Comme l'a observé Arthur C. Clarke : « Comme il est inapproprié d'appeler cette planète Terre, alors qu'il s'agit clairement d'Océan ». Près des trois quarts de la surface de la Terre sont constitués de mer, c'est pourquoi ces magnifiques photographies prises depuis l'espace montrent notre planète comme un globe bleu saphir, parsemé de douces volutes de nuages et coiffé de champs de glace polaire d'un blanc éclatant. La beauté de notre maison contraste fortement avec la morne uniformité de nos voisines sans vie , Mars et Vénus, qui manquent toutes deux de cette abondante couverture d'eau.
Les océans, ces grandes étendues de mer d’un bleu profond, ont bien plus à offrir que la simple capacité d’éblouir un observateur dans l’espace. Ce sont des éléments essentiels de la machine à vapeur mondiale qui transforme l’énergie rayonnante du soleil en mouvements d’air et d’eau qui, à leur tour, distribuent cette énergie dans toutes les régions du monde. Collectivement, les océans forment un réservoir de gaz dissous qui contribuent à réguler la composition de l’air que nous respirons et à fournir un environnement stable à la vie marine, soit environ la moitié de toute la matière vivante.
Nous ne savons pas exactement comment les océans se sont formés. C'était il y a si longtemps, bien avant le début de la vie, qu'il n'existe pratiquement aucune preuve géologique tangible. Il y a eu de nombreuses hypothèses sur la forme des premiers océans, même si la Terre était autrefois entièrement recouverte d'océans, sans aucune terre ni même aucune eau peu profonde. La terre et les continents sont arrivés plus tard. Si cette hypothèse est un jour établie, alors celles sur les origines de la vie devront être révisées. Cependant, il existe toujours un consensus général sur le fait que les océans sont apparus à l'intérieur de la Terre quelque temps après que celle-ci se soit formée en tant que planète et se soit suffisamment réchauffée pour distiller les gaz et l'eau de l'atmosphère et des mers primitives.
L’histoire de la Terre avant la vie n’est pas directement utile dans notre quête de Gaia. La stabilité physique et chimique des océans depuis l’apparition de la vie est plus pertinente et intéressante. Il est prouvé qu'au cours des trois dernières éons et demi , alors que les continents se formaient et dérivaient autour du globe, que les glaces polaires fondaient et regelaient et que le niveau de la mer montait et descendait, le volume total d'eau est resté inchangé, malgré les métamorphoses. . À l'heure actuelle, la profondeur moyenne des océans est de 3 200 mètres (environ 2 milles), bien qu'il existe des tranchées allant jusqu'à 10 000 mètres (environ 6 milles). Le volume total de l'eau est d'environ 1,2 milliard de kilomètres cubes (300 millions de miles cubes) et son poids est d'environ 1,3 million de millions. million tonnes .
Ce sont des chiffres importants qu’il faut relativiser. Bien que le poids des océans soit 250 fois supérieur à celui de l’atmosphère, il ne représente qu’une partie sur 4 000 du poids de la Terre. Si l'on modélisait la Terre par un globe de 30 centimètres de diamètre, la profondeur moyenne de la mer serait à peine supérieure à l'épaisseur du papier sur lequel
ces mots sont imprimés, tandis que la tranchée la plus profonde serait représentée par une bosse d'un –tiers de millimètre .
On estime généralement que l'océanographie, l'étude scientifique de la mer, a commencé il y a une centaine d'années avec le voyage du navire de recherche Challenger . Ce navire a réalisé la première étude systématique de tous les océans du monde. Son programme comprenait des observations de la physique, de la chimie et de la biologie de la mer. Malgré ces débuts multidisciplinaires prometteurs, l’océanographie s’est depuis fragmentée en sous-sciences distinctes : biologie marine, océanographie chimique, géophysique des océans et autres disciplines hybrides, qui sont aussi nombreuses que de professeurs pour les défendre en tant que territoires. Pourtant, cela reste une science relativement négligée. La plupart des travaux importants ont été réalisés depuis la Seconde Guerre mondiale, stimulés par la concurrence internationale pour de nouvelles sources de nourriture, d’énergie et d’avantages stratégiques en général. Le retour à l'esprit de l' expédition Challenger , avec sa conception de la mer indivisible, commence enfin à faire son chemin. La physique, la chimie et la biologie des océans sont une fois de plus reconnues comme des éléments interdépendants d’un vaste processus mondial.
Un point de départ pratique dans notre recherche de Gaia dans les océans est de nous demander pourquoi la mer est salée. La réponse qui a été donnée autrefois avec confiance (et qui figure sans doute encore dans de nombreux textes et encyclopédies standards ) ressemblait à peu près à ceci : la mer est devenue du sel parce que la pluie et les rivières emportent constamment de petites quantités de sel de la terre vers la mer. Les eaux de surface des océans peuvent s’évaporer et tomber plus tard sur les terres sous forme de pluie, mais le sel, une substance non volatile, reste toujours sur place et s’accumule dans la mer. Les océans deviennent donc plus salins au fil du temps.
Cette réponse cadre certainement parfaitement avec l’explication traditionnelle selon laquelle la teneur en sel des fluides corporels des créatures vivantes, y compris nous-mêmes, est inférieure à celle des océans. Actuellement, la teneur en sel de la mer, exprimée en pourcentage (le nombre de parties en poids de sel dans cent parties d'eau), est d'environ 3,4 pour cent, tandis que celle de notre sang est d'environ 0,8 pour cent. L'explication est la suivante : au début de la vie, les fluides internes des organismes marins étaient en équilibre avec la mer, c'est-à-dire que la salinité des fluides organiques et la salinité de leur environnement étaient exactement égales. Plus tard, lorsque la vie a fait un de ses bonds évolutifs et a envoyé des migrants des mers pour coloniser la terre, la salinité interne des organismes vivants s'est pour ainsi dire fossilisée au niveau dominant, tandis que celle de la mer a continué à augmenter. D’où la différence aujourd’hui entre la salinité des fluides organiques et celle de la mer.
Cette théorie de l’accumulation de sel, si elle est exacte, devrait permettre de calculer l’âge des océans. Il n'y a aucune difficulté à estimer leur teneur totale en sel à l'heure actuelle, et si l'on suppose que la quantité de sel rejetée dans la mer chaque année par l'action des pluies et des rivières est restée plus ou moins la même à travers les âges, une une simple division devrait donner la bonne réponse. L’apport de sel dans la mer est d’environ 540 mégatonnes chaque année ; le volume total de l'eau de mer est de 1,2 milliard de kilomètres cubes ; la salinité moyenne est de 3,4 pour cent. Le temps nécessaire
pour atteindre le niveau de salinité actuel est donc d'environ 80 millions d'années, ce qui doit être l'âge des océans. Cependant, cette réponse est manifestement en décalage avec l’ensemble de la paléontologie . Alors recommençons.
Ferren Maclntyre a récemment souligné que le ruissellement continental n'est pas la seule source de sel dans la mer. Il se souvient d'un vieux mythe nordique selon lequel la mer est salée parce que quelque part au fond de l'océan se trouve un moulin à sel qui broie sans cesse. Les Normands n'avaient pas grand tort car nous savons maintenant que les roches pâteuses en plastique de l'intérieur chaud de la Terre jaillissent parfois et traversent le fond de l'océan, qui se propage ensuite. Ce processus, qui fait partie du mécanisme qui provoque la dérive des continents, ajoute également davantage de sel à la mer. Lorsque le sel de cette source est ajouté à la quantité emportée par les eaux et que notre calcul est répété, l'âge des océans devient 60 millions d'années. Au XVIIe siècle, le divin protestant irlandais, l'archevêque Ussher, calcula l'âge de la Terre à partir de la chronologie de l'Ancien Testament. Ses chiffres donnaient la date de la Création à 4004 avant jc . Il avait tort, mais en comparaison avec la véritable échelle de temps, ses chiffres semblent à peine plus éloignés que l'estimation de 60 millions d'années pour l'âge des océans.
éons et demi . Les océans doivent être au moins aussi vieux. Ceci est cohérent avec les estimations de l'âge de la Terre obtenues à partir de mesures radioactives, indiquant qu'elle s'est formée il y a environ quatre éons et demi , soit 4 500 millions d'années. Les preuves géologiques montrent également que la teneur en sel de la mer n'a en fait pas beaucoup changé depuis la création des océans et le début de la vie ; pas assez, en tout cas, pour expliquer la différence entre la salinité actuelle de la mer et celle de notre sang.
Des divergences de ce genre nous obligent à repenser tout le problème de savoir pourquoi la mer est salée. Les chiffres relatifs au taux d'apport de sel dans les océans par le biais du ruissellement continental (pluie et rivières) et de l'épandage sur les fonds marins (le « moulin à sel ») sont raisonnablement fermes, mais le niveau de salinité n'a pas augmenté d'une manière comparable à celle de la salinité. quantité attendue de la théorie de l’accumulation de sel. La seule conclusion possible semble être qu'il doit exister un « puits » par lequel le sel disparaît des océans au même rythme qu'il y est ajouté. Avant de spéculer sur la nature de ce puits et sur ce qui arrive au sel qui le traverse, nous devons considérer certains aspects de la physique, de la chimie et de la biologie de la mer.
L’eau de mer est une soupe complexe mais mince d’organismes vivants et morts et de composés inorganiques dissous ou en suspension. Les principaux constituants dissous sont les sels inorganiques. Dans le langage de la chimie, le mot « sel » décrit une classe de composés dont le chlorure de sodium, le sel commun, n'est qu'un exemple. La composition de l’eau de mer varie d’un endroit à l’autre à travers le globe et selon la profondeur sous la surface. En termes de salinité totale, les variations sont faibles, bien qu'elles soient d'une grande importance dans l'interprétation détaillée des processus océaniques. Cependant, pour notre objectif actuel, qui est de discuter du mécanisme général de contrôle du sel, nous ne tiendrons pas compte de ces variations.
L'échantillon moyen d'eau de mer contient 3,4 pour cent par kilogramme de sels inorganiques, dont environ 90 pour cent sont du chlorure de sodium. Cette affirmation
n’est pas strictement exacte en termes scientifiques, car lorsque les sels inorganiques se dissolvent dans l’eau, ils se divisent en deux ensembles distincts de particules de la taille d’un atome avec des charges électriques opposées. Ces particules sont appelées ions. Ainsi, le chlorure de sodium se divise en un ion sodium positif et un ion chlorure négatif. En solution, les deux types d’ions se déplacent plus ou moins indépendamment parmi les molécules d’eau environnantes. Cela peut paraître surprenant, puisque les charges électriques opposées s’attirent et restent normalement ensemble dans des paires d’ions. La raison pour laquelle, lorsqu'ils sont en solution, ils ne le font pas est que l'eau a la propriété d'affaiblir considérablement les forces électriques entre les ions de charges opposées. Si les solutions de deux sels différents sont mélangées, par exemple du chlorure de sodium et du sulfate de magnésium , tout ce que l'on peut dire sur la composition de la solution obtenue, c'est qu'il s'agit d'un mélange de quatre ions : sodium, magnésium, chlorure et sulfate .
Dans des conditions appropriées, on peut en fait séparer le sulfate de sodium et le chlorure de magnésium du mélange plus facilement que les sels originaux de chlorure de sodium et de sulfate de magnésium .
Il est donc incorrect, à proprement parler, de dire que l'eau de mer « contient » du chlorure de sodium ; il contient les ions constitutifs du chlorure de sodium. Il contient également des ions magnésium et sulfate ainsi que des quantités beaucoup plus faibles d'autres composants ioniques tels que le calcium, le bicarbonate et le phosphate, qui jouent un rôle indispensable dans les processus vivants qui se déroulent dans la mer.
L'une des exigences les moins connues d'une cellule vivante est que, à de rares exceptions près, la salinité de ses fluides internes ou de son environnement externe ne doit jamais dépasser pendant plus de quelques secondes une valeur de 6 pour cent. Quelques créatures peuvent vivre dans des mares de saumure et des lacs salés dont les niveaux de salinité dépassent cette limite, mais elles sont aussi exceptionnelles et bizarres que les micro-organismes qui peuvent survivre dans l'eau bouillante. Leurs adaptations spéciales ont été réalisées avec l'autorisation du reste du monde vivant, qui fournit de l'oxygène et de la nourriture sous une forme appropriée et veille à ce que ces éléments essentiels soient transférés vers le bassin de saumure ou la source chaude. Sans cette aide, ces étranges créatures ne pourraient pas survivre, malgré leurs remarquables adaptations à leurs habitats quasi mortels.
Les crevettes de saumure, par exemple, possèdent une coquille extraordinairement résistante, aussi imperméable à l'eau que la coque d'un sous-marin. Cela leur permet de conserver la même salinité interne que la nôtre (environ 1 %) tout en vivant dans une eau très salée. Sans la protection de cette coquille résistante, ces créatures se dessècheraient et se ratatineraient en quelques secondes alors que l'eau de la solution légèrement salée à l'intérieur d'elles s'écoulait pour diluer la solution saline plus forte de la saumure.
Cette tendance de l’eau à passer d’une solution saline plus faible à une solution saline plus forte est un exemple de ce que les physico-chimistes appellent l’osmose. L'osmose se produit chaque fois qu'une solution à faible concentration en sel - ou tout autre matériau dissous, d'ailleurs - est séparée d'une solution à concentration plus élevée par une paroi qui laisse passer l'eau mais pas le sel. L'eau s'écoule de la solution la plus faible vers la solution
la plus forte, de sorte que la concentration la plus élevée soit diluée. Toutes choses égales par ailleurs, le processus se poursuit jusqu'à ce que les deux solutions soient en équilibre.
Le flux peut être arrêté en appliquant une force mécanique pour s'y opposer. La force opposée est appelée pression osmotique et son action dépend de la nature de la matière dissoute et de la différence entre les forces des deux solutions. La pression osmotique peut être considérable. Si l'enveloppe autour de l'artémia laissait passer l'eau, la pression que la crevette devrait exercer pour éviter de se déshydrater serait d'environ 150 kilogrammes par centimètre carré , ou 2 300 livres par pouce carré, ce qui est égal à la pression exercée par une colonne d'eau d'un kilomètre de haut. Ou on pourrait dire que si la crevette devait obtenir du lac salé l'eau dont elle a besoin pour son fonctionnement interne, faisant couler l'eau d'une solution plus forte vers une solution plus faible, elle aurait besoin d'avoir à l'intérieur une pompe capable de prélever l'eau d'un enfin, à un mile de profondeur.
La pression osmotique est donc une conséquence des différences entre salinités interne et externe. À condition que les deux concentrations soient inférieures au niveau critique de 6 pour cent, la plupart des organismes vivants peuvent résoudre assez facilement le problème d’ingénierie impliqué. C'est le niveau absolu qui compte, car face à une salinité interne ou externe supérieure à 6 %, les cellules vivantes s'effondrent littéralement.
Les processus vivants consistent en grande partie en interactions entre macromolécules. Une séquence d'événements méticuleusement programmée a généralement lieu, au cours de laquelle deux grosses molécules, par exemple, peuvent se rapprocher, se positionner avec précision, rester proches l'une de l'autre pendant un certain temps, pendant lequel de la matière peut être échangée, puis se séparer. Un positionnement précis est obtenu à l'aide de charges électriques réparties différemment sur chaque macromolécule. Les zones chargées positivement d’une molécule s’entremêlent précisément avec les zones chargées négativement de l’autre. Avec les systèmes vivants, ces interactions ont invariablement lieu dans un environnement aquatique, où la présence d’ions dissous modifie l’attraction électrique naturelle des macromolécules et leur permet de se rapprocher et de se positionner avec délibération et un haut degré de précision.
En effet, les ions positifs se regroupent autour des zones négatives des macromolécules et les ions négatifs autour des zones positives. L’amas d’ions agit comme une sorte d’écran qui neutralise en partie la charge qu’il entoure et réduit ainsi l’attraction d’une macro– molécule vers une autre. Plus la concentration en sel est élevée, plus l’effet écran des ions est important et plus les forces d’attraction sont faibles. Si la concentration est trop élevée, les macromolécules peuvent cesser d’interagir et cette partie du fonctionnement cellulaire échouera. Si la concentration en sel est trop faible, les forces d'attraction entre macromolécules adjacentes deviendront irrésistibles, les molécules ne parviendront pas à se séparer et la séquence ordonnée des réactions subira une perturbation d'un autre type.
Le matériau composant la membrane superficielle d’une cellule vivante est maintenu ensemble par des forces électriques similaires à celles impliquées dans les processus macromoléculaires. Cette membrane enveloppante garantit que la salinité du contenu interne de la cellule reste dans les limites admissibles. À peine plus solide qu'un film de savon, il constitue une barrière aussi efficace contre les fuites des constituants de la cellule que la coque d'un navire vers l'eau ou le fuselage d'un avion vers l'atmosphère extérieure.
Cependant, l’ étanchéité d’une cellule vivante s’obtient par des moyens bien différents de celle d’une coque de navire. Ce dernier fonctionne de manière mécanique et statique ; la paroi cellulaire fait son travail grâce à l'utilisation active et dynamique de processus biochimiques.
Le film mince qui encapsule chaque cellule vivante contient des pompes à ions qui échangent sélectivement des ions internes contre des ions externes en fonction des besoins de la cellule. Les forces électriques garantissent que la cellule-membrane possède la flexibilité et la résistance nécessaires à ces opérations. Si la concentration de sel de chaque côté de la membrane dépasse le niveau critique de 6 pour cent, l’effet de filtrage des ions dérivés du sel regroupés autour des charges électriques qui maintiennent la membrane ensemble est trop fort. La tension est perdue, la membrane affaiblie se désintègre et la cellule s'effondre. À l’exception des membranes hautement spécialisées des bactéries halophiles (qui aiment le sel) des mares de saumure, les membranes de tous les êtres vivants sont soumises à cette limite de salinité.
Nous comprenons maintenant pourquoi les organismes vivants, profondément dépendants du fonctionnement des forces électriques, ne peuvent survivre que si la salinité de l'environnement est maintenue dans des limites sûres, et en particulier dans la limite supérieure critique de 6 pour cent. À la lumière de ces connaissances, nous commençons à nous désintéresser de la question initiale : « Pourquoi le sel marin ? Le ruissellement continental et l’expansion des fonds marins expliquent facilement le niveau actuel de salinité des océans. La question la plus importante est : « Pourquoi la mer n'est-elle pas plus salée ? » En apercevant Gaia, je répondrais : « Parce que depuis le début de la vie, la salinité des océans reflète la présence d'organismes marins et évite des niveaux mortels. La question suivante est évidemment : « Mais comment ? Ce qui nous amène au nœud du problème, car ce que nous avons réellement besoin de savoir et de réfléchir n’est pas la manière dont le sel est ajouté à la mer mais comment il est retiré. Nous sommes en fait de retour à l'évier à la recherche d'un processus d'élimination du sel qui doit être lié d'une manière ou d'une autre à la biologie de la mer si notre croyance en l'intervention de Gaia est fondée.
Reformulons le problème. Il existe des preuves relativement fiables, directes et indirectes, selon lesquelles la salinité de l’eau de mer a très peu changé en centaines de millions, voire en milliers de millions d’années. Notre connaissance du niveau de salinité toléré par les organismes vivants qui ont prospéré dans la mer au cours de ces vastes périodes suggère qu'en tout état de cause, la salinité ne peut avoir dépassé 6 pour cent, contre le niveau actuel de 3,4 pour cent, et que même si elle avait atteint 4 pour cent, la vie dans la mer aurait évolué à travers des organismes très différents de ceux révélés par les archives fossiles. Pourtant, la quantité de sel emportée par la pluie et les rivières au cours de chaque période de 80 millions d’années est égale à la teneur totale actuelle en sel des océans. Si ce processus s'était poursuivi de manière incontrôlée depuis leur formation, tous les océans seraient beaucoup trop salés pour la vie principale.
Il faut donc qu'il existe un moyen d'éliminer le sel de la mer aussi vite qu'il est ajouté. La nécessité d'un tel dispositif est reconnue depuis longtemps par les océanographes et plusieurs tentatives ont été faites pour l'identifier. Les différentes théories avancées
reposent toutes essentiellement sur des mécanismes inorganiques non vivants, mais aucune n’a trouvé un consensus général. Broecker a déclaré que la manière dont les sels de sodium et de magnésium sont extraits de la mer est l'un des grands mystères non résolus de l'océanographie chimique. En fait, deux problèmes doivent être résolus, car l'élimination des ions sodium et magnésium positifs et des ions chlorure et sulfate négatifs doit être traitée séparément, car les ions positifs et négatifs existent indépendamment dans un milieu aqueux. Pour compliquer encore les choses, plus d'ions sodium et magnésium que d'ions chlorure et sulfate sont ajoutés à la mer par le ruissellement continental, et pour maintenir les choses électriquement stables, la charge positive portée par les ions sodium et magnésium en excès doit être équilibrée par des charges négatives. ions chargés d' aluminium et de silicium.
Broecker a provisoirement suggéré que le sodium et le magnésium sont éliminés en étant lâchés sous la pluie de débris qui tombent constamment sur le fond marin, devenant ainsi une partie des sédiments, ou qu'ils se combinent d'une manière ou d'une autre avec les minéraux qui constituent le fond océanique. Malheureusement, aucune preuve indépendante n’a été obtenue jusqu’à présent pour étayer l’une ou l’autre possibilité.
Un mécanisme entièrement différent est nécessaire pour prendre en compte l’élimination et l’élimination des ions chlorure et sulfate négatifs . Broecker souligne que l’eau s’évapore des bras de mer isolés, comme le golfe Persique, plus rapidement qu’elle ne peut entrer à partir des rivières ou de la pluie. Si l'évaporation se prolonge, les sels se cristalliseront en de vastes dépôts, qui finiront par être recouverts et enfouis par des processus géologiques naturels. Ces grands lits de sel se trouvent sous terre et sous les plateaux continentaux partout dans le monde, ainsi qu’en surface.
L'échelle de temps de ces processus est de l'ordre de centaines de millions d'années et est donc cohérente avec les enregistrements de salinité, sauf sur un point essentiel. Si l'on suppose que la formation de bras de mer isolés et les bouleversements de la croûte terrestre qui conduisent à l'enfouissement de lits de sel sont entièrement dus à des processus inorganiques, il faut aussi accepter qu'ils se produiront de manière totalement aléatoire, tant dans le temps que dans le temps. espace. Ils peuvent expliquer que le niveau moyen de salinité des océans reste dans des limites tolérables, mais des fluctuations importantes et mortelles se seraient inévitablement produites en raison de la nature aléatoire des processus de contrôle.
Il est sûrement temps pour nous de nous demander si la présence de la matière vivante dont regorgent les mers aurait pu modifier le cours des événements et agir encore pour résoudre ce problème difficile. Commençons par passer en revue les éventuels composants vivants du mécanisme qui permettraient de réaliser de telles prouesses d’ingénierie à l’échelle planétaire.
Environ la moitié de la masse de matière vivante de la planète se trouve dans la mer. La vie sur terre est pour l’essentiel bidimensionnelle, maintenue par la gravité sur la surface solide. Les organismes marins et la mer ont à peu près la même densité ; la vie est libérée des limitations de la gravité et le pâturage est tridimensionnel. Les principales formes vivantes qui captent l’énergie du soleil et la transforment en nourriture et en oxygène par le processus connu sous le nom de photosynthèse, dynamisant ainsi l’océan tout entier,
sont des cellules flottant librement, contrairement aux plantes photosynthétiques ancrées au sol sur terre. Les arbres ne sont ni trouvés ni nécessaires dans la mer et il n’y a pas d’herbivores brouteurs, mais seulement de grands carnivores brouteurs – les baleines qui se nourrissent en balayant les myriades de minuscules crustacés ressemblant à des crevettes connus sous le nom de krill.
La séquence de la vie dans la mer commence avec les producteurs primaires, ces innombrables millions de plantes microscopiques unicellulaires flottant librement , ou microflore, que les biologistes appellent phytoplancton. Ceux-ci fournissent un pâturage aux animaux microscopiques appelés zooplancton, qui sont la proie de créatures plus grandes, etc., par l'intermédiaire d'une série de carnivores de taille et de rareté toujours croissantes. La mer, contrairement à la terre, est donc numériquement dominée par de minuscules protistes unicellulaires , parmi lesquels des algues et des protozoaires. Ceux-ci ne prospèrent que dans la couche supérieure ensoleillée de 100 mètres des océans. Les coccolithophores , avec des coquilles de carbonate de calcium qui contiennent souvent une goutte d'huile pour servir à la fois de ballon aquatique et de réserve de nourriture, et les diatomées, un type d'algues aux parois squelettiques en silice, sont particulièrement remarquables . Ces espèces et bien d’autres font partie de la flore complexe et diversifiée de ce qu’on appelle la zone euphotique.
Il convient d’examiner plus en détail le rôle des diatomées dans les océans. Les diatomées et leurs proches parents, les radiolaires, sont particulièrement belles. Leurs squelettes sont en opale, façonnés dans une variété de motifs complexes et toujours exquis. L'opale est une forme spéciale de dioxyde de silicium, généralement connue sous le nom de silice, le principal constituant du sable et du quartz. Le silicium est l'un des éléments les plus abondants dans la croûte terrestre ; la plupart des roches, de l'argile au basalte, en contiennent sous forme combinée. On ne lui accorde généralement pas d’importance en biologie – il y a peu de silicium en nous ou dans tout ce que nous mangeons – mais c’est un élément clé de la vie marine.
Broecker a découvert que moins de 1 pour cent des minéraux siliceux rejetés dans la mer depuis la terre sont retenus dans les eaux de surface. D’un autre côté, le rapport silice/sel dans les lacs salés morts et enclavés est beaucoup plus élevé que dans la mer, comme on pourrait s’y attendre dans un environnement sans vie où les conditions sont proches de l’équilibre chimique. Les diatomées, qui assimilent la silice et prospèrent dans la mer mais évidemment pas dans les lacs saturés de sel, passent leur brève vie dans les eaux de surface. Lorsqu'ils meurent, ils coulent au fond de l'océan et leurs squelettes d'opaline s'accumulent sous forme de sédiments, ajoutant chaque année environ 300 millions de tonnes de silice aux roches sédimentaires. Ainsi, le cycle de vie de ces organismes microscopiques explique la carence en silicium des eaux de surface de la mer et contribue à leur rupture brutale de l'équilibre chimique.
Ce processus biologique d’utilisation et d’élimination de la silice peut être considéré comme un mécanisme efficace pour contrôler son niveau dans la mer. Si, par exemple, des quantités croissantes de silice étaient rejetées dans la mer depuis les rivières, la population de diatomées augmenterait (à condition qu'il y ait également suffisamment de nitrates et de sulfates de nutriments) et réduirait le niveau de silice dissoute. Si ce niveau tombait en
dessous des exigences normales, la population de diatomées se contracterait jusqu'à ce que la teneur en silice des eaux de surface se rétablisse, ce qui est bien connu.
Radiolaires des grands fonds de l' expédition Challenger . Extrait de Haeckel, Histoire de la création , vol. 2.
Nous pouvons maintenant nous demander si ce mécanisme de contrôle de la silice suit le modèle général de Gaia pour contrôler les constituants de l'eau de mer, notamment le sel marin. Est-ce ainsi que la vie intervient pour résoudre les problèmes inhérents aux théories de Broecker sur les mécanismes purement inorganiques de contrôle et d'élimination du sel marin ?
D’un point de vue de l’ingénierie planétaire, l’importance du cycle de vie des diatomées et des coccolithes est que lorsqu’ils meurent, leurs parties molles se dissolvent et leurs squelettes ou coquilles complexes coulent au fond de la mer. Une pluie constante de ces structures, que les océanographes appellent « tests », presque aussi belles dans la mort que dans la vie, est tombée sur le fond de l'océan à travers les éons , formant de grands lits de craie et de calcaire (provenant des coccolithes ) et de silicate (provenant des diatomées). ). Ce déluge d'organismes morts n'est pas tant un cortège funèbre qu'un tapis roulant construit par Gaia pour acheminer les pièces de la zone de production en surface vers les régions de stockage situées sous les mers et les continents. Une partie de la matière organique molle tombe avec les squelettes inorganiques et se transforme finalement en combustibles fossiles enfouis, en minerais sulfurés et même en soufre libre . L'ensemble du processus présente l'avantage de systèmes de contrôle intégrés mais flexibles, basés sur la réactivité des organismes vivants aux changements de leur environnement et sur leur capacité à restaurer ou à s'adapter aux conditions qui favorisent leur propre survie.
Passons maintenant à quelques propositions sur d'éventuels dispositifs Gaïens pour contrôler la salinité. Bien qu’il s’agisse encore de conjectures, je crois que ces idées sont suffisamment solides pour servir de base à une étude théorique et expérimentale détaillée.
Commençons par un moyen possible d’accélérer le système de tapis roulant océanique. Il est probable que les sels sont entraînés dans les sédiments en étant piégés dans la pluie descendante de débris végétaux et animaux, comme le suggère Broecker , tout comme la pluie ordinaire piège les particules de poussière atmosphérique. Il se peut qu'il existe des espèces de protistes marins à carapace dure ou d'animaux particulièrement sensibles à la salinité et qui meurent rapidement dès que le niveau s'élève, même légèrement au-dessus de la normale. Leurs coquilles tombent, emportant avec elles le sel jusqu'au fond marin et réduisant ainsi son niveau effectif dans les eaux de surface. Les quantités de sel qui pourraient être séquestrées de l’océan par ce processus sont trop faibles pour expliquer directement le puits que nous recherchons. Cependant, comme nous le verrons, un lien entre la vitesse de dépôt des tests et la teneur en sel pourrait faire partie d'une méthode de régulation de la salinité de la mer.
Une autre possibilité, tout à fait différente, découle de la proposition de Broecker visant à éliminer les chlorures et les sulfates . Il a suggéré que l'excès de sel s'accumule sous forme d' évaporites dans les baies peu profondes, les lagons enclavés et les bras de mer isolés, où le taux d'évaporation est rapide et l'afflux de la mer est à sens unique. Faisons maintenant l’hypothèse audacieuse que les lagons se sont formés à la suite de la présence de vie dans la mer. Si ce processus progressait ensuite vers l'homéostasie, il pourrait résoudre le problème de Broecker consistant à expliquer la stabilité d'un système d'élimination du sel apparemment basé sur la formation d' évaporites par des forces inorganiques entièrement aléatoires.
Construire de vastes barrières de la taille nécessaire pour enfermer des milliers de kilomètres carrés de mer dans les régions tropicales peut sembler une tâche d’ingénierie bien au-delà des capacités humaines. Pourtant, les récifs coralliens, et plus significativement autrefois les récifs de stromatolites, sont de loin plus grands que toutes les structures artificielles. Celles-ci sont construites à l’échelle Gaïenne, avec des murs de plusieurs kilomètres de haut et des milliers de kilomètres de long, construits par une coopérative d’organismes vivants. Est-il possible que la Grande Barrière de corail, au large de la côte nord-est de l’Australie, soit le projet en partie achevé d’un lagon d’évaporation ?
Même s’il n’a aucune signification Gaïenne, cet exemple de ce que des créatures vivantes assez simples ont réalisé par coopération au cours des éons nous encourage à spéculer sur d’autres possibilités. Nous avons déjà vu comment l’atmosphère a été modifiée dans le monde entier par les créatures vivantes. Que devons-nous penser de l’activité volcanique et de la dérive des continents ? Tous deux sont des conséquences des mouvements internes de notre planète, mais Gaïa pourrait-elle également être à l’œuvre ? Si tel est le cas, ne fourniraient-ils pas des mécanismes supplémentaires pour la construction des lagons, indépendamment de leur effet principal sur l’étalement des fonds marins et le transfert de sédiments ?
Les spéculations de ce type ne sont en aucun cas aussi farfelues qu’elles pourraient paraître à première vue. Nous pouvons supposer que les volcans sous-marins pourraient
parfois être le résultat final d’une activité biologique. La connexion est assez simple. Une grande partie des sédiments tombant au fond des océans est constituée de silice presque pure. Avec le temps, la pression de ce dépôt accumulé sur la fine roche plastique du fond marin est suffisamment forte pour la creuser, et davantage de sédiments s'enfoncent dans la dépression. Pendant ce temps, la conduction de la chaleur depuis l'intérieur de la Terre est entravée par cette couverture de silice de plus en plus épaisse, dont la structure ouverte en fait un bon isolant thermique à la manière d'une couverture de laine ; la température dans la zone sous les sédiments augmente ; la roche sous-jacente se ramollit encore davantage, la couche se déforme, une autre épaisseur de sédiments se dépose dans le creux et la température augmente encore. Ce sont les conditions d’un feedback positif.
Finalement, la chaleur est suffisamment intense pour faire fondre la roche du fond marin et la lave volcanique se déverse. Des îles volcaniques pourraient être formées de cette manière ; peut-être parfois aussi des lagons. Dans les eaux moins profondes proches de la côte, de vastes gisements de carbonate de calcium se déposent. Parfois, ceux-ci réapparaissent sous forme de craie ou de calcaire. À d’autres moments, ils sont attirés vers les roches chaudes en dessous, où ils agissent comme un fondant pour faire fondre la roche et ainsi contribuer à la construction de volcans.
Dans une mer sans vie, les sédiments nécessaires au déclenchement de cet enchaînement d’événements ne se seraient peut-être jamais logés au bon endroit. Les volcans se trouvent sur des planètes mortes mais, à en juger par le plus grand sur Mars connu sous le nom de Nix Olympus, ils sont très différents de leurs homologues terrestres. Si Gaia a modifié les fonds marins, cela a été fait en exploitant une tendance naturelle et en la tournant à son avantage. Bien entendu, je ne suggère pas que tous, voire la plupart des volcans, soient causés par une activité biologique ; mais que nous devrions considérer la possibilité que la tendance aux éruptions soit exploitée par le biote pour ses besoins collectifs.
Si l'idée de bouleversements majeurs de la croûte terrestre manipulés dans l'intérêt de la biosphère heurte encore le bon sens, il convient de rappeler que des barrages artificiels ont parfois déclenché des tremblements de terre en modifiant la répartition des poids sur les environs. Le potentiel de perturbation d’une masse de sédiments ou d’un récif corallien est infiniment plus grand.
Fig. 8. Les plateaux continentaux des océans. Ces régions, qui occupent une superficie aussi vaste que le continent africain, pourraient jouer un rôle crucial dans l’homéostasie de notre
planète. Ici, le carbone est enfoui, ce qui maintient l'oxygène dans l'air, et c'est ici que se trouve la source de nombreux autres composés gazeux et volatils essentiels à la vie.
Notre discussion sur la salinité et son contrôle est incomplète et très générale. Je n'ai pratiquement rien dit sur les variations de salinité d'un endroit à l'autre dans les eaux océaniques ; rien sur les composants salins comme les ions phosphate et nitrate, nutriments primaires dont les relations restent un casse-tête pour les océanographes ; rien sur les nodules de manganèse retrouvés sur de vastes zones des fonds marins, dont l'origine est sans doute biologique ; et rien sur la complexité des courants océaniques et des systèmes de circulation. Tous sont des processus, ou des parties de processus, qui influencent directement ou indirectement, ou sont influencés par, la présence de matière vivante. J'ai à peine abordé la question des relations écologiques entre des milliers d'espèces d'organismes marins ; sur la question de savoir si l'interférence intentionnelle ou fortuite de l'homme dans son mode de vie pourrait avoir des répercussions sur la physique et la chimie des océans et, par conséquent, sur notre propre bien-être ; si, par exemple, le massacre des baleines, qui pourrait conduire à l’extinction complète de ces merveilleux mammifères, pourrait avoir d’autres effets de grande envergure, outre le fait de nous priver à jamais de leur compagnie unique. Ces omissions sont en partie dues au manque d’espace, mais plus encore au manque d’informations solides sur lesquelles s’appuyer.
Heureusement, des mesures sont enfin prises pour remplir les nombreuses étagères vides de notre magasin d'information. Des dépenses à l'échelle d'une « grande science » ne sont pas toujours nécessaires. Il y a quelques années, certains d'entre nous ont participé à un modeste projet visant à étudier certaines des activités spécialisées mais néanmoins importantes de Gaia, qui sont à une échelle un peu plus petite que les grands travaux d'ingénierie sur lesquels nous avons spéculé en matière de contrôle de la salinité.
En 1971, j'ai embarqué avec deux collègues, Robert Maggs et Roger Wade, à bord d'un petit navire de recherche, le Shackleton , de seulement quelques centaines de tonnes de déplacement, pour un voyage depuis Barry, dans le sud du Pays de Galles, jusqu'en Antarctique, dont le but principal était de réaliser des études géologiques. Nous étions trois surnuméraires, libres d'utiliser le navire comme plate-forme d'observation mobile pendant qu'il naviguait vers le sud et l'accomplissement de sa mission. Notre objectif particulier était d'étudier la possibilité d'équilibrer le budget mondial du soufre en incluant un composant jusqu'alors insoupçonné mais potentiellement important, le sulfure de diméthyle .
Le mystère de la lacune en soufre a commencé quelques années plus tôt, lorsque des scientifiques retraçant le cycle du soufre ont découvert que plus de soufre était régulièrement emporté par les rivières dans la mer que ce qui pouvait être extrait de toutes les sources terrestres connues. Ils ont pris en compte l’altération des roches soufrées , le soufre extrait du sol par les plantes et les quantités rejetées dans l’air par la combustion de combustibles fossiles ; Pourtant, ils étaient toujours confrontés à un écart de l'ordre de centaines de millions de tonnes chaque année. EJ Conway, poursuivant l'idée que le composant soufré manquant était probablement transporté de la mer vers la terre via l'atmosphère, suggéra qu'il s'agissait du sulfure d'hydrogène , ce gaz malodorant qui a
donné à la chimie scolaire à l'ancienne le nom de « pue ». Notre parti doutait de cette simple explication. D’une part, ni nous ni personne d’autre n’avons jamais trouvé suffisamment de sulfure d’hydrogène dans l’atmosphère pour expliquer l’ampleur de l’écart ; d'autre part, le sulfure d'hydrogène réagit si rapidement avec l'eau de mer riche en oxygène, formant des produits non volatils, qu'il n'a jamais le temps d'atteindre la surface de la mer, ni de s'en échapper dans l'air. Mes collègues et moi avons préféré le composé sulfure de diméthyle , un parent du sulfure d'hydrogène au sens chimique, comme agent qui transportait le soufre manquant dans l'air. Il avait une qualification essentielle pour ce rôle : son taux de destruction par l'oxygène était beaucoup plus lent que celui de son rival, le sulfure d'hydrogène .
Nous avions de bonnes raisons de soutenir le sulfure de diméthyle . Le professeur Frederick Challenger de l'Université de Leeds a démontré au cours de nombreuses années d'expérimentation que l'ajout de groupes méthyles (le processus connu sous le nom de méthylation) à certains éléments chimiques était un moyen fréquemment adopté par les organismes pour se débarrasser d'un excès de substances indésirables en les transformant en gaz ou en gaz. vapeurs . Les composés méthyliques du soufre , du mercure, de l'antimoine et de l'arsenic, par exemple, sont tous beaucoup plus volatils que les éléments eux-mêmes. Challenger avait montré que de nombreuses espèces d'algues marines, y compris les algues, étaient capables de produire ainsi du sulfure de diméthyle, en grande quantité.
Nous avons échantillonné l'eau de mer tout au long du voyage et avons trouvé du sulfure de diméthyle présent dans une concentration qui nous a alors semblé suffisante pour le qualifier pour le rôle de porteur de soufre . Toutefois, Peter Liss Plus tard, nous avons été convaincus par calcul que la force de nos échantillons au milieu de l'océan indiquait qu'il ne pouvait pas y avoir suffisamment de sulfure de diméthyle dans la mer pour accumuler et maintenir l'important flux vers l'air nécessaire pour expliquer tout le soufre manquant . Nous nous sommes rendu compte plus tard encore que le passage du Shackleton ne nous mettait pas en contact avec les eaux marines où le sulfure de diméthyle est produit en force. La principale source de cette substance, comme nous l’avons découvert depuis, n’est pas l’océan profond – relativement parlant un désert – mais les eaux plus froides du nord et du sud. C'est là que l'on trouve certaines sortes d'algues dotées d'un mécanisme étonnamment efficace pour extraire le soufre des ions sulfate de la mer et le convertir en sulfure de diméthyle . L'une de ces algues est Polysiphonia fastigiata , un petit organisme rouge qui vit attaché au grand fucus que l'on voit sur la plupart des bords de mer. Il est si productif de sulfure de diméthyle que s'il est placé dans un bocal fermé partiellement rempli d'eau de mer et laissé pendant environ trente minutes, suffisamment de sulfure de diméthyle s'accumule pour rendre la vapeur dans l'air presque inflammable. Heureusement, l’odeur du sulfure de diméthyle n’a rien à voir avec celle du sulfure d’hydrogène . Sous forme diluée, son odeur agréable rappelle la mer.
Nous savons désormais que le sulfure de diméthyle produit dans la mer autour des plateaux continentaux est le porteur de soufre manquant. De nombreuses espèces d’algues peuvent prendre à la fois des formes d’eau salée et d’eau douce. Le scientifique japonais Ishida a récemment montré que les deux formes de polysiphonie fastigiata sont capables de produire du sulfure de diméthyle , mais le système enzymatique efficace n'est activé que
dans l'eau de mer. Cela peut suggérer un dispositif biologique permettant d’assurer la production de sulfure de diméthyle au bon endroit pour alimenter le cycle du soufre .
Le processus de méthylation biologique présente un côté sombre. Les bactéries vivant dans la boue des fonds marins ont largement développé cette technique ; les éléments toxiques tels que le mercure, le plomb et l'arsenic sont tous convertis ici en leurs formes méthyles volatiles. Ces gaz sont transportés par l’eau de mer et imprègnent tout, y compris les poissons. Dans des circonstances normales, les quantités sont trop faibles pour être toxiques, mais il y a quelques années, l'industrie japonaise des rives de la mer intérieure du Japon déversait des composés de mercure dans la mer, de sorte que sa force dans l'environnement marin était suffisante pour rendre le poisson toxique. à l'homme. Tous ceux qui ont mangé du poisson ont souffert, beaucoup ont été douloureusement paralysés et certains sont morts de la maladie de Minamata , le nom local désignant la nature unique et horrible de l'empoisonnement au méthylmercure. Il est heureux que le processus naturel de méthylation du mercure ne se déroule pas à ce point. Ce n’est pas le cas avec l’arsenic. Au siècle dernier, certains papiers peints étaient colorés par un pigment vert à base d'arsenic. Dans les maisons humides et moisies, mal ventilées, la moisissure transformait l'arsenic des papiers peints en un gaz mortel, la triméthylarsine , et les dormeurs des chambres ainsi décorées mouraient.
L'objectif biologique de la méthylation des éléments toxiques n'est pas connu avec certitude, mais il semble probable qu'il s'agisse d'un moyen d'éliminer les substances toxiques de l'environnement local en les convertissant sous forme gazeuse. La dilution empêche normalement ces gaz de nuire à d'autres créatures, mais lorsque l'homme perturbe l'équilibre naturel, ce processus bénéfique devient malin, avec des conséquences paralysantes, voire mortelles.
La méthylation biologique du soufre semble être le moyen utilisé par Gaia pour assurer un bon équilibre entre le soufre dans la mer et sur terre. Sans ce processus, une grande partie du soufre soluble à la surface des terres aurait été rejetée dans la mer depuis longtemps et n'aurait jamais été remplacée, perturbant ainsi les équations délicates entre les constituants environnementaux nécessaires au maintien des organismes vivants.
Un autre groupe de composés contenant du méthyle a retenu notre attention lors du voyage de Shackleton . Il s'agissait de ce qu'on appelle les « halocarbones », substances dérivées d'hydrocarbures tels que le méthane en remplaçant un ou plusieurs atomes d'hydrogène par l'un des éléments fluor, chlore, brome ou iode. Les chimistes connaissent collectivement ce groupe d’éléments sous le nom d’halogènes. Cette enquête devait s'avérer la contribution scientifique la plus positive de notre voyage et un exemple typique de la façon dont, dans la recherche exploratoire fondamentale, il n'est pas judicieux de planifier à l'avance dans les moindres détails ; il faut garder les yeux ouverts et voir ce que Gaia a à offrir. Par chance, nous avions emporté avec nous un équipement qui pouvait être utilisé pour mesurer d’infimes traces de gaz halocarbures. Notre intention première était de voir si la libération de gaz propulseurs d’aérosols, tels que ceux utilisés pour pulvériser des déodorants et des insecticides, marquerait efficacement l’air et nous permettrait d’observer ses mouvements entre, par exemple, les hémisphères nord et sud. Cette recherche n’a été que trop réussie à certains égards. Partout où nous avons navigué, nous
avons trouvé facile de détecter et de mesurer les gaz fluorochlorocarbonés , et cette découverte a directement conduit à l’inquiétude actuelle, peut-être exagérée, quant à leur capacité à appauvrir la couche d’ozone.
Notre appareil a également révélé la présence de deux autres gaz halocarbures. L’un d’eux était le tétrachlorure de carbone, dont la présence dans l’air reste encore une énigme ; l'autre était de l'iodure de méthyle, un produit d'une algue marine.
Certains d’entre nous se souviennent peut-être de ces longues bandes d’algues qu’on accrochait autrefois pour prédire la météo. Il s'agit d'une forme de varech ou, pour utiliser son nom botanique, de laminaria . Ils poussent dans les eaux côtières et ont la capacité de capter l’iode de la mer. Au cours de leur croissance, ils produisent de l’iodure de méthyle en quantités prolifiques. Autrefois, le varech était récolté et brûlé, l'iode étant extrait des cendres. Il semble probable que, tout comme le sulfure de diméthyle agit comme porteur de soufre , l’iodure de méthyle ramène à la terre par l’air cet élément essentiel à la vie, l’iode. Sans iode, la glande thyroïde ne pourrait pas produire les hormones qui régulent le taux métabolique, et la plupart des animaux finiraient par tomber malades et mourir .
À l’époque où nous avons découvert de l’iodure de méthyle dans l’air au-dessus de la mer, nous ignorions que la majeure partie de ce gaz réagissait avec les ions chlorure de la mer pour produire du chlorure de méthyle. Oliver Zafiriou a été le premier à attirer notre attention sur cette réaction inattendue et nous lui sommes redevables, car elle a conduit à la découverte du chlorure de méthyle comme principal gaz chloré de l'atmosphère. D'une manière ordinaire, cela n'aurait été qu'une curiosité chimique mais, comme indiqué dans le chapitre précédent, le chlorure de méthyle est désormais considéré comme l'équivalent naturel des gaz propulseurs d'aérosols, dans sa capacité à appauvrir la couche d'ozone de l'atmosphère. stratosphère. Il peut servir à réguler la densité de la couche d’ozone et rappelle qu’une trop grande quantité d’ozone peut être aussi nocive qu’une quantité insuffisante. Ainsi, un autre élément, le chlore de la mer, auquel est attaché du méthyle, est candidat pour un rôle Gaïen.
D’autres éléments importants pour la vie, comme le sélénium, peuvent également passer de la mer à l’air sous forme de dérivés méthyliques, mais jusqu’à présent, nous n’avons pas réussi à trouver une source marine d’un composé volatil de cet élément clé, le phosphore. Il est possible que les besoins en phosphore soient suffisamment faibles pour être satisfaits par l'altération des roches, mais dans le cas où cela ne serait pas le cas, il convient de se demander si les mouvements des oiseaux et des poissons migrateurs répondent à l'objectif plus large de Gaïen en matière de phosphore. recyclage. Les efforts acharnés et apparemment pervers du saumon et de l'anguille pour pénétrer à l'intérieur des terres jusqu'à des endroits éloignés de la mer seraient alors considérés comme ayant leur propre fonction.
La collecte d'informations sur la mer, sa chimie, sa physique, sa biologie et leurs mécanismes d'interaction devrait figurer en tête de la liste des priorités de l'humanité. Plus nous en saurons, mieux nous comprendrons jusqu'où nous pouvons aller en toute sécurité pour exploiter les ressources de la mer, ainsi que les conséquences de l'abus de nos pouvoirs actuels en tant qu'espèce dominante et du pillage ou de l'exploitation imprudente de ses régions les plus fructueuses. Moins d’un tiers de la surface de la Terre est constitué
de terres émergées. C’est peut-être la raison pour laquelle Gaia a été capable de faire face aux transformations radicales provoquées par l’agriculture et l’élevage, et continuera probablement à trouver un équilibre à mesure que notre nombre augmente et que l’agriculture devient de plus en plus intensive. Il ne faut cependant pas supposer que la mer, et en particulier les régions arables des plateaux continentaux, puissent être cultivées avec la même impunité. En effet, personne ne sait quels risques on court lorsque l’on perturbe cette zone clé de la biosphère. C'est pourquoi je crois que notre solution la meilleure et la plus gratifiante est de naviguer avec Gaia en vue, pour nous rappeler tout au long du voyage et dans toutes nos explorations que la mer est une partie vitale d'elle.