Les Plastiques

 

Mardi 5 Octobre 2021

Les plastiques sont des matériaux indispensables à nos activités économiques mais qui posent aussi de graves problèmes de pollution. Il est devenu urgent de réduire celle-ci. Ainsi la revue Science* leur consacre une section spéciale  dont nous nous inspirerons pour rédiger ce billet.

 Qu’est-ce qu’un plastique ? C’est un polymère ; c’est à dire une longue chaine dans laquelle sont répétées une ou deux molécules carbonées  liées entre elles soit par deux de leurs atomes de carbone soit entre un atome de carbone et un atome d’oxygène. Ainsi le polyéthylène téréphtalate avec lequel on fait des bouteilles est une chaine de deux monomères, l’éthylène glycol et l’acide téréphtalique, qui se lient entre un atome de carbone et un atome d’oxygène.

 Utiliser une matière que l’on peut mouler ou modeler à chaud et qui durcit en refroidissant ce qui permet d’obtenir une large variété d’objets identiques au moule, est une idée ancienne. Dès le milieu du 19ème siècle on utilisait des sécrétions de certains arbres : résines, gommes et latex pour fabriquer des objets moulés. C’était les premiers bioplastiques car produits à partir de substances naturelles. L’étape suivante a été de faire des bioplastiques avec la cellulose polymère de D glucose principal constituant de la paroi squelettique des cellules des plantes. Par traitements chimiques on extrayait la cellulose de déchets issus du coton ou de la pulpe de bois ; ainsi ont été fabriqués dès 1856 le celluloïd (nitrate de cellulose) très inflammable que l’on utilise encore pour fabriquer les balles de tennis de table, la viscose (ou rayonne) à base de cellulose et de collodion permet d’obtenir des fibres (soie artificielle) utilisées en lingerie, la cellophane qui est un hydrate de cellulose utilisé pour les emballages alimentaires. Les plastiques naturels ou semi synthétiques ont été peu à peu supplantés par les plastiques issus des carburants fossiles (pétrole, charbon). Le premier d’entre eux est la bakélite obtenu en 1907 à partir du charbon et par la suite de 1920 à 1930 les chlorures et acétate de polyvinyle et le polyéthylène issus de la pétrochimie. Les plastiques issus de la pétrochimie ont pris une place prépondérante  sur le marché, les masses produites sont colossales. Voici la liste des principaux plastiques utilisés par l’industrie, les quantités produites annuellement, et leur principale utilisation.

Polyéthylène, 116 millions de tonnes, emballages alimentaires, plateaux, casiers.

Polypropylène, 68 millions de tonnes, emballages alimentaires, revêtement intérieur des véhicules.

Chlorure de polyvinyle, 38 millions de tonnes, cadres de fenêtres, gaines d’isolation, piscines gonflables, tuyaux d’arrosage.

Polyéthylène téréphtalate, 35 millions de tonnes, bouteilles.

Polyuréthane, 27 millions de tonnes, isolation des bâtiments, garnissage  des coussins et couettes, éponges de cuisine.

Polystyrène, 25 millions de tonnes, emballage du lait et de la viande, couverts jetables.

Divers, 75 millions de tonnes, fibres optiques, matériel chirurgical.

 Que deviennent ces matériaux une fois utilisés ? Ils sont, soit déversés dans des dépôts d’ordures, soit brûlés (auquel cas ils restituent dans l’atmosphère leur carbone sous forme de CO2, gaz à effet de serre), ou jetés n’importe où. Très peu sont recyclés car pour les rendre aptes à leur usage on ajoute des additifs ou on réalise des mélanges difficiles à dissocier. Les plastiques abandonnés vont être plus ou moins dégradés : mécaniquement, par un processus photochimique, par oxydation thermique ou par hydrolyse bactérienne. On va les retrouver dans l’environnement sous forme de fragments dont la taille va du méga-fragment au nano-fragment. Ils peuvent selon leur dimension et leur densité polluer les sols, l’air, les eaux de surface et les océans. Dans les sols s’ils sont correctement stockés dans des décharges contrôlées leur dispersion sera contenue. Laissés abandonnés dans des décharges hors contrôle ou jetés par négligence ils vont être dispersés et peu à peu dégradés. Les fragments selon leur taille vont être enfouis dans le sol ou emportés par les vents dans l’atmosphère ou entraînés par l’écoulement des eaux superficielles vers les océans.

Dans les sols, les plastiques peuvent altérer l’agrégation des éléments minéraux et, s’ils sont en trop grande quantité, réduire le passage de l’eau modifiant ainsi l’hydrologie souterraine. Un apport de plastiques peut aussi, en réduisant la densité du sol, être favorable à la croissance des plantes. On connait mal cependant les aspects positifs et négatifs de la présence en quantités importantes des plastiques dans les sols.

Des micro et nano-plastiques sont présents dans l’atmosphère et notamment dans l’air que nous respirons. Près des zones urbaines et des lieux de fabrication ils se déposent en grande quantité mais leur faible densité facilite leur transport sur des longues distances. On connait mal si leur présence affecte la qualité de l’air et l’albédo (fraction d’énergie solaire réfléchie par la terre).

Les plastiques entrent dans les eaux terrestres par mauvaise gestion des décharges, déversements directs ou par érosion des sols. Une fois dans l’eau, ils peuvent se déposer là où le courant ralentit, être dégradés dans la colonne d'eau,  ou transportés vers les océans. On estime que 1 à 2 millions de tonnes de plastiques sont transportés chaque année par les rivières vers les océans.

 Les océans reçoivent des plastiques par les rivières, les dépôts côtiers, les dépôts atmosphériques et les rejets directs. Dans les eaux océaniques on distingue la micro couche de surface, la charge flottante (celle que l’on étudie le plus souvent), la charge en suspension et la charge qui se dépose dans le fond des océans. Les plastiques ayant une densité élevée se déposent au fond des océans ils représentent environ 40% des plastiques immergés. On trouve d’ailleurs dans le fond des océans des zones fortement contaminées. Les 60% restants sont des plastiques flottants. Les plastiques flottants de surface (charge flottante) sont échantillonnés  entre 10 et 100cm de profondeur et représenterait entre 0,07 millions de tonnes et 0,20 millions de tonnes de plastiques. A des profondeurs au-dessous de 1m flottent des nano-plastiques, fins aux formes angulaires. Les plastiques flottants de surface sont les plus dangereux ; ils affectent l’écologie (ingestion souvent mortelle pour les espèces marines) et les fonctions biochimiques de la couche océanique qui couvre les deux tiers de la surface de la planète.

 Les plastiques sont présents partout. La dangerosité de cette pollution est surtout visible sur les animaux marins mais qu’en est-il de leur présence dans l’air que nous respirons et dans la terre qui nourrit les plantes ? Il est temps que nous réduisions leur utilisation et que nous nous attachions à leur recyclage.

 

*Section spéciales sur les plastiques. Science 2 juillet 2021, N°6550, PP.34-69.       

Population Media Center une O.N.G. qui agit intelligemment pour lutter contre la surpopulation.

 Jeudi 5 Août 2021


 Rappelons d’abord qu’une population est stable quand le nombre moyen de filles par femme est de 1, en dessous de ce taux net de reproduction, la population décroît, en dessus elle croît. Paradoxalement c’est dans les pays en voie de développement que ce taux est élevé et que les populations sont croissantes alors qu’il peut être faible dans les pays développés où les populations sont souvent décroissantes. On pourrait dire : l’un compense l’autre, mais il n’en est rien car globalement la population mondiale continue de croître fortement alors que pour protéger ce qui reste de notre environnement naturel elle ne devrait plus progresser. Si l’on se place d’un point de vue écologique, l’immigration des pays du sud vers ceux du nord ne doit pas non plus être considérée comme la solution, car les pays développés ont très souvent une densité d’occupation du sol très élevée et l’accroître revient à y réduire encore le milieu naturel.

Comment persuader les familles qu’il faut réguler les naissances, c’est un problème extrêmement difficile car s’y accumulent des oppositions  nombreuses.

-         Au niveau des parents : en dehors du plaisir qu’il y a de procréer, avoir de nombreux enfants c’est aussi disposer d’une main d’œuvre supplémentaire qui, plus tard, sera un soutien à la vieillesse ; la responsabilité que l’on a envers l’enfant est oubliée.

-         Les religions rejettent le contrôle des naissances lorsque ce contrôle n’est pas naturel ; elles peuvent prescrire même des structures familiales qui le défavorisent.

-         L’absence d’éducation ou une éducation rudimentaire est un obstacle à l’ouverture des esprits.

-         Les Etats n’ont pas toujours les moyens d’assurer une éducation généralisée.

-         La croissance de la population mondiale n’est pas considérée comme un problème pour l’environnement,  elle est ignorée ou reléguée en position secondaire par des associations ou des partis politiques écologistes.

-         Enfin moralement peut-on prescrire une limitation des naissances sans atteindre à la liberté des individus ?

La croissance incontrôlée de la population mondiale reste donc un sujet délaissé qui n’a qu’à se résoudre de lui-même !

Devant ces oppositions et cette indifférence, fallait-il baisser les bras ? L’O.N.G. « Population Media Center » est peut-être la seule qui actuellement agit pour engager des populations à contrôler les naissances. Cette organisation Américaine s’est donné pour mission d’utiliser les médias de masse pour diffuser des jeux éducatifs afin de promouvoir des changements culturels en faisant connaître aux femmes, aux jeunes filles, et aux populations leurs droits et les interconnections qui lient ces droits avec la protection de l’environnement. Les gens doivent pouvoir vivre mieux et en meilleure santé, la population de la planète doit se stabiliser à un niveau où chacun puisse vivre sans que s’épuisent les ressources renouvelables.

Population Media Center produit et diffuse, sur un mode attrayant, des émissions de télévision ou de radio pour motiver les gens à changer, à être plus efficaces, et à persévérer dans leur action même si des difficultés surgissent dans leur nouveau comportement. Elle ne tente pas de dire ce qu’il faut faire, mais elle indique ce qui est positif, négatif et ce qui peut se faire de manière transitoire pour progresser. Population Media Center est présente dans plus de 50 pays et touche 500 millions de personnes.

L’O.N.G. promeut l’égalité des sexes :

-         les femmes et les jeunes filles sont privées de leur place sociale et de leur autodétermination, leur donner libre choix est un acte de justice.

-         La croissance actuelle de la population mondiale n’est pas acceptable, c’est en redonnant du pouvoir aux  femmes et aux jeunes filles que l’on contribuera à ralentir cette croissance puis à la stabiliser.

-         Enfin, il faut aussi, en aidant à cette évolution sociale, y associer une éducation à la protection de l’environnement.

Ces objectifs sont de bon sens et devraient être encouragés et aidés par les Etats et par l’O.N.U. Notre billet a pour but de faire connaître cette O.N.G. et l’intelligence de son action.

 

Stockage de l'énergie, un moyen original : la gravité

Lundi 5 Juillet 2021

Le problème majeur des énergies renouvelables, captées par des éoliennes ou des panneaux photovoltaïques, est leur irrégularité. Tantôt elles sont disponibles en excès tantôt elles manquent totalement. Il faudrait donc pouvoir les stocker pour régulariser leur offre. Le moyen de stockage le plus utilisé est la batterie chimique mais les capacités d’une batterie sont très limitées et pour stocker des quantités importantes d’énergie il faut des batteries géantes. On utilise déjà un autre moyen de stocker l’énergie en ayant recours à la gravité. En barrant une rivière on emmagasine de l’énergie potentielle produite par le champ gravitationnel qui s’exerce sur l’eau. La libération contrôlée de cette eau va servir à produire de l’énergie électrique. Cependant quand le barrage sera vide il n’y aura plus d’énergie disponible. Le barrage peut se comporter comme une batterie si on le recharge en eau. C’est ce qui se fait sur certains barrages lorsqu’en période de faible demande électrique (la nuit notamment) on pompe l’eau en aval du barrage et on remonte celle-ci pour reconstituer la réserve d’énergie potentielle ; elle pourra être utilisée à nouveau, lorsque la demande électrique sera forte.

Une société écossaise* a imaginé une autre manière d’utiliser la gravité pour stocker de l’énergie électrique de la même manière que le ferait une batterie géante. Son prototype est constitué par une cage d’ascenseur dans lequel la cabine a été remplacée par une masse d’acier de 50 tonnes, cette masse est reliée par un câble à un treuil à l’extrémité de la cage qui est actionné par un moteur électrique. Quand le réseau électrique est en sur- capacité (la nuit par exemple) le moteur électrique est mis en route pour remonter la masse d’acier on crée ainsi de l’énergie potentielle ; quand le réseau électrique est en sous capacité on libère de manière contrôlée la descente la masse d’acier qui, inversant le fonctionnement du moteur électrique, devient alors générateur d’électricité. Cette électricité restituée au réseau lui permet de faire face au supplément de demande temporaire  des utilisateurs.

Ce système présente certains avantages, il a une durée de vie bien plus longue que les batteries à ion lithium qui perdent leur capacité en peu d’années alors qu’une cage d’ascenseur, un treuil, un câble et un alternateur peuvent durer plusieurs décennies. Il est bon marché et ne nécessite pas d’exploiter des mines nouvelles ce qui est préjudiciables à l’environnement et à la santé des hommes. Enfin ce stockage gravitationnel pourrait réutiliser les puits de mines abandonnés qu’il suffirait de réhabiliter.

A partir du prototype en démonstration, la société écossaise qui développe cette idée, se propose de construire un élévateur fonctionnel avec une masse d’acier bien plus grande, dans un puits de mine de près de 1km de profondeur.  L’appareil pourrait délivrer une puissance de 4 mégawatts. Ce système redonnerait vie au nombreux puits de mine abandonnés.

 

*Cathleen O’Grady. Science, 30 Avril 2021, N° 6541, p. 446.    

Quand le cerveau du genre Homo a-t-il acquis son développement définitif ?

 Samedi 5 Juin 2021

Le genre Homo, auquel nous appartenons, est apparu il y a 2,8 millions d’années. Pouvons-nous dire que déjà chez les premiers hominides, le cerveau avait acquis la structure qui est celle du cerveau de l’homme moderne : Homo sapiens ? En fait à partir de quand le cerveau des hominides a-t-il perdu ses caractères primitifs ?

Le problème n’est pas facile à aborder car il n’existe pas de boite crânienne complète des premiers hominides ; les gisements ayant donné des boites crâniennes complètes datent de 1,78 millions d’années. Par ailleurs, le cerveau ayant disparu on ne peut avoir une idée de sa position dans ces boites crâniennes qu’en faisant un moulage de leur partie interne ; ce moulage révèlera les sillons tracés par le cerveau lorsque, autour de lui, la boite crânienne s’est solidifiée. Enfin quelle partie du moulage faut-il observer pour dire que le cerveau primitif était déjà celui d’un Homo sapiens ! Il est intéressant alors d’observer sur ces moulures, la protubérance endocrânienne frontale susceptible de contenir l’aire de Broca celle qui possède les capacités du langage. Puisque le développement du cerveau, notamment dans sa partie antérieure frontale qui contient l’aire de Broca, signifie un accroissement des capacités de cette aire, ce développement doit se traduire par un glissement du cerveau vers l’arrière. Ainsi la position relative du sillon précentral du cerveau par rapport à la suture crânienne entre l’os frontal et l’os pariétal (suture coronale)  indique si l’on a affaire avec un cerveau primitif ou à un cerveau évolué.

Des chercheurs* ont étudié des moulages internes des boites crâniennes d’hominides et observé la position du sillon précentral par rapport à la suture crânienne coronale ; ils considèrent que lorsque le sillon traverse la suture, le cerveau est primitif de type singe primate ; lorsqu’il est postérieur à la suture, le cerveau a atteint son développement complet. Ils vont ainsi pouvoir classer les différents groupes d’hominides selon qu’ils ont acquis ou non des capacités cognitives complexes (langage, usage des outils, relations sociales). Qu’observent-ils :

 . La transition : cerveau de type singe primate vers le cerveau moderne, ne s’est pas faite lors du passage du genre Australopithecus vers le genre Homo.

. Le scénario le plus vraisemblable est que les premiers Homo (erectus) qui ont quitté l’Afrique pour l’Asie occidentale il y a 2,1 millions d’année avaient encore un cerveau primitif comme les crânes découverts au gisement de Dmanisi (Géorgie) dont l’âge est de 1,7 millions d’années.

. Par contre, les Homo africains ayant moins de 1,5 millions d’années et les Homo erectus d’Asie orientale présentent une organisation du cerveau analogue à celle de l’homme moderne.

A partir d’ossements fossiles incomplets de la boîte crânienne ces chercheurs éclairent ce qu’ont pu être les étapes fondamentales de l’évolution de nos ancêtres ; on ne peut qu’admirer leur perspicacité !

 

*Marcia S. Poncede Leon et al. Science 9 avril 2021, N°6538, pp.163-171.

La sexualité

 Mercredi 5 Mai 2021

La sexualité est apparue très tôt dans le monde vivant. Chez les bactéries la conjugaison par laquelle une bactérie déverse par copulation une partie de son génome dans le cytoplasme d’une autre bactérie n’est pas à proprement parler une reproduction sexuée mais elle est déjà une altération de la multiplication clonale (la plus répandue chez les bactéries) qui conserve un génome à l’infini tant qu’il n’est pas sujet à une mutation. La reproduction sexuée suppose que dans un organisme existent des cellules spéciales : les gamètes, qui peuvent se fusionner pour donner des noyaux dont le nombre de chromosomes va ainsi doubler, mais ce doublement va subir une division réductionnelle : la méiose, qui se caractérise par une recombinaison génétique (ruptures des chromatides et échanges des fragments homologues) et par un retour au nombre chromosomique de base. Cette sexualité est déjà présente chez des organismes unicellulaires comme les algues volvox du règne végétal ou les paramécies du règne animal et à partir de là, elle s’est répandue dans toutes les autres espèces pluricellulaires des deux règnes.

 Ce qui fait la supériorité de la reproduction sexuée sur la multiplication clonale c’est bien les recombinaisons génétiques qu’elle permet. Alors que  les individus d’un clone sont tous phénotypiquement identiques, ceux issus d’une reproduction sexuée sont tous différents. Lorsqu’une nouvelle mutation apparaît dans une famille à reproduction sexuée, elle sera soumise à la sélection naturelle sous différentes formes d’accompagnements, elle aura donc plus de chances de faire face à la sélection naturelle et d’être retenue par celle-ci. La reproduction sexuée est ainsi à l’origine de l’immense diversité des espèces qui se sont créées au cours du temps.

 Chez l’espèce humaine qui a 46 chromosomes, le sexe femelle possède  deux hétérosomes (chromosomes sexuels)  identiques XX et le sexe mâle deux hétérosomes différents XY. Le sexe mâle est déterminé par un gène (SRY) induisant la formation des testicules. Ce gène se trouve dans une région du chromosome Y où les recombinaisons sont impossibles avec le chromosome X, ainsi le caractère mâle est toujours transmis par le chromosome Y. En l’absence du gène SRY, et en présence des deux chromosomes X, les cellules germinales des gonades deviennent des ovaires de la 5ème à la 8ème semaine après la gestation.

 Les caractères sexuels secondaires sont les produits de la sélection naturelle ; ils donnent à un individu un avantage sur ses rivaux lors de la parade nuptiale et les interactions agressives qui peuvent se produire dans le choix du partenaire. Ces caractères s’installent à la puberté sous effet hormonal : œstrogènes chez les femelles, testostérone chez les mâles qui agissent sur l’activité de certains gènes.

 Les théories qui se répandent actuellement sur le genre,  ne devraient pas oublier que la sexualité est d’abord un phénomène biologique.                

 

Le paysage sonore des océans.

 Lundi 5 Avril 2021

 

Les sons se définissent par leur fréquence, leur amplitude et leur source. L’eau est un excellent support pour leur propagation ; ils s’y déplacent plus vite et plus loin que dans l’air ; ils sont perçus par de nombreuses espèces marines qui à leur tour peuvent émettre des sons. Il y a donc un paysage sonore naturel dans les océans qui a beaucoup changé avec l’activité humaine.

 

Nous résumons ici une revue bibliographique* qui fait le point sur les nombreuses études qui ont été réalisées sur les bruits marins et leurs effets sur le monde océanique vivant. Il nous semble que l’intérieur des mers est calme et silencieux et bien non, les eaux océaniques sont bruyantes, les bruits qui s’y créent ont plusieurs origines : les conditions atmosphérique, l’activité géologique « géophonie », l’activité biologique des espèces inféodées aux océans « biophonie » et enfin l’activité humaine « anthropophonie ».

 

Le vent qui souffle, les vagues qui se brisent, la pluie et la grêle qui tombent sur la mer créent dans l’eau un spectre sonore particulier. La géophonie est produite par les volcans sous-marins, les tremblements de terre, les sources thermales marines, ces sons émis par l’activité géologique ont une propagation vaste, leur spectre sonore est très large. Les animaux marins émettent intentionnellement des sons dont les fréquences sont généralement comprises entre 10 Hertz (infrasons) et 20 kilohertz (ultrasons). Cette biophonie est modulée en fréquence et amplitude ; elle peut-être émise en simples pulsations, en train de pulsations (appels de poissons) ou en phrases mélodiques (chants des baleines). A ces sons liés à des organes émetteurs s’ajoutent des bruits mécaniques liés à leur activité marine : chocs des nageoires qui renseignent sur la masse de l’animal, bruits de mastication etc.  

 

Les animaux marins ayant une perception auditive se distribuent depuis les invertébrés marins, poissons et reptiles sensibles aux basses fréquences, jusqu’aux cétacées capables de percevoir de hautes fréquences (au-delà de 200 kilohertz). Ils utilisent leur appareil auditif pour se guider dans leurs déplacements, la recherche de nourriture, la défense du territoire, la recherche sexuelle ou la parade nuptiale.

 

Jusqu’à la révolution industrielle, les océans et les mers n’ont connu que ce paysage sonore naturel avec le développement de l’activité humaine ce paysage sera de plus en plus pollué par l’anthropophonie. L’activité humaine est une source colossale de pollutions sonores des océans et des mers. La recherche pétrolière utilise des explosions marines dont les ondes réfléchies permettent d’établir si le sous-sol marin est susceptible de renfermer des poches de pétrole ou de gaz. La cartographie des fonds se fait en émettant des sons à très haute fréquence et en mesurant le temps de retour de leur écho. Les sous-marins se guident  avec des sonars. Mais l’antropophonie est surtout un sous-produit non intentionnel de l’activité humaine. Le bruit produit par les bateaux (essentiellement ondes à basse fréquence) sur les routes maritimes a été multiplié 32 fois en 50 ans. Avec moins de régularité tous les travaux sous-marins sont source de bruits : forages pétroliers, installation de plateformes pétrolières, mise en place d’éoliennes marines, dragages, travaux d’extension portuaires, création de digues, pêche à la dynamite etc.  Et par-dessus tout, les explosions produites par les guerres.

 

En quoi l’anthropophonie est-elle préjudiciable à la vie marine ? Au départ on s’est focalisé sur les effets des bruits intenses sur les mammifères marins (sonars, explosions marines) ; mais l’exposition chronique à l’anthropophonie est aussi préjudiciable. Les signaux sonores de la navigation sont devenus permanents sur de grands espaces sous-marins, ils interfèrent avec les signaux pouvant provenir d’appels de la même espèce ou de signaux indiquant la présence de prédateurs ou de proies. Ils affectent les déplacements, la recherche de nourriture, la socialisation, la communication et le repos chez les mammifères marins. Chez les jeunes poissons, ils atténuent leur comportement anti prédation ; chez les invertébrés ils ont un impact sur le lieu de leur nidification et sur leur développement.

 

Les animaux marins peuvent se prémunir des bruits marins par évitement ou en s’habituant à eux. Cela peut les entraîner à quitter des sites riches en nourritures, à s’accumuler dans des lieux où leur activité sera contrainte. Enfin l’habitude peut-être utile pour reconnaître les bateaux de pêche qui rejettent souvent à l’eau les prises non commercialisables et qui représentent une nourriture obtenue sans effort.

 

Cette revue bibliographique fait prendre conscience que même un milieu qui nous paraissait à l’abri de nos activités bruyantes est fortement pollué par elles. Il sera difficile de réduire cette pollution tant elle est vaste et en majorité sous-produit non intentionnel d’une activité qui nous est indispensable.

 

*C.M. Duarte t al. Science 5 février 2021, N°6529, pp. 583-593.

Limites à la croissance d'une population.

 

Samedi 5 Mars 2021


La croissance exponentielle d’une population ne peut pas se prolonger indéfiniment sans quoi elle accaparerait très vite tout l’espace disponible sur notre planète ; il viendra donc un moment où cette population va être confrontée à des obstacles qui feront ralentir sa croissance et pourront même entraîner son arrêt ; quels sont ces obstacles ? Ce sera l’objet de ce billet. 

Si nous revenons à notre billet « une croissance exponentielle » qui décrit la croissance sans limites d’une population,  nous avons noté que la courbe N=N0ert était affectée d’un paramètre r ou taux d’accroissement  spécifique de la population. Ce paramètre peut  prendre différentes valeurs qui modifient la pente de la courbe ; des chercheurs ont suggéré que ce paramètre diminuait à mesure que la population augmentait traduisant ainsi qu’il existait une limite à l’accaparement de l’espace et des ressources du milieu dans lequel vit et se développe la population. Le paramètre r est constant tant que les ressources du milieu sont suffisantes pour satisfaire tout l’accroissement de la nouvelle génération, il diminue lorsqu’elles sont insuffisantes pour satisfaire tout l’accroissement de la nouvelle génération, il s’annule alors qu’il s’établit un équilibre entre  le nombre d’individus de la nouvelle génération et les ressources disponible du milieu. 

La courbe qui décrit bien le phénomène est une courbe en S ou sigmoïde. Elle a dans sa première partie la forme d’une courbe exponentielle tant que le milieu où vit la population dispose d’espace et de ressources pour satisfaire la croissance. Dès que ressources et espace se raréfient la courbe décroit jusqu’à ce que sa pente soit nulle alors l’effectif de la population a atteint la capacité de charge du milieu. 

Des études expérimentales ont conforté cette description mathématique. Chez les insectes par exemple, si l’on met dans un flacon contenant un milieu nutritif un couple de drosophiles, on observe que la population des drosophiles issue de ce couple va croître très vite de manière exponentielle (on peut les compter régulièrement en les endormant) car le milieu est assez riche pour satisfaire toutes les nouvelles larves. Puis la croissance de la population ralentit et s’arrête. On note alors une mortalité larvaire de plus en plus grande car elles sont trop nombreuses pour trouver assez de nourriture dans le milieu nutritif qu’elles partagent. On a observé chez d’autres insectes que la diminution des ressources alimentaires entraînait un retard dans la croissance corporelle, une réduction de la survie et de la fécondité.

Chez les plantes, la densité va modifier la taille des plantes, le poids des graines qu’elles produisent, la fertilité de ces graines. Lorsque la densité d’un semis est très forte, il y a concurrence entre les plantules, celles qui avaient un pouvoir germinatif élevé (du fait de l’importance de leurs réserves) ou qui se trouvaient dans une zone du sol plus riche se développent plus vite ; une concurrence s’établit au détriment des plantules moins avantagées. Ces dernières vont mourir, les plantules avantagées vont accaparer l’espace, les ressources, et se développer davantage permettant ainsi une compensation de la production de graines pour la génération suivante. 

Notons ici l’importance de la densité en agriculture. Il existe pour chaque espèce agricole et pour chaque sol une densité des semis qui optimise la qualité et la quantité de la récolte. Un semis trop clair fait perdre du rendement, un semis trop dense fait perdre de la qualité.     

 

Comment fonctionnent les racines des plantes

 

Vendredi 5 Février 2021


On a dit beaucoup de choses sur le fonctionnement des racines, beaucoup de choses fausses aussi, notamment on a décrit des comportements anthropomorphiques (des racines de plantes voisines peuvent s’entraider) qui ne sont pas recevables dans les sciences expérimentales. Il est vrai que cachées dans le sol, il est difficile de les observer sans modifier leur milieu naturel.

 Une grande fraction de la photosynthèse aérienne est transportée vers les racines qui sont à la fois réserve d’énergie et organes d’absorption des nutriments et de l’eau du sol. Pour cette dernière fonction la plante fabrique des racines ; y-a-t-il une limite à cette prolifération, autrement dit la plante fabrique-t-elle des racines pour préempter les ressources tant qu’il y en a ou se restreint-elle parce qu’il y a d’autres compétiteurs ou d’autres obstacles ?

Des chercheurs* ont travaillé sur un modèle dont nous allons énoncer les principales idées.

A mesure que l’extrémité absorbante d’une racine s’éloigne de l’axe de la tige, le coût d’absorption unitaire des nutriments par cette racine s’accroît. Dans le modèle proposé chaque individu maximise sa propre absorption par unité de coût. Si le coût est faible la plante émet beaucoup de racines, s’il est fort il diminue cette production. Pour une plante isolée, à partir d’une certaine distance entre le point d’insertion de la racine sur la tige et la pointe de la racine, le coût d’absorption unitaire devenant trop élevé on glisse d’une surproduction de racines vers une sous production. Globalement le système racinaire est dense au niveau du point d’insertion des racines sur la tige, il s’éclaircit lorsqu’on s’en éloigne. Lorsque deux plantes sont voisines, dès que les racines de chaque plante se rapprochent le coût unitaire d’absorption des nutriments s’accroît car respectivement elles épuisent les ressources locales, il existe un point S de l’espace où se produit, pour chaque plante, un glissement de surproduction de racines vers la sous production.       

Le modèle coopératif entre deux systèmes racinaires différents serait plus complexe car il faudrait que chaque plante reconnaisse les racines de la plante voisine (le non soi) et leur coût d’absorption à leur voisinage c’est pour cela que sa vraisemblance est faible.

Les auteurs ont testé expérimentalement leur hypothèse en observant le comportement racinaire de plantes cultivées seules ou confrontées à une plante voisine.

        . Pour une plante seule ils constatent, en accord avec leur hypothèse, un amas racinaire au voisinage du tronc. Très peu de racines s’éloignent de celui-ci (on observe d’ailleurs la même chose pour des vergers irrigués au goutte à goutte).

        . Quand deux plantes sont voisines, le système racinaire est dissymétrique ; surabondant près du tronc dans la partie opposée où les deux systèmes racinaires se confrontent, sous abondant dans l’espace de confrontation.

 Cette nouvelle présentation du comportement des racines devrait mieux guider les techniques agricoles.

 *Ciro Cabal et al. Science, 4 décembre 2020, N°6521, pp.1197-1199

Les objectifs de limitation du réchauffement climatique prévus dans les accords de Paris ne pourront être atteints que si l’on intervient aussi sur les systèmes de production alimentaire.

 Mardi 5 janvier 2021


Pour réduire les émissions de gaz à effets de serre de manière à limiter l’accroissement du réchauffement climatique entre 1,5°C et 2°C  à l’horizon de 2100 on a pensé qu’il fallait essentiellement intervenir sur l’arrêt de l’utilisation des combustibles fossiles mais l’on s’est peu préoccupé jusqu’ici des autres sources émettrices. Dans une publication récente* des chercheurs montrent que les objectifs ne pourront être atteints que si l’on réduit aussi, de manière drastique, les émissions issues des systèmes de production alimentaire.

 

Produire des aliments nécessite de disposer de terres arables, il faut donc nettoyer des landes et abattre des forêts, ce qui émet du dioxyde de carbone CO2 et de l’oxyde nitreux N2O. La production d’engrais et de produits agrochimiques émet du CO2, du N2O et du méthane CH4, la fermentation anaérobie de la panse des ruminants produit du CH4, les rizières émettent CH4, le fumier émet du N2O et du CH4, enfin on utilise en agriculture des machines qui brûlent des combustibles fossiles et émettent ainsi du CO2. Au total selon ces auteurs la production mondiale alimentaire émettrait en moyennes 16 milliards de tonnes d’équivalent CO2 par an.

 

Réduire les émissions des gaz à effet de serre en intervenant sur les systèmes de production alimentaire sera essentiel si l’on veut atteindre l’objectif de limiter le réchauffement climatique de 1,5 à 2°C à l’horizon 2100. En effet les auteurs estiment que sans modifications de ces systèmes, ils émettraient de 2020 à 2100 1356 gigatonnes d’équivalents CO2 ; à ce niveau, même si l’on stoppait dès 2020 les émissions provoquées par la combustion des énergies fossiles, celles induites par la seule production alimentaire entraîneraient un réchauffement climatique de 1,5°C entre 2051 et 2063.

 

Comment réduire l’impact des systèmes alimentaires sur les émissions de gaz à effet de serre ? Les auteurs examinent 5 possibilités : 1) en adoptant pour tous, à partir de 2020, une alimentation essentiellement végétale (diète de type méditerranéen) on atteindrait en 2100 une émission cumulée d’équivalents CO2 de 708 gigatonnes ; 2) en limitant à 2100 kilocalories par personne l’alimentation journalière on atteindrait 946 gigatonnes 3) en augmentant de 50% les rendements de la production agricole on atteindrait 1162 gigatonnes 4) en diminuant de 50% les pertes de la production alimentaire ainsi que les déchets on atteindrait 992 gigatonnes 5) en accroissant l’efficacité de la production (agriculture de précision, rations animales optimisées) on atteindrait 817 gigatonnes. Si les cinq stratégies étaient partiellement utilisées (50%) à partir de 2050, seule la cible d’une augmentation de 2°C pourrait être atteinte en 2100 ; si elles étaient totalement utilisées à partir de 2050 en remplacement du système de production alimentaire actuel, alors l’effet émissif des systèmes de production serait sans effets sur le bilan carbone du fait de la séquestration positive du carbone des terres agricoles abandonnées.

 

En définitive, même si on arrivait rapidement (à l’horizon 2050) à supprimer totalement les émissions de gaz à effet de serre issus de la combustion des ressources fossiles, on ne pourra pas faire l’impasse d’une réduction drastique des émissions liées aux systèmes de production alimentaire si l’on veut ne pas dépasser les limites du réchauffement climatique fixées aux accords de Paris.

 

*Michael A. Clark et al. Science 6 Novembre 2020, N°6517, pp.705-707    

Qu'est-ce que la culture ?

 Samedi 5 Décembre 2020

 

Selon les anthropologistes et les biologistes, « la culture est une combinaison de caractères qui distinguent un groupe d’individus d’un autre ; un caractère culturel est un comportement qui a été soit inventé soit appris d’un autre groupe et qui a été ensuite transmis aux autres membres du groupe*». Notons donc qu’un caractère culturel appartient au groupe, qu’il a été acquis ou emprunté, et qu’il est transmis ce qui nécessite une mémoire à long terme. 

Il est nécessaire de donner deux exemples simples de caractères culturels qui appartiennent l’un à un singe anthropoïde le chimpanzé, l’autre à des populations primaires de la forêt amazonienne.

        .Chez certaines familles de chimpanzés, les individus ont appris à cueillir et à effeuiller un rameau qu’ils utilisent pour aller récolter les termites dans un trou de termitière ; cette aptitude se transmet dans la famille de génération en génération.

.Chez l’homme, les habitants d’un groupe de villages isolés au nord du Brésil, jettent un poison végétal dans l’eau de la rivière et recueillent peu après les poissons qui flottent sur l’eau, cette méthode de pêche est spécifique à ces villages.

Le caractère culturel peut donc exister déjà chez les animaux supérieurs mais il va prendre toute son ampleur chez l’être humain. 

Essayons d’analyser ce que sous-tend cet acte culturel. Il faut d’abord l’intelligence nécessaire à la découverte de celui-ci ; très souvent un seul individu en est l’inventeur. Il faut ensuite une capacité d’apprentissage aux autres membres du groupe pour se l’approprier. Enfin, il faut une mémoire à long terme pour qu’il passe de génération en génération. Le fait culturel suppose donc, du groupe qui le partage, une capacité cognitive élevée. 

Un caractère culturel majeur est la langue parlée : le français, l’anglais etc. Elle répond en effet entièrement aux critères que nous avons énoncés plus haut : invention des sons correspondant à la désignation des objets et de la grammaire qui structure la langue ; nécessité d’un apprentissage dès la jeune enfance; enfin sa transmission de génération en génération. Celle-ci a recours à la mémoire à long terme que l’être humain possède au-dessus de toute autre espèce animale. La langue parlée intègre l’individu au groupe,  elle influencera insensiblement tous ses autres comportements. Ainsi chaque langue est unique par la nature des sons qu’elle emploie, par la multiplicité et la précision des désignations, par sa grammaire. L’intégration au groupe nécessite une appropriation intime de sa langue. Elle permet l’abstraction, elle introduit à la littérature et à l’œuvre d’art.

 

*Edward O. Wilson. The social conquest of earth