Ecologie : chapitre 7 : L’Homme dans la Biosphère

Qu’est-ce que l’Anthropocène ?

L’Anthropocène désigne une époque où les activités humaines modifient profondément la biosphère au point que l’Homme devient une force géologique : il transforme les climats, les cycles biogéochimiques, la biodiversité et les paysages, laissant des traces durables dans les sédiments.

Le consensus est ± 300 ans, avec la révolution industrielle (environ depuis 1750). D’autres dates sont parfois proposées (après la 2e GM, machine à vapeur…), mais la référence principale reste l’industrialisation.

Pourquoi dit-on que l’Anthropocène est visible sur des courbes exponentielles ?

Parce que depuis ~1750, de nombreux indicateurs (population, ressources, CO₂, conversion des terres, engrais…) suivent des courbes en “explosion”, montrant une accélération massive et synchronisée de la pression humaine sur la biosphère.

Quelles sont les principales preuves (indicateurs) du passage à l’Anthropocène ?

• Croissance de la population humaine (1–2 milliards → ~8 milliards → 9–10 milliards vers 2050)

• Consommation de ressources par individu (énergie, métaux, eau, surfaces…)

• Combustibles fossiles → émissions CO₂, CH₄, particules

• Artificialisation / conversion des terres (~40% des surfaces continentales modifiées)

• Engrais industriels / Haber-Bosch → excès d’azote, eutrophisation

• Déforestation massive

• Extinctions d’espèces (≈1000 espèces documentées disparues en 500 ans)

• Perturbation globale des cycles biogéochimiques (C, N, P, S)

Donne des exemples de marqueurs stratigraphiques possibles de l’Anthropocène.

• Plastiques et déchets non biodégradables (métaux, électronique…)

• Métaux lourds disséminés par industrie et combustibles fossiles

• Résidus nucléaires

• Particules issues des combustibles fossiles

• Changements massifs de biodiversité (extinctions, assemblages modifiés)

Explique l’exemple de la morue (Gadus morhua) et la pêche intensive.

La pêche capture préférentiellement les grands individus. Ceux qui restent et se reproduisent sont davantage les petits (maturité plus précoce). Résultat : sélection vers une taille plus petite et un âge de reproduction plus jeune. C’est une évolution “forcée” par l’homme.

Donne la définition générale de la pollution

Pollution = modification défavorable d’un écosystème, due totalement ou partiellement à l’activité humaine, qui altère son fonctionnement. Elle se traduit par :

• perturbation des flux d’énergie

• perturbation des cycles de matière

• modification de la répartition des espèces

• modification des abondances (dominance / raréfaction)

• altération des fonctions écologiques (productivité, décomposition…)

Quelles sont les 3 grandes catégories de pollution ?

• Pollution chimique : Pollution par des substances toxiques naturelles ou artificielles (métaux lourds, pesticides, plastiques, hydrocarbures…). Effets : toxicité directe, perturbations physiologiques, et parfois perturbation des cycles biogéochimiques (ex : excès N → eutrophisation).

• Pollution biologique : Introduction ou prolifération d’organismes pouvant déséquilibrer l’écosystème. Exemple : espèces exotiques envahissantes (poissons rouges relâchés → impact sur tritons : prédation, perturbation reproduction, compétition), ou contaminations microbiennes.

• Pollution physique : Pollution qui modifie physiquement le milieu : pollution lumineuse (effets sur rapaces nocturnes), pollution thermique, pollutions radioactives / rayonnements (radionucléides, isotopes instables → radioactivité)

Définis l’eutrophisation.

L’eutrophisation est un enrichissement anormal d’un milieu aquatique en nutriments, surtout azote (NO₃⁻) et phosphore (PO₄³⁻), ce qui stimule excessivement la production de biomasse (phytoplancton) → blooms, chute d’oxygène, perturbations écologiques.

Quelles sont les grandes sources de nutriments responsables de l’eutrophisation ?

• ruissellement et érosion du bassin versant

• engrais agricoles (N et P)

• eaux usées domestiques

• pollutions industrielles

• pluies contenant des nitrates atmosphériques

Classe les milieux aquatiques

• Oligotrophe : peu de nutriments → eau claire, faible phytoplancton, faible végétation aquatique, productivité faible. Souvent lacs d’origine glaciaire (ex : montagnes). Milieu pauvre en N et P.

• Mésotrophe : nutriments modérés, développement normal du phytoplancton et flore aquatique, chaîne alimentaire stable. État intermédiaire pouvant durer longtemps.

• Eutrophe : trop de nutriments → eau trouble/verdâtre, forte production de phytoplancton et algues, dépôts organiques importants, risque de déficit en O₂ (anoxie), mortalité des poissons et comblement progressif.

Différence entre eutrophisation naturelle et eutrophisation anthropique.

Naturelle : lente, sur milliers d’années, accumulation progressive de sédiments → marais/tourbière.

Anthropique : rapide, liée à agriculture intensive, eaux usées… → blooms massifs → consommation d’O₂ → mortalités et comblement en quelques décennies.

Naturellement, l’eutrophisation existe mais elle est très lente (milliers d’années). L’humain l’accélère fortement (engrais, eaux usées, industrie), ce qui transforme un processus normal en dérèglement rapide (en décennies).

Comment mesurer l’eutrophisation ?

Analyses chimiques : concentrations en NO₃⁻ et PO₄³⁻ → classification du lac.

Disque de Secchi : mesure de transparence (profondeur de visibilité de l’eau).

• faible profondeur de visibilité (ex : <1 m) → souvent eutrophe

• forte profondeur (ex : 5–10 m) → souvent oligotrophe

Limite : certains lacs sont naturellement bruns (tourbières/Hautes Fagnes) → il faut croiser Secchi + chimie.

Processus d’eutrophisation en stades

Stade 1 : lac oligotrophe.

Milieu pauvre en nutriments, eau claire, faible production de phytoplancton, écosystème stable et peu productif. Apports de nutriments très lents (érosion/ruissellement).

Stade 2 : enrichissement et explosion du phytoplancton.

Les nitrates et phosphates s’accumulent dans la zone éclairée (zone photique/épilimnion) → prolifération du phytoplancton, augmentation turbidité, puis mort du phytoplancton → production de matière organique morte qui chute vers le fond.

Stade 3 : anoxie des couches profondes et chimio-cline.

Les bactéries décomposeuses dégradent la matière organique au fond et consomment énormément d’O₂. L’oxygène des eaux profondes s’épuise → installation d’une chimio-cline (frontière nette) entre surface oxygénée et profondeur pauvre en O₂. Début de conditions anaérobies, accumulation de MO.

Stade 4 : lac anoxique et comblement.

L’anoxie s’aggrave, les bactéries anaérobies dominent, production de gaz réducteurs comme H₂S (odeur œuf pourri). La décomposition devient inefficace → accumulation de sédiments organiques, la chimio-cline monte et le lac se comble → évolution vers marais.

Pourquoi l’eutrophisation est-elle importante en écologie (conséquences majeures) ?

Parce qu’elle :

• modifie les communautés (changements d’espèces dominantes)

• perturbe les flux d’énergie

• perturbe cycles biogéochimiques (N, P, O₂…)

• réduit la biodiversité

• peut créer des zones mortes (anoxie)

• transforme durablement l’écosystème (jusqu’à disparition du lac).

Pourquoi l’effet de serre est-il indispensable à la vie sur Terre ?

L’effet de serre est un phénomène naturel qui maintient la température moyenne de la Terre autour de +14 °C. Sans lui, la température moyenne serait d’environ –18 °C, ce qui rendrait la biosphère actuelle impossible. Il permet donc de conserver suffisamment de chaleur pour maintenir de l’eau liquide et permettre la vie.

L’effet de serre existe depuis l’apparition de l’atmosphère terrestre. Le problème actuel provient de l’effet de serre additionnel, dû à l’augmentation rapide des gaz à effet de serre causée par les activités humaines.

Décris le mécanisme général de l’effet de serre.

1. Le rayonnement solaire atteint la Terre.

2. Une partie est réfléchie vers l’espace, l’autre est absorbée par la surface qui se réchauffe.

3. La Terre réémet cette énergie sous forme de rayonnement infrarouge (longue longueur d’onde).

4. Les gaz à effet de serre (GES) absorbent ces infrarouges et les réémettent vers la surface.

5. Cette réémission retient une partie de la chaleur dans l’atmosphère : c’est le piégeage thermique.

Quels sont les principaux gaz à effet de serre naturels ?

• vapeur d’eau (H₂O) : le plus important naturellement

• dioxyde de carbone (CO₂) : issu de la combustion des combustibles fossiles

• méthane (CH₄) : issu de l’agriculture, élevage, décharges

• protoxyde d’azote (N₂O) : lié aux fertilisants agricoles

• CFC et gaz industriels : utilisés autrefois dans les aérosols et systèmes de réfrigération.

Que sont les CFC et pourquoi leur usage est interdit ?

Les chlorofluorocarbures (CFC) ont été interdits dans les années 1990 car :

• ils sont des gaz à effet de serre extrêmement puissants,

• ils détruisent la couche d’ozone stratosphérique.

Ils ont été remplacés par d’autres gaz moins destructeurs pour l’ozone, mais qui posent parfois d’autres problèmes environnementaux.

Quelle est la contribution approximative des principaux gaz à effet de serre ?

• CO₂ : ~60 % (le plus problématique car il est de loin le plus abondant dans l’atmosphère).

• Méthane : ~20 %

• N₂O : 6–14 %

• CFC : faible proportion mais très puissants (environ 6 000 à 20 000 fois plus puissants que le CO₂).

Pourquoi le méthane représente-t-il un danger climatique particulier ?

Le méthane est un gaz à effet de serre environ 25 fois plus puissant que le CO₂ à quantité égale. Il est émis par :

• l’élevage (ruminants),

• les décharges,

• les lisiers,

• certaines zones humides,

• le permafrost.

La fonte du permafrost pourrait libérer de grandes quantités de CH₄, créant une boucle de rétroaction positive qui amplifierait le réchauffement.

Qu’est-ce que le permafrost et pourquoi inquiète-t-il les climatologues ?

Le permafrost est un sol gelé en permanence dans les régions polaires. Il contient d’importantes quantités de matière organique et de méthane piégés. Si ce sol fond à cause du réchauffement climatique, il peut libérer du CH₄ dans l’atmosphère, ce qui accentuerait encore le réchauffement.

Quel est le rôle du GIEC ?

Le GIEC (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat) analyse les données scientifiques sur le climat et évalue les impacts et projections du changement climatique. Il met particulièrement l’accent sur le rôle du CO₂ anthropique dans l’augmentation de la température moyenne mondiale.

La Terre a-t-elle toujours eu un climat stable ?

Non. La Terre a connu de nombreux cycles naturels de refroidissement et de réchauffement, visibles sur les 400 000 dernières années, avec des variations de température pouvant atteindre environ 8 °C.

Dans le passé, les données montrent une corrélation très forte entre les concentrations de CO₂ et de CH₄ et la température globale. Lorsque les concentrations de gaz à effet de serre augmentent, la température augmente également.

Comment les scientifiques reconstituent-ils le climat du passé ?

Les scientifiques utilisent la paléoclimatologie, notamment l’étude des carottes de glace prélevées dans l’Arctique et l’Antarctique. Les carottes de glace contiennent :

• des bulles d’air emprisonnées, qui permettent de mesurer directement les concentrations anciennes de gaz (CO₂, CH₄),

• des isotopes de l’oxygène, qui permettent d’estimer les températures passées.

Qu’est-ce qu’un isotope ?

Un isotope est un atome qui possède le même nombre de protons et d’électrons, mais un nombre différent de neutrons. Les isotopes d’un même élément ont donc des masses différentes.

Exemples d’isotopes de l’oxygène utilisés pour reconstituer les climats passés :

• ¹⁶O : isotope léger

• ¹⁸O : isotope lourd

Ces isotopes se trouvent dans les molécules d’eau.

Pourquoi l’eau contenant ¹⁶O s’évapore-t-elle plus facilement ?

Parce que l’isotope ¹⁶O est plus léger que ¹⁸O. Les molécules d’eau contenant cet isotope nécessitent moins d’énergie pour passer à l’état de vapeur, donc elles s’évaporent plus facilement.

Que se passe-t-il pendant une période chaude/froide concernant les isotopes de l’oxygène ?

Pendant une période chaude :

• l’évaporation globale augmente,

• les vapeurs riches en ¹⁶O atteignent plus facilement les pôles,

• la glace polaire contient donc plus de ¹⁶O.

Pendant une période froide :

• l’évaporation diminue,

• moins de ¹⁶O atteint les pôles,

• la glace polaire contient proportionnellement plus de ¹⁸O.

Que permet de déterminer le rapport isotopique ¹⁶O/¹⁸O dans les glaces polaires ?

Le rapport ¹⁶O/¹⁸O permet d’estimer les températures passées. En comparant ces ratios dans différentes couches de glace, les scientifiques reconstituent l’évolution du climat sur des centaines de milliers d’années.

Que montrent les données modernes (NOAA) sur le CO₂ atmosphérique ?

Les données mesurées depuis les années 1960 montrent une augmentation continue et rapide du CO₂ atmosphérique, parallèle à l’augmentation des émissions humaines de CO₂.

Les deux courbes évoluent presque en parallèle, ce qui indique que l’augmentation actuelle du CO₂ est principalement due aux activités humaines (combustion fossile, déforestation, industrie).

Les variations de température globales sont généralement mesurées par rapport à la fin du XIXᵉ siècle, c’est-à-dire avant l’industrialisation massive.

Quels sont les trois types de scénarios climatiques étudiés par le GIEC ?

Scénario pessimiste

• Peu ou pas de réduction des émissions.

• Réchauffement possible d’environ +2 °C ou plus.

Scénarios intermédiaires

• Réduction partielle des émissions.

Scénario optimiste

• Forte réduction des émissions.

• Objectif de neutralité carbone vers 2055.

Qu’est-ce que la neutralité carbone ?

La neutralité carbone correspond à un équilibre entre les émissions de CO₂ et son absorption par les puits naturels, notamment forêts, végétation, sols, biomasse via la photosynthèse.

Autrement dit, la quantité de CO₂ émise doit être compensée par la quantité de CO₂ captée.

Quels types d’émissions de CO₂ faut-il considérer pour les sources d’énergie ?

Il existe deux types d’émissions :

• Émissions directes : produites lors de la production d’électricité

• Émissions indirectes : liées à la construction des infrastructures, la fabrication des matériaux, la maintenance des installations

Comment se comparent les principales sources d’énergie en termes d’émissions de CO₂ ?

Énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz)

• émissions très élevées

• principale source de CO₂ anthropique

Énergies renouvelables

• émissions faibles

• mais pas nulles si l’on inclut fabrication et maintenance

Nucléaire

• quasi zéro émission de CO₂ en production

• avantage majeur pour les objectifs climatiques

• mais pose d’autres problèmes : risques de sécurité, gestion des déchets radioactifs

Pourquoi les premières estimations du réchauffement climatique étaient-elles sous-estimées ?

Parce que les océans ont absorbé une quantité énorme de CO₂, bien plus que prévu initialement.

Ils jouent donc un rôle majeur de tampon climatique, limitant temporairement l’augmentation du CO₂ atmosphérique.

Les océans absorbent davantage de CO₂ lorsque sa concentration atmosphérique augmente car cela augmente également sa pression partielle. Ce qui favorise la dissolution du CO₂ dans l’eau de mer, ce qui entraîne un transfert de CO₂ de l’atmosphère vers l’océan.

Pourquoi les océans ne sont-ils pas partout des puits de CO₂ ?

La capacité d’absorption du CO₂ dépend de facteurs physiques :

• Zones froides (hautes latitudes) : eau froide donc dissolution du CO₂ plus efficace, ce sont donc des océans puits de CO2

• Zones tropicales et subtropicales : eau chaude donc dissolution moins efficace, ce sont donc des océans sources de CO2

Quelle évolution récente observe-t-on dans les océans concernant le CO₂ et le pH ?

Les observations montrent :

• augmentation du CO₂ atmosphérique

• augmentation parallèle du CO₂ dissous dans l’océan

• diminution du pH de l’eau de mer

En environ 20 ans, le pH océanique a diminué d’environ 0,1 unité, ce qui est considérable sur le plan biologique.

Explique le mécanisme chimique de l’acidification des océans.

1) Dissolution du CO₂ : CO₂ + H₂O → H₂CO₃ (acide carbonique)

2) Dissociation : H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻

L’augmentation du CO₂ entraîne une augmentation des ions H⁺, ce qui acidifie l’eau de mer.

Pourquoi l’acidification diminue-t-elle la disponibilité des ions carbonates ?

Les ions H⁺ en excès réagissent avec les carbonates : H⁺ + CO₃²⁻ → HCO₃⁻

Résultat : diminution des ions CO₃²⁻ mais ces ions sont pourtant essentiels pour produire le carbonate de calcium (CaCO₃) utilisé par de nombreux organismes marins. Notamment les organismes calcificateurs, qui utilisent le CaCO₃ pour leur squelette : coraux, échinodermes, foraminifères, mollusques, gastéropodes du zooplancton

Pourquoi l’acidification rend-elle la calcification plus difficile ?

Parce qu’elle diminue la disponibilité des ions carbonates nécessaires à la réaction : Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃

Sans ces ions, les organismes ont plus de difficulté à produire ou maintenir leurs structures calcaires.

Quels sont les deux grands effets négatifs de l’acidification des océans ?

Effet chimique

• diminution des ions carbonates

• réduction de la calcification

Effet physiologique

• perturbation du pH interne

• stress métabolique

• perturbation de l’osmorégulation

Quel événement historique est associé à une forte acidification des océans ?

La transition Paléogène – Éocène.

Cette période est marquée par :

• perturbations climatiques importantes

• acidification océanique

• diminution de la diversité de nombreux organismes marins, notamment les foraminifères.

Que sont les foraminifères ?

Les foraminifères sont des protistes eucaryotes unicellulaires possédant une coquille calcaire (thèque) composée de carbonate de calcium (CaCO₃). Cette coquille est perforée de petits trous appelés foramens, d’où leur nom.

Les foraminifères sont de bons indicateurs environnementaux parce qu’ils sont très abondants dans les océans et très sensibles aux changements chimiques de l’eau : lorsque le pH diminue, leur diversité et leur abondance chutent rapidement.

Les poissons sont-ils affectés par l’acidification des océans ?

Oui. Même s’ils ne possèdent pas de squelette externe calcaire, l’acidification peut provoquer :

• perturbations physiologiques

• stress métabolique

• ralentissement de la croissance

Qu’est-ce qu’un otolithe ?

Les otolithes sont de petites structures minérales situées dans l’oreille interne des poissons. Ils sont impliqués dans l’équilibre, l’orientation, l’audition.

Ils sont importants pour l’orientation des poissons car beaucoup de poissons ont un stade larvaire pélagique en pleine mer puis doivent retrouver un habitat côtier. Pour s’orienter, ils utilisent des signaux sensoriels comme les sons du récif et les vibrations des vagues

L’acidification peut perturber les otolithes des poissons et avoir différentes conséquences :

• orientation altérée

• difficulté à retrouver l’habitat

• difficulté à capturer les proies.