BIOSPHÈRE

La structure fonctionnelle de la biosphère

Grâce à l'énergie lumineuse venue du Soleil, le dioxyde de carbone CO₂, 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 distingué 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

Les travaux de Duvigneaud (1980) ont permis d'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.

L'ensemble des formations végétales photosynthétiques de la biosphère conduisent à une production totale de 180,6 × 10⁹ t de matière organique (poids sec) – soit encore 85,6 × 10¹⁶ kcal –, dont 138,8 × 10⁹ t pour les formations continentales et 41,8 × 10⁹ t pour les formations marines. On trouvera par ailleurs 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. 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.