. fém.

A.— Vx, BIOL. ,,Atome globuleux, d'une existence hypothétique, et qui serait la base unique de tous les corps organisés`` (Lar. 19^e; attesté dans la plupart des dict. gén. du XIX^e siècle).

B.— Mod., BIOGÉOGRAPHIE. L'une des couches géochimiques de la sphère terrestre, constituée par la masse organique des êtres vivants (cf. Ch. COMBALUZIER, Introd. à la géol., 1961, pp. 62-63) :

• Les géologues, (...) s'accordent pour admettre la composition zonaire de notre planète. Nous avons déjà nommé la barysphère, métallique et centrale, — entourée de sa lithosphère rocheuse, — surmontée elle-même des couches fluides de l'hydrosphère et de l'atmosphère. À ces quatre surfaces emboîtées la science s'habitue avec raison, depuis Suess, à ajouter la membrane vivante formée par le feutrage végétal et animal du globe : la biosphère, ...

TEILHARD DE CHARDIN, Le Phénomène humain, 1955, p. 201.

— P. ext. Enveloppe animée de la terre où se manifeste la vie organique dont la frange pensante constitue la noosphère (cf. TEILHARD DE CHARDIN, Le phénomène humain, 1955, pp. 200-201).

Prononc. :[]. Étymol. et Hist. 1. 1838 biol. (Ac. Compl. 1842); 2. 1900 « partie de la sphère terrestre où se manifeste la vie » (EMM. DE MARGERIE, trad. de La Face de la Terre de Ed. Suess, t. 2, p. 345). Composé du préf. bio- et de l'élément suff. -sphère; 2 sans doute empr. à l'all. biosphäre, créé en 1888 d'apr. ROB. Suppl., par le géologue autrichien Ed. Suess [1831-1914], (v. GERT A. ZISCHKA, Allgemeines Gelehrten-Lexikon) dans son ouvrage Das Antlitz der Erde [1883-1909], trad. en fr. par E. DE MARGERIE sous le nom La Face de la terre [1900-1918], supra. Fréq. abs. littér. :22.

biosphère [bjɔsfɛʀ] n. f.

ÉTYM. 1842, sens 1; sens 2, 1900; all. Biosphäre (1888, Suess; de bio-, et Sphäre « sphère »); de bio-, et sphère.

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1 Vx. (Hist. des sc.). Atome globuleux qui était supposé être à l'origine de tous les corps organisés.

2 (1900). Mod., didact. (biol.). Masse globale, ensemble des organismes vivants, animaux et végétaux, qui vivent à la surface du globe terrestre dans leurs milieux biotiques. ⇒ Écosphère, écosystème; biocénose, biotope; biomasse. — Par ext. (Géochimie). Ensemble formé par ces organismes et les zones qu'ils occupent dans les couches géochimiques de la Terre. ⇒ Atmosphère, hydrosphère, lithosphère.

1 Situant la vie dans l'ensemble général du cosmos, il (Buffon) met en relief les interactions complexes de la nature organique — de la biosphère, dirions-nous aujourd'hui — et de la nature inorganique.

Jean Rostand, Esquisse d'une histoire de la biologie, p. 45.

2 Mais si la théorie moléculaire du code ne peut aujourd'hui (et sans doute ne pourra jamais) prédire et résoudre toute la biosphère, elle constitue dès maintenant une théorie générale des systèmes vivants.

Jacques Monod, le Hasard et la Nécessité, Préface, p. 12.

3 Nos vies dépendent toutes des ressources de la biosphère, qu'on ne peut découper en tranches.

Emmanuel Berl, le Virage, p. 32.

Encyclopédie Universelle. 2012.