La toile du vivant

Pensez à quelque chose de très complexe, maintenant, tout de suite!

Pour beaucoup, ce qui vient en tête immédiatement, ce sont des inventions humaines: un ordinateur, une centrale nucléaire, ou un accélérateur de particules pour les physiciens. Pourtant, ces choses là sont assez simples, en tout cas quand on les compare à quoi que ce soit de vivant. 

A très petite échelle, l’unité de base du vivant, c’est la cellule. Et ce sont déjà des systèmes très complexes, quand on y regarde de plus près.

De quoi est constituée une cellule? En grande partie, de protéines. Et qu’est-ce qu’une protéine? C’est une molécule qui agit comme une brique de légo, dans le sens où elle peut s’assembler avec d’autres protéines. Là où c’est plus impressionnant que nos légos en plastique, c’est que les protéines s’assemblent, se séparent, et changent de forme spontanément, en fonction des propriétés chimiques (pH, température, autres molécules) de leur environnement. Et leur structure est autrement plus alambiquée.

Avec cette analogie protéine-légo, les cellules seraient des villes entières construites en légos, constituées de dizaines de millions de pièces de milliers de types différents. Pour se rendre compte de l’échelle, avec un légo faisant 1 cm³, une cellule serait un cube de 3 mètres de côté, et un corps humain un cube de 100 km de côté¹.

Ces légos s’auto-organisent en formant des “bâtiments” qui remplissent diverses fonctions dans la ville:

• La mairie (le noyau) contient toutes les plans des pièces de légos existantes (l'ADN), et envoie certains de ces plans au reste de la ville
• Les usines de pièces (les ribosomes), fabriquent les bons légos à partir des plans qu’elles ont reçu
• Le centre de tri (l’appareil de Golgi) stocke, trie, et emballe des légos avant de les envoyer vers l’extérieur de la ville
• Les centrales électriques (les mitochondries) alimentent les autres bâtiments à partir du glucose de l’extérieur
• Les déchetteries (les lysosomes) s’occupent de recycler les légos et bâtiments abimés
• Les camions (les vésicules de transport) transportent les pièces entre les bâtiments

Ces villes sont capables de se reproduire, de déclencher leur propre mort programmée, de produire des composants et des messages pour les autres villes. Bref, elles sont vivantes, tout ça sans aucune conscience, juste de la chimie et un milliard d’années d’évolution.

Là où c’est vraiment prodigieux, c’est que ces cellules se spécialisent spontanément en plus de 250 types différents (peau, tissus musculaires, neurones, globules…) pour former des organes. Chaque cellule communique de plusieurs façons (pression mécanique, signaux électriques, signaux chimiques) avec les cellules du même organe pour que ses fonctions soient assurées.

Si on dézoome d’un cran, tout ça participe à former des être vivants, eux même constitués de systèmes (digestifs, respiratoire, immunitaire, nerveux, musculaire, hormonal, pour les animaux), tous interconnectés. C’est une machine extrêmement bien huilée. Il n’y a qu’à lire les résultats de sa dernière prise de sang pour se rendre compte qu’il faut tout un tas de choses (molécules, hormones, enzymes, types spécifiques de cellules) dans notre sang pour que ça tourne bien. Un seul de ces paramètres qui se dérègle peut faire dérailler l’ensemble. Un cancer part en général d’une seule cellule défectueuse.

Bref, un animal est si compliqué à comprendre qu’il faut une dizaine d’années d’études de médecine pour espérer diagnostiquer et soigner quelqu’un, en se spécialisant sur un sous-système de l’ensemble parce que l’intégralité du système ne peut pas rentrer dans un seul cerveau.

Prenons de la hauteur

Un organisme tout seul, ça n'existe pas vraiment (à part quelques micro-organismes primitifs: il y en a bien eu un premier…). Les animaux mangent des végétaux ou d'autres animaux, les plantes ont besoin de micro-organismes dans le sol pour se nourrir. Pour comprendre la toile du vivant, il faut monter d'un étage encore: les écosystèmes.

À votre avis, comment la chasse aux loups sur le territoire français a affecté les populations de chamois, d’abeilles, d’oiseaux, et de champignons?

Une réponse intuitive, en ne regardant que les conséquences de premier ordre, pourrait être “les chamois se portent mieux, ayant un prédateur de moins, et les autres ne sont pas affectés par ce changement”. En pratique, c’est loin d’être aussi évident, toutes les espèces étant interconnectées dans la toile du vivant.

Une conséquence de second ordre de ce changement est la surabondance des cerfs. Avec moins de loups et moins de chasseurs qu’avant, les cerfs se sont multipliés et constituent maintenant la moitié des mammifères sauvages du monde. Il y en a 11 fois plus qu’il y a 50 ans en France². En mangeant les champignons, fleurs, bourgeons, et feuilles de tout ce qui est à leur hauteur, ils mettent une pression considérable sur les écosystèmes. En plus, ils frottent leurs bois sur les arbres pour enlever leur velours, ce qui les endommage, et affecte encore la capacité de la forêt à faire pousser de nouveaux arbres.

Au second ordre donc, les chamois³ sont directement impactés par la compétition directe avec les cerfs dans leur alimentation. Pareil pour les abeilles⁴, qui ont vu le nombre et la variété des fleurs diminuer. Les oiseaux⁵, et particulièrement ceux dont les nids sont bas, sont aussi dans ce cas. 

Au troisième ordre, une forêt dans laquelle une trop grande population de cerf réside risque même de ne pas rester une forêt longtemps… Moins de plantes signifie moins de cerfs, la boucle se referme.

Un exemple d’effondrement a été documenté⁶ sur l’île Saint Matthew, entre l’Alaska et la Russie. En 1944, 29 rennes ont été déposés par les garde-côtes américains. Les rennes prolifèrent dans ce paradis sans prédateur et couvert de lichen, jusqu’à atteindre 6000 individus en 1963. Trois ans plus tard, après avoir détruit les ressources qui les faisaient vivre, seulement 42 étaient encore en vie, et ils se sont éteint peu après.

C’est en fait un schéma de croissance qui s’applique à la totalité des espèces. En l’absence de prédateurs ou d’autres phénomènes limitant leur croissance, elles vont se multiplier exponentiellement, jusqu’à atteindre et même dépasser temporairement la “capacité porteuse” de leur écosystème, c'est-à-dire la population maximale que l’écosystème peut accueillir indéfiniment. Ce dépassement va engendrer une chute de la population, et parfois une diminution de la capacité porteuse. Dans le cas de l’île de Saint Matthew, la capacité porteuse des rennes était la régénération du lichen. En 2005, soit 40 ans après leur disparition, seulement 12% de la biomasse en lichen était revenue⁷. 

Dans la réalité, les écosystèmes ne fonctionnent pas d’une manière aussi simple et prévisible, malheureusement. Voici ci-dessous un exemple d’évolution d’un système loups - élans pendant 50 ans sur l’Isle Royale (une île de 500 km2 dans le lac supérieur, dans le Michigan, les îles étant très pratiques pour étudier ce qu’il se passe dans un territoire borné…).

Même si ces deux populations sont étroitement liées, l’une étant prédatrice de l’autre, ce sont des aléas naturels qui ont dicté leur évolution: un virus et une inondation pour les loups, et un hiver difficile pour les élans. Si on conjugue ce genre d’aléas à des systèmes comportant beaucoup plus que deux espèces, prédire l’évolution d’un écosystème à partir de ses conditions initiales devient alors presque impossible.

Un dernier pour la route, si on enlève les narvals (les narvaux?) dans l’écosystème suivant, il se passe quoi?

J'espère que vous avez répondu "je ne sais pas".

Une leçon qu’on peut tirer de ces exemples est qu’un écosystème n’est pas un “équilibre harmonieux de la nature”. Un meilleur regard dessus, c’est plutôt de les considérer comme un cocktail de milliers d’espèces qui ont besoin les unes des autres, chacune en train de se reproduire exponentiellement, tout en étant limitées par les pressions de leur environnement. Ces cocktails sont des équilibres instables, qui peuvent basculer vers des écosystèmes radicalement différents par des réactions en cascade.

Enlever ou ajouter une espèce dans un écosystème, c’est comme enlever une vis au hasard dans une voiture. Il y a des chances qu’elle continue à rouler, mais des fois elle va marcher beaucoup moins bien, forcément… et on se retrouve assis par terre, comme Bourvil.

Et ces écosystèmes, ils évoluent comment?

Qu’on compte en biomasse, ou en diversité d’espèces, le vivant se réduit à un rythme croissant, tout comme la pression mise par Homo Sapiens. Ce n'est pas moi qui le dis, c’est le dernier rapport de l’IPBES⁸, l’équivalent du GIEC pour la biodiversité.

On a déjà évoqué les deux causes les importantes (et les plus anciennes) dans les articles précédents: l’homme a domestiqué la moitié de la planète habitable, et il est responsable de l’extinction des grands mammifères sur tous les continents, phénomène qui continue avec la surexploitation via chasse, pêche et coupe du bois.

La troisième cause que tout le monde a en tête est le dérèglement climatique. Il ajoute une pression supplémentaire sur l’intégralité des écosystèmes. Les animaux montent en altitude, et se déplacent vers les pôles, sauf qu’il y a déjà du monde à ces endroits-là. Les arbres et les coraux n'ont, eux, pas ce luxe… Les saisons se dérèglent, les espèces perdent en synchronisation avec celles dont elles dépendent, et les évènements extrêmes augmentent en fréquence et en intensité.

Les espèces invasives

Maintenant que l’homme navigue sur toutes les mers du monde, il crée des ponts entre toutes les îles et continents. Les espèces introduites, volontairement ou non, peuvent exploser en nombre dans des écosystèmes qui leur sont favorables, et les faire changer de façon irréversible. Quand c'est le cas, on appelle ces espèces invasives (à noter: elles ne sont pas du tout invasives dans leurs écosystèmes naturels).

Un exemple connu est celui des chats errants, en Australie⁹. C’était le seul continent sans félins avant qu’ils soient importés d’Europe il y a quelques siècles. Fait intéressant, ils ont été relâchés dans la nature dans le but de contrôler les invasions de lapins et rats déjà en cours. Il y en a maintenant des millions, et ils sont déjà responsables de l’extinction d’une trentaine d’espèces de mammifères. On peut aussi citer le mimosa, qui est en train d’envahir la côte d’Azur, ou encore l’invasion actuelle de frelons asiatiques. Invasion qui a d’ailleurs été retracée par analyse ADN¹⁰ à une seule reine arrivée en France en 2004, et qui en seulement 20 ans couvre maintenant la totalité du territoire français.

Les polluants

Enfin, il y a les polluants de toutes sortes qui se retrouvent dans les sols, dans l'eau et dans l'air. On en retrouve même chez les pingouins et le plancton, qui vivent pourtant bien à l'écart de toute civilisation. Ils s'attaquent à tous les étages du vivant, en agissant comme des grains de sable dans des engrenages extrêmement précis.

À l'intérieur même des cellules, des métaux lourds comme le plomb et le cadmium, et des microplastiques, s'accumulent et perturbent le fonctionnement normal. Ils se lient aux protéines et aux enzymes, bloquent des réactions chimiques essentielles, ou endommagent directement l'ADN. Pour reprendre la métaphore du début, c'est comme introduire des contrefaçons de légos dans la ville: elles ressemblent aux vraies, s'emboîtent à peu près, mais plus rien ne fonctionne. Ironiquement, ce sont littéralement des vrais morceaux de légos en plastique qui jouent ce rôle dans nos cellules.

Au niveau des organismes entiers, les perturbateurs imitent les hormones naturelles suffisamment bien pour tromper leurs récepteurs et dérégler complètement les signaux qui régulent la croissance, la reproduction ou le développement. C'est le cas des PFAS, qui ont le mauvais goût d'être des "polluants éternels", qu'aucun mécanisme naturel ne sait dégrader. Ce qui est surprenant, c'est que ces dérèglements peuvent se transmettre aux générations suivantes, sans que celles-ci aient jamais été exposées au polluant.

Au niveau des écosystèmes, certains pesticides, conçus pour cibler une espèce nuisible, en affectent plusieurs autres et produisent l'effet inverse de celui recherché¹¹. Par exemple, les coccinelles sont des prédateurs naturels des pucerons. Si un insecticide tue les coccinelles avant les pucerons, manque de bol, le nombre de pucerons risque d’augmenter.

Un dernier effet notable, lorsque la pression de sélection s’accentue, est que les espèces évoluent plus vite. Le panic pied-de-coq (aussi appelé faux-riz) illustre très bien ceci. C’est une mauvaise herbe qui ressemble comme deux gouttes d’eau au riz. Ce n’est pas une coïncidence: pendant des millénaires, les rizières ont été désherbées à la main, et les spécimens ressemblant le plus à du riz passaient entre les mailles du filet, faisant évoluer cette espèce rapidement. Par le même mécanisme, la pression mise sur ces mauvaises herbes par les herbicides se traduit par l’apparition d’une résistance à certains herbicides¹², diminuant les rendements d’entre 20 à 50%¹³, ce qui pousse les producteurs de riz à rajouter d’autres herbicides… Jusqu’à ce que ces mauvaises herbes évoluent encore? 

Bref, toutes ces pressions se conjuguent et expliquent comment la toile du vivant s’effiloche petit à petit. Dans un tel chef d'œuvre de complexité, changer une variable ne produit pas un effet proportionnel, et peut mener à des réactions en cascades inattendues.

La nature est fondamentalement imprévisible, ce n’est qu’en l’approchant avec humilité qu’on peut en comprendre sa résilience, sa beauté, mais aussi sa fragilité.

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Sources

(1) Combien de cellules composent un être humain, article de Planet Vie donnant un chiffre à 30 000 milliards, ainsi que les sources et la répartition

(2) Cerfs, chevreuils, sangliers… Trop d'ongulés nuit aux forêts, article de l’Office National des Forêts donnant le chiffre de x11 en 50 ans pour les cerfs (et x20 pour les sangliers)

(3) Disentangling demographic effects of red deer on chamois population dynamics, établissant l’influence négative de la surpopulation de cerfs sur les chamois

(4) Influence of native ungulate herbivory on riparian floral resources and native bee communities, montrant une chute de 40% en nombre d’espèces d’abeilles présentes dans un écosystème avec beaucoup d’élans

(5) Meta-analysis shows that overabundant deer (Cervidae) populations consistently decrease average population abundance and species richness of forest birds, méta-analyse attribuant le déclin des oiseaux à 40% des individus et 65% des espèces avec surabondance de cervidés.

(6) The Introduction, Increase, and Crash of Reindeer on St. Matthew Island, décrivant l’évolution de la population de rennes sur l’île Saint Matthew

(7) Lichen Recovery Following Heavy Grazing by Reindeer Delayed by Climate Warming, montrant que 20 ans après le passage des Rennes sur l’île Saint Matthew, 6% du lichen avait repoussé, 12% seulement après 40 ans

(8) Rapport mondial de 2019 de l’IPBES sur la biodiversité et les services écosystémiques (résumé pour décideurs) 

(9) Rapport du gouvernement australien expliquant que les chats errants sont une espèce invasive

(10) The first recorded occurrence of the Asian hornet (Vespa velutina) in Ireland, genetic evidence for a continued single invasion across Europe, démontrant par analyse ADN qu’une seule fondatrice est à l’origine de l’intégralité des frelons asiatiques du continent européen

(11) Pesticides do not significantly reduce arthropod pest densities in the presence of natural enemies, méta-analyse montrant que les pesticides n’affectent que très peu la densité de nuisibles lorsque des prédateurs naturels sont présents dans l’écosystème

(12) Detecting ALS and ACCase herbicide tolerant accession of Echinochloa oryzoides (Ard.) Fritsch. in rice (Oryza sativa L.) fields, décrivant l’apparition de panic faux-riz en Turquie montrant 100% de résistance à plusieurs herbicides en même temps, à 6 fois la dose recommandée après une trentaine d’années d’évolution.

(13) Effects of common Echinochloa varieties on grain yield and grain quality of rice, donnant des pertes de rendement entre 20 et 50% liées au panic faux-riz.