Photosynthèse vs respiration cellulaire

Crédits photo : C. Sardet, S. Mirshak and N. Sardet / Les chroniques du plancton

Les plantes capturent et stockent l’énergie solaire par la photosynthèse. Au cours de la photosynthèse, les plantes convertissent les minéraux (l’azote, le phosphore, etc…) et le dioxyde de carbone en oxygène que nous respirons et en molécules de sucre qu’elles utilisent pour se nourrir. Comme les plantes produisent leur propre nourriture à partir de substances simples présentes dans leur environnement, elles sont considérées comme des producteurs primaires. En fournissant à la fois l’oxygène et la nourriture nécessaire aux espèces non photosynthétiques, les producteurs primaires permettent de soutenir toutes les autres formes de vie Terrestre.

Les espèces non photosynthétiques sont appelées consommateurs et, à titre d’exemple, lorsqu’une vache broute de l’herbe, elle convertit à l’aide de la respiration cellulaire le sucre et l’oxygène produit par l’herbe en dioxyde de carbone et en énergie. La respiration est le processus opposé de la photosynthèse et, curieusement, même les plantes respirent. La respiration permet la transformation du sucre (obtenu par photosynthèse) en énergie chimique nécessaire au fonctionnement des cellules (par la division cellulaire ou encore la croissance). 

Photosynthèse et respiration

La photosynthèse des plantes produit néanmoins plus de sucre et d’oxygène qu’elles n’en consomment par la respiration. Les excédents de sucre doivent être stockés ou utilisés pour la croissance des plantes. Ils deviennent ainsi partie intégrante des feuilles, des racines, des tubercules, des fruits ou des troncs d’arbres. Le sucre étant le produit de photosynthèse du dioxyde de carbone naturellement présent dans l’environnement ou libéré par les humains lorsqu’ils brûlent du charbon, du pétrole et d’autres combustibles fossiles, la productivité des plantes joue un rôle majeur dans le cycle global du carbone.

La production primaire océanique

Les plantes ne sont pas les seuls producteurs primaires et dans les océans, les algues microscopiques, les grandes algues et les herbiers jouent le même rôle. Comme les grandes algues et les herbiers nécessitent à la fois d’être accrochés aux fond marin et d’être éclairés par le soleil, leur répartition est limitée à l’environnement côtier. Au contraire, en tant que cellules dérivantes, les algues microscopiques sont susceptibles de se développer à la fois dans les environnements côtiers et hauturiers. Cette omniprésence des algues explique leur rôle principal dans la production primaire océanique (elles en représentent 95%). Au cours de l’évolution, les algues microscopiques sont apparues bien avant les plantes. Ainsi, nous devons principalement notre atmosphère respirable à la photosynthèse des algues plutôt qu’à celle des plantes. Actuellement, la production primaire issue de l’environnement terrestre et océanique sont équivalents, et de l’ordre de 50 x 1015 grammes de carbone par an. Dans le prochain paragraphe nous traiterons plus en détails des modalités contrôlant la production primaire des algues microscopiques.

 

L’efflorescence phytoplanctonique

Répartition des algues dans l'océan

La production algales est la plupart du temps pulsative et non continue. Leur croissance se produit dans certaines conditions environnementales favorables, à l’exception desquelles le reste de la population est principalement en dormance (activité métabolique minimisée pour la survie) et extrêmement faible. Lorsque les conditions de croissance sont réunies, une explosion de la population peut survenir, appelée efflorescence algale ou efflorescence phytoplanctonique (de «phyto» signifiant «plante» et «plancton» signifiant dérivant). Parfois, plusieurs espèces effloressent en même temps. Les efflorescences sont souvent des phénomènes visibles, ce qui permet leur surveillance par télédétection. En effet, des concentrations élevées de phytoplancton dans la colonne d’eau peuvent faire apparaître l’eau bleu-vert, verte, brune ou même rouge, en fonction des pigments de l’espèce en effloraison. Les pigments sont les molécules permettant au phytoplancton d’absorber l’énergie solaire, processus nécessaire à la photosynthèse.

 

L’efflorescence algale est conditionnée par les facteurs environnementaux

L’efflorescence phytoplanctonique est susceptible de se produire lorsque les facteurs environnementaux, tels que la température et la salinité de l’eau de mer sont adéquates et que les nutriments et la lumière sont disponibles en quantité suffisante.

Dans la section «courants océaniques», nous avons vu que la circulation thermohaline est basée sur des variations de flottabilité / densité. La densité d’une masse d’eau est contrôlée par sa salinité, sa température et, dans une moindre mesure, sa pression. Généralement, de la surface vers le fond de la mer, plusieurs masses d’eau de densité croissante se superposent. La différence de densité entre deux masses d’eau accolées constitue une barrière infranchissable pour les organismes dérivants tels que les algues. Ainsi, une masse d’eau de surface à haute teneur en éléments nutritifs est un lieu propice à l’effloraison puisque les algues sont littéralement coincées dans une masse d’eau riche en nutriments et en lumière.

L’efflorescence se termine lorsque la masse d’eau de surface dans laquelle elle se trouve ne contient plus suffisamment d’éléments nutritifs pour la maintenir. Pour permettre une nouvelle floraison, la masse d’eau de surface doit se mélanger aux masses d’eau sous-jacentes riches en nutriments, puis se restructurer en une masse d’eau de surface nouvellement riche en nutriments et en lumière. En hiver, les vents froid et puissant réduisent la température de la masse d’eau de surface, augmentant de ce fait sa densité. Le faible différentiel de densité entre la masse d’eau de surface et celles sous-jacentes associée au mouvement turbulent des masses d’eaux causé par les vents induisent alors une déstratification de la colonne d’eau. La masse d’eau de surface et celles sous-jacentes peuvent alors ne former qu’une et les nutriments vont alors se répartir dans l’ensemble de cette masse d’eau. Au printemps, l’augmentation de la température de l’air affecte principalement les eaux de surface et induit une stratification par la température (la temperature dilate l’eau, réduisant de ce fait sa densité). Cette stratification va alors créer une masse d’eau de surface, riche en nutriment issus du mélange hivernale et en lumière. Cette dernière va ainsi potentiellement permettre une efflorescence phytoplanctonique.

Répartition des nutriments selon la saison

Les deux nutriments les plus importants pour la croissance du phytoplancton sont l’azote (N) et le phosphore (P), présents naturellement dans les milieux aquatiques à différentes concentrations. Le fer, le zinc et le manganèse sont également essentiels, mais ils ne sont nécessaires qu’en très petites quantités. Étant donné que les espèces d’algues nécessitent une quantité différente de chaque élément nutritif, leur distribution détermine souvent les espèces susceptibles de croître.

Cette production primaire engendrée par l’éfflorescence planctonique est ensuite consommée (par des crustacés microscopiques ou des filtreurs comme les huîtres; voir section III), dégradée (par des bactéries; voir section IV) ou préservée et contribuera aux sédiments marins (section V).