L’écosystème: la dimension négligée du vivant

Face aux dégradations environnementales, la recherche de connaissances dédiées à comprendre et prévenir leur impact sur le vivant manque cruellement d'ambition et souffre d'orientations déséquilibrées. Il manque la construction d'une compréhension écosystémique articulée au renforcement des approches de l’écologie. Une évaluation pertinente des risques écologiques ne peut en faire l'économie.

Les dégradations environnementales qui nous affectent aujourd’hui sont largement imputables à une seule espèce: Homo sapiens[1]. Cette espèce s’avère très invasive sur la planète. Elle est redoutable pour les autres, mais aussi in fine pour elle-même. Ainsi sauver la planète ou sauver l’homme sont deux questions très imbriquées.

La prise de conscience s’élargit mais avec de grandes difficultés pour mobiliser l’action publique collective. Celle-ci s’avère au mieux souvent tétanisée, au pire cynique ou inconsciente devant le problème. Un frein majeur à la mise en oeuvre de l’action provient des limites de notre compréhension de la chaîne de causes à effets qui engendre ces dégradations d’ampleur planétaire et de leurs mécanismes.

Il manque une compréhension de la biosphère en tant qu’écosystème planétaire. L’écosystème est le concept intégrateur d’une science écologique encore balbutiante, seul capable d’appréhender globalement comment s’établissent et se maintiennent les conditions de la vie sur terre. Nous devons nous mettre en capacité de tirer les enseignements d’une situation paradoxale : nombre d’activités humaines inventées dans un souci de progrès, c’est-à-dire de maintenance de l’espèce Homo sapiens, semblent se retourner finalement contre elle par l’entremise de fonctionnements écosystémiques mal compris et qu’en conséquence nous n’avions pas anticipés... Il est urgent de rassembler les forces vives pour changer de mode de raisonnement au moment même où de larges pans du vivant sont déjà en train de disparaître risquant d’emmener avec eux l’espèce humaine.

 L’écosystème, la dimension négligée du vivant

La compréhension du vivant, une question d’écologie autant que de biologie. Dès l’origine de l’évolution, les organismes vivants ne se sont développés qu’au sein d’écosystèmes ; ces assemblages, n’obéissant pas au hasard mais à un ordonnancement fonctionnel très élaboré, assurent la survie à long terme des uns et des autres grâce à l’imbrication de nombreuses symbioses. Organismes vivants et écosystèmes ont donc émergé ensemble, de façon inséparable, dans un même mouvement conjoint. Or, cette indissociabilité n’est pas reflétée par le degré de développement de la science actuelle. Beaucoup plus investie sur la biologie des organismes vivants (à l’instar de la médecine) elle n’étudie que trop faiblement encore l’écologie des écosystèmes.

Elle privilégie une démarche centrée sur les parties du système (la biologie réductionniste orientée vers les organismes avec la biologie moléculaire, la génétique, etc...), au détriment d’une démarche écologique systémique, plus intégrée, et fondée sur l’écosystème. Les immenses progrès récents de la génétique appuyés sur la biologie moléculaire ont largement contribué à ce déséquilibre, et dominent aujourd’hui exagérément les efforts de recherche sur la compréhension du vivant. Le point d’attention soulevé ici n’est évidemment pas une critique de la biologie moléculaire ou de la génétique en soi, qui apportent des progrès majeurs. Il s’agit plutôt d’alerter sur le sous-développement de l’écologie, car l’approche réductionniste ne peut à elle seule expliquer le monde qui nous entoure ainsi que ses évolutions.

En effet, les deux démarches sont aussi nécessaires l’une que l’autre. La première décortique les processus de base jusqu’aux fonctionnements physiologiques et moléculaires (enzymes, ADN, ... et leurs fonctions métaboliques) en les isolant les uns des autres pour comprendre les mécanismes de fonctionnement unitaires, tandis que la seconde, examinant l’ensemble du système, explore comment tous ces fonctionnements unitaires s’articulent les uns aux autres, et quelle en est la résultante globale. Par nature, l’approche (éco)-systémique doit prendre en compte des échelles temporelles et spatiales plus vastes. Cependant, trop confinée encore à l’approche naturaliste purement descriptive, la recherche écosystémique n’est encore qu’ébauchée, et les connaissances demeurent largement insuffisantes pour expliquer ne serait-ce que l’évolution de la biodiversité à laquelle on assiste.

Il existe donc un déséquilibre de connaissances entre la biologie des organismes vivants et l’écologie des écosystèmes. On ne peut prétendre maîtriser les impacts écologiques sans développer un effort de recherche beaucoup plus important sur la science des écosystèmes.

Organismes vivants et écosystèmes, deux facettes inséparables du vivant. Aujourd’hui, on connaît assez bien les lois de réponse toxicologique chez les organismes mais on ne sait pas grand-chose des lois de réponse des écosystèmes à l’accumulation de toxiques. On reste réduit à des observations descriptives de naturaliste. On observe que les écosystèmes réagissent souvent de façon non linéaire et abrupte à l’accumulation d’une contrainte. C’est le cas en Australie avec la mort subite de milliers de poissons causée par les fortes chaleurs qui y règnent en ce moment. C’est également le cas lors du processus d’eutrophisation en milieu aquatique qui se caractérise par un développement brutal et massif des microalgues (on les appelle communément des « blooms ») lorsque les apports de nutriments par ruissellement (nitrates, phosphates) dépassent un certain seuil.

La théorie indique que les systèmes complexes sont régis autour d’un (ou plusieurs) « bassin d’attraction » qui caractérisent une zone de fonctionnement dite métastable (stabilité apparente car temporaire) au sein de laquelle toute perturbation ne dépassant pas un certain seuil est atténuée au point de s’avérer apparemment inopérante. C’est là le très important concept écologique de résilience qui permet aux écosystèmes, lorsqu’ils sont encore intègres, de résister à la pression du changement (comme l’impact délétère d’un stresseur). En revanche, si la pression du changement conduit le système à franchir le seuil, celui-ci bascule brusquement vers une nouvelle zone de fonctionnement métastable (bassin d’attraction) qui sera très différente de la précédente. Le comportement d’un système complexe ne peut être simplement déduit des comportements unitaires de ses parties.

Si l’on retranscrit ce fonctionnement dans l’environnement, cela signifie que si les organismes (les parties du système) réagissent linéairement à la dose d’une substance toxique (en l’occurrence l’effet augmente généralement avec la dose), l’écosystème rassemblant ces organismes (le système constitué de l’assemblage des parties inter-agissantes), lui, n’obéit plus à cette linéarité (l’effet n’augmente pas forcément avec la dose, voire de très petites doses peuvent provoquer de gros effets). Reconnaissant qu’un écosystème est un système complexe au sens évoqué ci-dessus, il est donc illusoire d’affirmer qu’en protégeant les organismes contre les stresseurs on protège l’écosystème. C’est pourtant sur ce postulat que sont basées la plupart des méthodologies actuelles de protection de l’environnement. Les différences de comportement à l’échelle des constituants (les organismes) et à l’échelle du système (l’écosystème) s’expliquent en raison du fait que des processus différents, n’obéissant pas aux mêmes lois, interviennent à ces deux échelles dans la réponse à un stresseur.

Ceci jette un éclairage édifiant sur ce que peut signifier l’observation actuelle du déclin abrupt de la biodiversité... Vers quel nouveau bassin d’attraction se dirige-t-on ? Sera-t-il encore compatible avec la vie humaine ?

 Des méthodes d’évaluation des impacts écologiques obsolètes

Le déclin brutal et massif de la biodiversité planétaire doit nous conduire à réfléchir aux méthodes d’évaluation des risques écologiques que nous employons. Force en effet est de constater que ces méthodes sont manifestement inappropriées. Elles n’ont rien permis de prévoir, et nous découvrons tardivement qu’elles sont incapables d’anticiper l’ampleur des impacts auxquels il faut s’attendre, de sorte que nous restons comme tétanisés face à ce qu’il conviendrait de faire. Pourquoi ne disposons-nous pas aujourd’hui de méthodes éprouvées et efficaces d’évaluation des risques écologiques que les stresseurs environnementaux font peser sur l’avenir de la planète ?

La vision anthropocentrique domine encore. L’idée d’une domination de l’homme sur la nature a imprégné pendant des siècles l’humanité et perdure encore dans nombre de ses réalisations et développements. Cette vision place l’espèce humaine au centre des préoccupations et ne traite son environnement et la nature (les autres espèces notamment) qu’en tant que ressources subordonnées dont tirer parti. L’environnement n’est pris en compte qu’en tant que composante exploitable pour promouvoir le bien-être de l’espèce humaine, tout en ignorant que sa manipulation peut rétroagir de façon néfaste sur la santé humaine. Dans cette vision, l’espèce humaine est mise à part du reste du monde alors qu’elle en fait partie. Se prétendant affranchie des liens qu’elle entretient encore avec les autres espèces (pour respirer, se nourrir, etc...) elle a oublié d’où elle vient et ce qu’elle leur doit.

Cette vision anthropocentrique a aussi imprégné la science et sa façon d’aborder la construction de la connaissance. La médecine en est une bonne illustration : très anthropocentrique par nature, elle se heurte désormais au besoin d’intégrer aussi les composantes environnementales qui apparaissent jouer un rôle de plus en plus évident dans la santé humaine. Au-delà d’un déterminisme de programmation exclusivement dicté par l’ADN, de nouvelles stratégies de recherche, désignées sous le vocable « santé-environnement », s’élargissent à prendre en compte le rôle de l’environnement dans l’expression des gènes (épigénétique).

On comprend dès lors que cette imprégnation a aussi influencé les méthodes d’évaluation du risque. L’approche méthodologique s’est forgée dans l’objectif premier de protéger l’espèce humaine, où le niveau d’attention est l’organisme. Puis, la même méthodologie a été étendue à la protection des autres espèces, toujours à l’échelle des organismes, mais sans tenir compte de leurs interactions entre elles en tant que populations. Tout ceci est fondé sur la compréhension des mécanismes reliant la dose à l’effet chez les organismes. Il en résulte que ces méthodes ne peuvent prétendre traiter le problème d’ensemble dans sa dimension écologique car elles font l’impasse sur un élément fondamental. Elles ignorent les multiples interactions que les espèces, y compris l’espèce humaine, entretiennent entre elles. Ces interactions constituent pourtant le fondement même de leur pérennité garantie par l’écosystème dans lequel elles ont pu évoluer et s’épanouir.

La simplification outrancière des méthodes actuelles utilisées pour évaluer les risques écologiques rend très problématique leur efficacité à véritablement remplir leur rôle. Cette lacune met en lumière le besoin crucial de changer le paradigme vers une vision plus « écocentrique », c’est-à-dire fondée sur le concept d’écosystème.

 Comment dépasser le naturalisme pour renforcer une science écosystémique

Les premiers fondements historiques. Les écologues ont d’abord développé leur connaissance de l’environnement naturel au moyen d’une observation descriptive. Celle-ci a permis de définir les concepts tels que le milieu, qu’ils appellent dans leur jargon le biotope, qui, avec les êtres vivants qui l’habitent, dénommés la biocénose, constituent l’écosystème résultant de leur association.

 L’observation des écosystèmes naturels, voire de la biosphère terrestre elle-même, rend compte de biotopes variés présentant des conditions physico-chimiques qui caractérisent les milieux abiotiques (c’est-à-dire non-vivants), tels que l’atmosphère (composition gazeuse, température, humidité,...), l’eau des mers, rivières et lacs (pH, salinité, température...) et les sols ou sédiments (compositions chimiques variées dépendant des processus ayant gouverné leur genèse). Tous les éléments chimiques primordiaux (matière inorganique) se trouvent dans les milieux.

 Les êtres vivants de la biocénose montrent eux une organisation élaborée autour de trois fonctions - la production (réalisée par les organismes photosynthétiques), la consommation (effectuée par les animaux dont l’homme) et la décomposition (réalisée par les microorganismes, l’ensemble formant le cycle de transformation de la matière vivante (matière organique). Inhérentes aux organismes vivants, ces fonctions sont au cœur de transformations cycliques imbriquées entre matière organique et matière inorganique (minérale).

 De façon plus imagée et en bref, la photosynthèse des plantes, tirant son énergie du rayonnement solaire, prélève dans les milieux les matériaux inorganiques de base (CO2, minéraux...) qui leur servent à synthétiser la matière organique (cellulose, amidon des plantes, etc...) ; cette matière organique sert ensuite d’aliment pour les animaux qui la consomment afin d’en tirer l’énergie nécessaire au maintien de leur métabolisme ; enfin, les déchets produits par les précédents, et notamment lorsqu’ils meurent, sont digérés et recyclés par les microorganismes qui les restituent sous forme minérale (les matériaux inorganiques de base) aux milieux d’où ils avaient été extraits. Ainsi, toute la matière organique mobilisée dans les organismes vivants retourne tôt ou tard, sous l’effet des recyclages, à l’état minéral.

 Ce qu’il est important de comprendre, c’est que ces fonctions de production, consommation et décomposition, matérialisent des relations symbiotiques entre les êtres vivants dans l’écosystème faisant de ce dernier une sorte de super être vivant qui entretient la vie en son sein sur le long terme. Au cours de l’évolution, ces relations symbiotiques se sont diversifiées et complexifiées, conférant une stabilité globale au système, clé de la pérennité de l’écosystème.

 Comprendre les fondements de cette stabilité/pérennité et ce qui peut la menacer (l’action des stresseurs des écosystèmes) a stimulé des recherches qui ont commencé à fonder une science écosystémique, utilisant des modèles théoriques associés aux premiers modèles expérimentaux appelés cosmes. Les cosmes sont des portions d’écosystèmes ou des écosystèmes simplifiés au laboratoire, plus ou moins fermés, et isolés de l’environnement naturel dans un souci de contrôle.

 Aujourd’hui en France, il n’existe que deux grands instruments capables de mettre en œuvre et d’exploiter des cosmes en vue de développer une recherche écosystémique. L’un est piloté par le CNRS sous l’égide du Centre d’écologie fonctionnelle et évolutive à Montpellier, l’autre est porté par l’ENS et le CNRS à travers une Unité Mixte de Service, le Centre de recherche en écologie expérimentale et prédictive (CEREEP – Ecotron Ile de France). Tous deux récents, ils amorcent un mouvement positif, mais représentent un déploiement encore très insuffisant face aux besoins qu’il conviendrait de combler.

 La biosphérique : une approche conçue par la recherche spatiale. Une autre approche inexplorée est aussi possible, l’écologie ayant aussi fait irruption dans le domaine spatial depuis de nombreuses années. Elle se fonde sur une catégorie de cosmes particuliers, des cosmes fermés, n’échangeant pas de matière avec l’extérieur mais seulement de l’énergie (lumière notamment), qui ont commencé à être étudiés en recherche spatiale à partir du milieu du siècle dernier.

La question posée concerne la poursuite de l’exploration spatiale habitée, à savoir la survie autonome des équipages sur de longues périodes de temps et à des distances de la terre interdisant tout transit de ravitaillement. C’est notamment le cas pour une mission sur Mars pour laquelle les agences spatiales commencent à se remobiliser. Il est très remarquable d’observer que malgré toute la créativité des concepteurs spatiaux, la seule solution crédible revient à mimer la biosphère terrestre en construisant un écosystème artificiel simplifié rassemblant plantes et/ou algues, microorganismes, animaux et l’équipage, ces derniers formant la composante de « consommation » explicitée plus haut.. Ainsi, la survie de l’équipage est assurée par la reconstruction des principales fonctions vitales autour d’une symbiose entre animaux (dont l’homme), végétaux et microorganismes. Tirant l’énergie nécessaire de la lumière du soleil, la photosynthèse des plantes fabrique la nourriture et l’oxygène dont hommes et animaux se nourrissent (ou respirent), tandis que les micro-organismes achèvent les recyclages qui permettent de réalimenter les plantes, et ainsi de boucler les cycles biorégénératifs. D’importants programmes de recherche ont été développés pendant le 20ème siècle (à l’instar du programme CELSS américain « Controlled Ecological Life Support Systems » ou « BIOS » en URSS) pour développer de tels écosystèmes artificiels clos incluant des humains.

Force est de constater ici la remarquable convergence des problématiques spatiales et terrestres. Dans le domaine spatial comme sur terre, les raisons profondes conduisant à s’intéresser à la science de l’écosystème proviennent d’une même interrogation : comment maintenir l’homme en vie ?

Ces écosystèmes artificiels définissent un concept très pertinent pour aborder sous un angle plus analytique les problèmes environnementaux terrestres auxquels nous faisons face. Elles ouvrent une approche expérimentale nouvelle capable d’éclairer la compréhension du fonctionnement de la biosphère et des lois de son équilibre. A ce titre, elles constituent un nouvel outil d’étude, de compréhension et de démonstration des problèmes écologiques qui se posent maintenant de façon aigue sur notre planète.

 Une biosphérique expérimentale mise au service de problématiques terrestres. Le développement de mini-biosphères fondées sur des écosystèmes artificiels est à l’étude depuis plusieurs décennies dans les pays dotés de programmes de recherche et de développement spatiaux. Les premières réalisations d’écosystèmes artificiels clos très simplifiés ont été mises en oeuvre sous l’impulsion du Professeur Clair Folsome au Département de Microbiologie de l’Université de Hawaï et de Joe Hanson au « Jet Propulsion Laboratory » de Pasadena grâce à des financements de la NASA dans les années 1970. Il s’agissait de sphères transparentes contenant quelques litres d’eau de mer avec un peu de sédiments et un peu d’air. Des organismes vivants, sélectionnés pour y assurer les trois fonctions essentielles d’un écosystème, y ont été introduits, microalgues (producteurs), crevettes (consommateurs), bactéries (décomposeurs), avant que ces sphères ne soient scellées pour les isoler définitivement du milieu extérieur. Dans certains cas, un équilibre écologique a pu être établi dans ces “écosphères” exposées à la lumière, dont certaines ont pu demeurer vivantes jusqu’à 10 ans après leur fermeture.

 Dans la terminologie évoquée plus haut, il s’agit de microcosmes fermés dans lesquels l’impossibilité d’échanger de la matière avec l’extérieur, une situation similaire à la biosphère terrestre bien qu’à une toute autre échelle, rend nécessaire l’existence intrinsèque de recyclages efficaces pour que le mini-écosystème ainsi formé (avec les espèces qui le composent) survive. L’objet artificiellement reconstitué est tout à fait fascinant, car il s’agit d’un véritable écosystème fonctionnel mimant de façon très simplifiée une mini biosphère terrestre dont la pérennité dépasse largement celle des organismes qui la compose. Cependant, la reconstruction est ardue, et n’a pour l’heure été réussie que de façon relativement empirique.

Appelées « écosphères » par leurs premiers concepteurs, elles ont formé la base de recherches préliminaires sur les processus conditionnant leur stabilité, tant du point de vue physico-chimique (évolution des concentrations gazeuses CO2 et O2, potentiel rédox) que du point de vue biologique (équilibre dynamique des populations). Dans cet exemple pionnier, une instrumentation simple a permis pour la première fois de caractériser le fonctionnement de l’écosystème ainsi reconstitué en tant qu’entité vivante.

 La grande simplification de telles écosphères présente un intérêt majeur, celui d’accéder à la reproductibilité, laquelle constitue la clé d’une démarche expérimentale. Leur emploi, associé à la possibilité de faire varier la composition (biologique et minérale) sur de larges gammes en fonction des objectifs poursuivis, est donc apte à fonder une nouvelle démarche expérimentale en écologie. Sans entrer trop avant dans les détails techniques, le concept permet d’intégrer les notions de séparation, de réduction et de modularité qui constituent autant de facettes expérimentales à explorer et exploiter avec un large spectre de démarches scientifiques possibles. Toutes ces pistes contribueraient à combler les lacunes cruciales de connaissances sur les conséquences écologiques du changement climatique et de l’effondrement de la biodiversité.

 Conclusion

Le concept d’écosystème mérite une attention et une exploitation scientifiques beaucoup plus approfondies car c’est à ce niveau d’organisation que se jouent les conséquences des dégradations environnementales sur le monde vivant dont nous ne comprenons pas encore les mécanismes. Pour ce faire, il est proposé de construire une science écosystémique, appelée ici « biosphérique » pour rappeler l’origine de sa conception autant que son objet ultime, la biosphère terrestre. L’enjeu est considérable. Rappelons-nous les controverses suscitées il n’y a pas si longtemps lorsque la science a commencé à aborder la complexité des prévisions de température liées au changement climatique : les modèles, incomplets, divergeaient tous. Puis, au fil d’améliorations, d’intégrations successives, rendant mieux compte de la complexité, les prévisions ont convergé, et la communauté a bâti un consensus qui permet désormais d’orienter les actions. C’est un chemin similaire qu’il conviendrait d’entreprendre. Il n’est pas hors d’atteinte.

 

[1] Ripple et al. (2017) World scientists’ warning to humanity : a second notice. BioScience, Volume 67, Issue 12, Pages 1026–1028.

 

Le Club est l'espace de libre expression des abonnés de Mediapart. Ses contenus n'engagent pas la rédaction.