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Biologie aquatique : introduction

Végétal ou animal ?

A l'école primaire on vous a appris qu'un animal est un organisme qui bouge et qu'un végétal est un organisme qui est immobile. C'est peut-être vrai pour les organismes terrestres mais pas pour les espèces aquatiques.
Vous verrez qu'il y a beaucoup d'animaux aquatiques qui vivent fixés dès l'âge adulte et que beaucoup d'algues (végétaux) se déplacent au gré des courants.

La distinction entre végétaux et animaux tient à la façon de se "nourrir".
Les végétaux sont capables de synthétiser les sucres dont elles ont besoin à partir d'éléments minéraux : eau, gaz carbonique, nitrates, phosphates, sulfates.
Cette réaction chimique est appelée photosynthèse ; elle est possible grâce à l'énergie solaire et grâce aux chloroplastes qui sont des composantes cellulaires propres aux végétaux.

Au contraire d'un végétal un animal vit en se nourrissant de matière organique existante c'est à dire en mangeant des végétaux ou d'autres animaux morts ou vivants. Il consomme aussi pour vivre de l'oxygène et rejette du gaz carbonique.

Donc sans végétaux point d'animaux puisque sans végétaux il n'y aurait pas d'oxygène dissout dans l'eau et dans l'air ...

Employons maintenant des mots savants (lol). On dit qu'un végétal est un organisme autotrophe ("se nourrir soi-même" en grec ancien) alors qu'un animal est un organisme hétérotrophe ("se nourrir des autres" en grec ancien).

Beaucoup d'animaux aquatiques peuvent vivrent fixés car l'eau (de mer ou douce) est une "soupe nutritive" (riche en plancton). Ils n'ont pas besoin de se déplacer pour s'alimenter. Ils peuvent aussi être fixé sur un organisme mobile.

La photosynthèse

C'est le processus par lequel les végétaux (et les cyanobactéries) construisent leurs tissus et émettent de l'oxygène en absorbant gaz carboniques et sels minéraux et cela grâce à la lumière solaire.
La photosynthèse exige des pigments dont le principal est la chlorophylle. Les organites cellulaires contenant la chlorophylle s’appellent les chloroplastes.

Ci-dessous schéma de la photosynthèse :

Il y a 3,5 milliards d’années sont apparus dans les océans les cyanobactéries. Ces procaryotes capables de réaliser la photosynthèse vont libérer dans l'eau et l'atmosphère d'énormes quantités d'oxygène.

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Les océans

Notre planète Terre est bien mal nommée avec 70 % de la surface recouverte par les océans. L'eau de mer représente 97 % de l'eau sur notre planète le reste est constitué des eaux douces continentales (rivières et lacs) et des glaces polaires.

La profondeur moyenne des océans est de 3 800 mètres !

L'eau de mer est 800 fois plus dense que l'air. Cette densité varie avec la température; plus l'eau est froide et plus elle est dense. Donc les eaux froides provenant des pôles ont tendance à couler vers les grands fonds.

La densité de l'eau de mer est en moyenne de 1,03 g/cm3 (1g/cm3 pour l'eau distillée) avec une salinité de 35 g au litre. Mais la salinité varie selon les zones. La mer rouge est très salée alors que la mer Baltique l'est très peu. Les eaux des estuaires ont logiquement une faible salinité (apport d'eau douce). On parle d'eau saumâtre.

La température de l'eau de mer est fonction de la latitude, de la profondeur et de la saison. Compte tenu de sa salinité le point de congélation de l'eau de mer est -4°.

L'eau est un filtre qui absorbe successivement les radiations rouges, oranges, violettes, jaunes, vertes. Le bleu est la couleur qui disparait en dernier. Après 500 mètres c'est l'obscurité totale.

Absorption de CO2 et acidification des océans

Un tiers du CO2 lié aux activités humaines est absorbé par les océans chaque année.  Ce CO2 se dissout dans l’eau pour former un acide, appelé acide carbonique, qui modifie l’équilibre chimique de l’eau de mer en diminuant son PH. C’est ce que l’on appelle l’acidification des océans. Une diminution de 0,1 du PH représente une augmentation de 30 % de l’acidité, ce qui suffit à créer des impacts dévastateurs sur de nombreuses espèces marines.

Ainsi, un PH plus acide réduit la disponibilité des ions carbonates dans l’eau, nécessaires à la construction et à la conservation des coquillages et des squelettes. Il devient alors plus difficile pour les micro-organismes contenus dans le plancton, par exemple, de construire leur coquille. Non seulement ces organismes marins dépensent plus d’énergie à essayer de former leur coquille, affectant ainsi leur croissance, mais ils sont aussi plus vulnérables à d’autres facteurs de stress. Ces micro-organismes sont à la base de la chaine trophique de centaines d’espèces.

Les coraux sont eux aussi touchés par ce phénomène et se développent beaucoup plus lentement. La situation devient inquiétante car, par endroits, l’érosion naturelle est plus rapide que la constitution d’autres récifs coralliens, leur surface est donc en diminution. Or, une espèce sur quatre dans les océans vit sur un récif corallien...

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Genèse de la vie

Il y a 4 milliards d’années les océans se forment. La composition chimique de la mer primitive est bien différente de celle actuelle.

Les stromatolites fossiles sont la trace du travail réalisé par les cyanobactéries (organismes photosynthétiques) qui vivaient déjà il y a 3,5 milliards d’années.

Les cyanobactéries sont des procaryotes c’est à dire des cellules dépourvues de noyau ; le génome est constitué d’un seul filament d’ADN.

Il y a 2 milliards d’années les procaryotes autotrophes sont de plus en plus nombreux ; ils libèrent des quantités énormes d’oxygène dans l’eau et l’atmosphère. Par ailleurs la couche d’ozone commence à se former.

Apparition des eucaryotes il y a 1,5 milliards d’années.

Chez les eucaryotes le matériel génétique est dans un noyau et il est réparti entre différents chromosomes. Les premiers eucaryotes sont bien sûr unicellulaires ; ce sont les protozoaires.

Il y a moins d’un milliard d’années apparition des premiers métazoaires (organismes pluricellulaires hétérotrophes), les animaux si vous préférez …

Vers 500 millions d’années c’est "l’explosion cambrienne" : tous les embranchements actuels et fossiles apparaissent. C’est aussi la conquête du milieu terrestre par les mousses (plantes non vasculaires) ; l’atmosphère terrestre atteint 7 %.

Vers 430 millions d’années les premières plantes vasculaires apparaissent.
Ci-dessous reconstitution de la faune au Cambrien :

Vers 450 millions d’années les agnathes (poissons cuirassés sans mâchoires) apparaissent dans les océans.
Sur terre les conditions sont désormais réunies pour une colonisation par les animaux : des arthropodes comment à s’aventurer hors de l’eau.
la couche d ‘ozone – protection indispensable face aux ultra-violets mortels du rayonnement solaire est bien formée et l’oxygène dans l’atmosphère atteint 15 %.

Il y a 410 millions d’années apparition des premiers poissons à mâchoires : les placodermes.

Vers 400 millions d’années début du Dévonien : les poissons osseux apparaissent ainsi que les cartilagineux.
C’est vers la fin de cette période de 40 millions d’années que des poissons osent sortir de l’eau.
Puis ces poissons s’émancipent de plus en plus du milieu aquatique sauf pour la reproduction ; ce sont les amphibiens.

Vers 290 millions d’années (Carbonifère) certains amphibiens se mettent à pondre des oeufs amniotiques leur permettant de s’affranchir complètement du milieu aquatique : ce sont les premiers reptiles.

Le Trias débute vers 220 millions d’années. Cette période fait suite après une terrible extinction concernant surtout les amphibiens.
Durant cette période les dinosaures sont tout en haut des chaines trophiques sur terre mais aussi dans les océans.

C'est au Trias qu'apparaissent les reptiles mammaliens qui sont encore tout petits et très discrets.

Vers 65 millions d’années deuxième hécatombe suite probablement à la chute d’une météorite géante. Les dinosaures disparaissent laissant des niches écologiques pour les mammifères et les oiseaux.

Vers 50 millions d’années des mammifères terrestres profitent du vide laissé par la disparition des grands dinosaures marins pour retourner vers les océans.
La conquête de ce milieu s'accomplit grâce à de multiples adaptations, notamment au niveau du système de locomotion et des poumons. 
Leur système respiratoire pulmonaire se modifie lentement de telle façon qu'un séjour en plongée leur soit possible (flexibilité notamment de la cage thoracique qui peut, sous l'effet de la pression, s'aplatir et comprimer l'air des poumons).
Les membres antérieurs des Cétacés se transforment en palettes natatoires tandis que leurs membres postérieurs régressent

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La reproduction

Si je vous dis : « Chez les mammifères la reproduction est uniquement sexuée ; les sexes sont séparés ; la fécondation est interne et il y a viviparité ».
Comprenez vous cette phrase ?
Si NON alors lisez au moins le chapitre « Reproduction - l’essentiel » ci-dessous. Car lorsque je décris sommairement la reproduction dans chaque groupe d’organismes aquatiques je suis obligé d’employer certains termes dont ceux de la phrase.

La reproduction - l'essentiel

Il faut distinguer la reproduction asexuée de la reproduction sexuée.

La reproduction asexuée

La reproduction asexuée est très répandue chez les végétaux (aussi elle est appelée également "multiplication végétative") mais aussi chez certains invertébrés. Il s’agit d’un mode de reproduction monoparental. l’individu se divise en deux ou produit des bourgeons qui vont ensuite se détacher pour donner de nouveaux individus.
Pensez à la multiplication des plantes via les stolons ou rhyzomes ou bulbes ou tubercules. Pensez au bouturage ou marcottage pratiqué par le jardinier.
Dans le cadre de la reproduction asexuée les nouveaux individus sont des copies parfaites (même programme génétique) de leur parent unique. On parle aussi de "clones".

La reproduction sexuée

On parle de reproduction sexuée lorqu'un nouvel individu est à l'origine une cellule-oeuf découlant de la fusion (fécondation) de deux gamètes (cellules sexuelles) : un gamète mâle (spermatozoïde) et un gamète femelle (ovule).
Le nouvel individu a un patrimoine génétique propre distinct de celui de son père et de sa mère, des ses frères et soeurs car la reproduction sexuée est une "double loterie génétique" ; un premier brassage génétique lors de la gamétogenèse (production des gamètes chez le père et la mère) ; un deuxième brassage génétique lors de la fécondation (fusion d'un ovule et un spermatozoïde en une cellule-oeuf).

Le terme sexes séparés veut dire qu’un individu nait mâle ou femelle et le reste durant toute son existence. C’est le cas chez les mammifères mais aussi les reptiles, amphibiens, sélaciens et les arthropodes. Par contre dans d’autres groupes c’est souvent l’hermaphrodisme qui prédomine. C’est à dire qu’un individu est en même temps mâle et femelle (hermaphrodisme synchrone) ou bien change de sexe durant son existence. Deux cas de figure alors : protandre (d'abord mâle puis femelle) ou protogyne (d'abord femelle puis mâle).

Dans le cadre de la reproduction sexuée la fécondation peut être externe (rencontre des gamètes dans le milieu aqueux) ou interne (le mâle doté d’un appendice reproducteur dépose son sperme dans les voies génitales de la femelle).

Quand au développement de l’embryon découlant de la fécondation il peut se faire dans la matrice de la femelle. On parle alors de viviparité (avec apports nutritifs de la mère) ou ovoviviparité (pas d’apports nutritifs de la mère ; l’embryon vit sur ses réserves ou cannibalise les autres embryons).
Si la femelle pond des œufs on parle d’oviparité. Les œufs peuvent être produits en faible quantité et protégés ou produits en très grand nombre et laissés à la merci des prédateurs. Cela dépend des espèces.

Pour en savoir plus sur la reproduction et en particulier sur la reproduction sexuée qui permet un "brassage génétique" : la reproduction - approfondissements.

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Nommer les espèces

Dans ce tutoriel je désigne les espèces par leur nom commun (ou nom vernaculaire).
Sachez cependant que les noms communs présentent de gros inconvénients ; souvent on emploie un même mot pour désigner plusieurs espèces parfois très différentes. Ainsi le terme Limaces de mer désigne un groupe de mollusques gastéropodes sans coquille mais aussi des petits poissons d'estran au corps visqueux.
Autre exemple, l'expression Souris de mer peut désigner un oursin, un ver annélidé ou encore un poisson proche de la Rascasse.
Par ailleurs le nom commun peut différer selon les régions. Ainsi Bar et Loup de mer désignent la même espèce de poisson.
Autre inconvénient, le nom commun peut parfois induire carrément en erreur. Ainsi l'espèce Mnemiopsis leidyi dont le nom vernaculaire est Méduse américaine. Ce qui laisse penser qu'il s'agit d'un cnidaire or il s'agit d'un cténaire (animal pélagique gélatineux et collant) !
Autre exemple : le terme "crabe" est ambigu. Le Crabe porcelaine n'est pas un vrai brachyoure (crabe vrai) alors que l'Araignée de mer est un véritable brachyoure !

Aussi les biologistes désignent-ils une espèce par un nom scientifique (en latin). Le nom scientifique présente un autre avantage : il est international !

Convention syntaxique : le nom scientifique comprend toujours deux mots : nom de genre suivi du nom d'espèce. Il est toujours écrit en caractères italiques ; le nom de genre commence par une majuscule.

Entre le nom scientifique en latin et le nom vernaculaire il existe la version francisée du nom latin.

Mais au fait, qu'est-ce qu'une espèce ???

Une espèce c'est une population d'individus pouvant se reproduire entre eux et engendrer une descendance viable et féconde.
Pour prendre un exemple à contrario. Un âne et une jument n'appartiennent pas à la même espèce car le mulet (ou la mule) qu'ils ont engendré est stérile ! On dit que ce descendant est un hybride. L'âne et le cheval sont donc deux espèces différentes mais aussi très proches (appartiennent au même genre avec le zèbre).
Tous les individus d'une même espèce ont des caractères communs et qui sont spécifiques à l'espèce.
Mais en même temps il existe des variations selon les individus (caractères propres à chaque individu).
Ainsi ce qui caractérise l'espèce humaine par rapport aux autres "grands singes" c'est la bipédité et le langage.

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Retenir le sens des mots "savants"

Les mots scientifiques employés par les biologiste peuvent souvent dérouter et décourager le lecteur.
Chaque mot "savant" est construit à partir de deux mots grecs (ou latins).
Ainsi protogyne vient du grec [proto] qui veut dire premier et de [gyn] qui veut dire femelle. Donc ça veut dire "femelle en premier".
Et dans protandre vous trouvez le suffixe [andr] qui veut dire mâle. Donc protandre signifie : "d'abord mâle".

Prenons d'autres exemples.
Sciaphile : [scia] : ombre et [phil]: aimer. Donc désigne un organisme qui préfère l'obscurité. Le terme photophobe existe aussi mais d'un usage moins courant par les biologistes. [photo] : lumière et [phobe] : déteste.
Nécrophage : [necro] : mort et [phago] : manger. Donc ce mot désigne un animal nécrophage est un charognard !
Allochtone : [allo] : différent, étranger et [chtôn] : la terre. Donc ce terme désigne une espèce dont l’origine est à l’extérieur de l'aire considérée.
Beaucoup de termes utilisent le suffixe [trophe] qui veut dire "nourriture" en grec ou [phage] qui veut dire "manger".
Ainsi les termes planctonophage et planctotrophe sont synonymes.
De nombreux termes contiennent le suffixe "pode" (pied ou patte) : tétrapode (4 pattes), décapode 10 pattes), hexapode (6 pattes), apode (sans pattes), etc.

Par contre l'origine du mot ovipare est latine. [ovum] signifie œuf en latin et [par] qui signifie enfanter donc : "enfanter un oeuf".
Il en est de même pour vivipare ; [vivi] qui signifie vivant donc vivipare : "enfanter un vivant" c'est à dire un individu déjà formé.
Tous les termes qui se terminent par "vore" ont aussi une origine latine. [vorare] signifie dévorer. On obtient donc les termes herbivore (mange des végétaux), carnivore (mange d'autres animaux), piscivore (mange des poissons), limnivore (mange ce qui se trouve dans la vase), etc.

On peut avoir un mot scientifique d'origine latine et un autre d'origine grecque synonymes. Ainsi herbivore et phytophage sont des termes équivalents (organismes mangeant des végétaux). Glossaire des termes scientifiques en biologie

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La classification du vivant

Selon des chercheurs il y aurait près de 9 millions d'espèces sur terre et dans les océans ... Face à ce nombre vertigineux la classification des espèces devient indispensable.

La classification du vivant est représentée sous la forme d'une arbre schématique appelée arbre phylogénétique (ou plus simplement arbre de filiation).

Ci-dessous arbre de filiation établie par la commission nationale BIO de la FFESSM

arbre filiation

Il est indiqué pour chaque groupe son caractère spécifique. Ainsi les cnidaires sont tous dotés de cellules urticantes : les cnidocytes (ou cnidoblastes).
Sachez aussi que cette arbre repose sur la classification moderne dite cladistique.

Cet arbre de filiation est partiel ; il ne présente que les organismes macroscopiques marins et exclut ceux qu'on ne voit pas (organismes microscopiques).

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Le Plancton : soupe nutritive

Le plancton est constitué de tous les organismes qui vivent en pleine eau et se déplacent avec le courant.
Hormis les méduses, le plongeur ne voit pas le plancton mais le devine. Au printemps lorsque l'eau est très chargée en suspensions (ce qu'on appelle "la floraison") d'où une visibilité mauvaise, c'est du plancton végétal en plein "bloom".
L'essentiel de la biomasse marine est planctonique !

Ci-dessous à gauche la vie dans une goutte d'eau de mer et à droite un Copépode :
copepode

Le Copépode est un minuscule crustacé (autour de 2 mm).

Une goutte d'eau de mer abrite jusqu'à cent mille micro algues, cent mille bactéries, cent millions de virus.
La moitié de la production primaire de biomasse sur la planète est assurée par le phytoplancton océanique qui, parce qu'il absorbe et fixe le CO2, est le plus grand "puit de carbone" de la planète !

On oppose plancton à necton. On désigne donc par le terme necton les animaux pélagiques qui sont capables de se déplacer activement contre le courant. Ce sont surtout les poissons mais aussi les mammifères marins ainsi que les céphalopodes.

Cette section est un simple survol d'un élément essentiel du réseau trophique océanique que constitue le plancton. Pour en savoir plus .

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Les relations entre espèces

Les relations trophiques

Un schéma qui indique pour un écosystème donné qui "mange quoi ? " est appelé une chaine alimentaire ou chaine trophique.
"Troph" en grec signifie en effet "se nourrir".

Je vous ai déjà dit que les végétaux produisent de la matière organique à partir de sels minéraux, du gaz carbonique et grâce à la lumière (photosynthèse). On dit que les végétaux sont des producteurs primaires.

Certains animaux se nourrissent des végétaux. On dit qu'ils sont herbivores ou consommateurs primaires. Ainsi les Copépodes (zooplancton) se nourrissent d'algues unicellulaires (phytoplancton).

De petits poissons mangent le zooplancton. Ce sont des carnivores ou consommateurs secondaires.

De grands carnivores mangent des petits carnivores ; de grands poissons et mammifères marins mangent de petits poissons. Il y a donc des consommateurs secondaires de premier, deuxième ordre,etc.

Ce n'est parce que vous consommer un kilo de matière que votre poids va augmenter de 1 kilo. La majeure partie de la matière absorbée est transformée en énergie pour assurer les fonctions vitales : se déplacer, se reproduire.

Ainsi un copépode pour augmenter sa masse de 1 gramme a du absorber une dizaine de grammes de phytoplancton (rendement de 10%). Et ce faible rendement se retrouve tout le long de la chaine alimentaire. C'est la loi des rendements énergétiques.
Ainsi en mangeant une boite de thon (carnivore de troisième ordre) de 200 grammes vous consommez indirectement 200 kilos de phytoplancton !!!

Ci-dessous deux schémas sur la chaine trophique en milieu marin :

Des animaux détritivores et charognards participent au premier stade de la décomposition. Ce sont ensuite les bactéries qui interviennent pour produire des sels minéraux indispensables pour le développement des végétaux marins ; la boucle est bouclée !

Ci-dessous la loi des rendements énergétiques en schéma :

Les associations inter espèces

Les relations entre espèces ne se limitent pas aux relations trophiques (alimentaires).
A côté des relations de prédation (qui mange qui ?) il y a aussi des coopérations inter espèces.

Exemples de mutualisme

Le Gobie construit un terrier où il se cache en cas d'alerte, la Crevette nettoie méticuleusement ce terrier. En échange elle profite de cet abri et le Gobie lui laisse les restes de son repas.
gobie

Une Anémone de mer vit sur la coquille d'un pagure (ou Bernard-l'ermite). L'anémone éloigne les éventuels prédateurs du crustacé et en échange profite des restes des repas du pagure.

Le lichen est une association symbiotique (association durable, obligatoire et à bénéfices réciproques entre deux espèces) entre une algue et un champignon.
Grâce à la photosynthèse l’algue nourrit le champignon. La masse du champignon protège l’algue du dessèchement ; un lichen peut contenir trente fois son poids en eau.
lichen

La coopération inter espèces peut aussi concerner la fonction reproduction.
Ainsi l'Anodonte (ou "moule d'eau douce") a besoin des poissons pour se reproduire.
Ses œufs sont expulsés par les siphons. Les jeunes larves sont gobées par les poissons et se fixent à leurs branchies où elles s'enkystent et se transforment lentement. Après plusieurs mois, quand la jeune moule a atteint la taille d'un centimètre, elle se détache du poisson et tombe au fond de l'eau.
moule d'eau douce

Trois exemples de parasitisme

L'Anilocre est un crustacé qui s'accroche sur les poissons (particulièrement les Labres) et vit de leur sang. Deux individus accrochés sur le même poisson peuvent communiquer et même se reproduire en utilisant le circuit sanguin de leur hôte.

La Sacculine est un Cirripède (crustacé) qui se fixe sur l'abdomen d'un crabe. Dire qu'elle est un parasite de son hôte est un doux euphémisme. Le scénariste du film Alien a du s'inspirer de cette forme de parasitisme ...

On peut aussi citer la Lamproie qui "vampirise" un poisson (voir l'encart sur les espèces panchroniques).

Ci-dessous : Anilocre sur un poisson, Sacculine sur crabe et deux lamproies sur une truite :
anilocre sacculine
lamproie Pour en savoir plus sur le mutualisme entre espèces.

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