Biologie marine

Ils sont notamment de :

• connaissance : pour des raisons pratiques les biologistes ont d'abord étudié les espèces du littoral et des espèces d’intérêt commercial, emblématiques, ubiquistes ou faciles à étudier, mais une vaste partie de l'océan est encore inexplorée ou mal explorée, et la taxonomie marine doit relever le défi de décrire des millions d'espèces, plus vite qu'elles ne disparaissent pour certaines. Le nombre élevé de phylums, familles, genres et surtout des espèces (millions) fait que la biologie marine classe plutôt les espèces en groupes fonctionnels ou en fonction de leur environnement qu'uniquement taxonomiquement. Une grande proportion de toute vie sur Terre est exclusivement océanique, et les mers ont moins de barrières à la dispersion des espèces que sur terre (y compris pour les espèces introduites devenues invasives). La proportion et même la biomasse de la biodiversité marine sont encore inconnues (et les espèces océaniques inconnues sont encore très nombreuses). Les océans constituent environ 71 % de la surface de la Terre, et en raison de leur profondeur ils s'étendent sur environ trois cents fois le volume habitable des habitats terrestres sur Terre. La connaissance humaine des relations entre la vie dans la mer et les cycles biogéochimiques et climatiques se développe rapidement, avec de découvertes presque quotidiennes. Ces cycles comprennent ceux de la matière (tels que le cycle du carbone) et de l'air (comme la respiration de la Terre et le mouvement de l'énergie à travers les écosystèmes, y compris l'océan) ; Les progrès des ROV et de la métagénomique devraient faciliter l'inventaire de la biodiversité marine ;
• écologie ; les habitats étudiés par la biologie marine vont des fines couches d'eau de surface où les organismes et les éléments abiotiques peuvent être pris au piège par la tension superficielle entre l'océan et l'atmosphère, jusqu’aux profondeurs des fosses océaniques, parfois même 10 000 mètres ou plus sous la surface de l'océan. Elle étudie aussi les habitats tels que les mangroves, les récifs coralliens, les forêts de kelp, les mares résiduelles, les fonds boueux, sablonneux et rocailleux et l'océan ouvert (pélagiques) (la zone où les objets solides sont rares et où la surface de l'eau est la seule frontière visible) ;
• ressources naturelles (halieutiques notamment) ; La vie marine et ses habitats sont une vaste ressource fournissant une grande partie de l'air respirable (oxygène), de la nourriture, des médicaments et des matières premières, en plus d'aider à soutenir les loisirs et le tourisme dans le monde entier. La vie marine est l'un des déterminants fondamentaux de la nature même de notre planète. Les organismes marins y contribuent de manière majeure et vitale au cycle de l'eau, du CO₂, du méthane, de nombreux minéraux et au cycle de l'oxygène et sont impliqués dans la régulation du climat de la Terre. Les rivages et les côtes sont en partie façonnés et protégés par la vie marine et certains organismes marins aident même à créer de nouvelles terres. Un enjeu de la biologie marine est de contribuer à l'évaluation des seuils de surexploitation des ressources étudiés par l'écologie marine ;
• économie ; de très nombreuses espèces marines dont sources de biomolécules marines d'intérêt économiquement, voire vitales, pour les humains, incluant les poissons algues et fruits de mer alimentaires. Le bien-être des organismes marins et d'autres organismes est donc fondamentalement lié à la vie humaine ;
• biologie de la conservation (voir ci-dessous) ;
• modélisation ; la mer est trop grande pour être aujourd'hui décrite holistiquement avec précision. On passe donc par la modélisation.

L'écosystème marin étant immense, la biologie marine se décline en nombreux sous-domaines. La plupart impliquent l'étude des spécialisations de groupes taxonomiques particuliers (ex : phycologie, zoologie des invertébrés ou ichtyologie…).

D’autres sous-domaines étudient les effets biophysiologiques de l'immersion continue (ou non) dans l'eau de mer et l'océan en général, l'adaptation à un environnement salin, à la pression, et aux effets de l'évolution de diverses propriétés océaniques sur la vie marine ; un sous-domaine de la biologie marine étudie les relations entre la vie marine et le réchauffement climatique et les questions environnementales (telles que la pollution des mers, la fonte des glaces, le réchauffement de l'eau et la (re)montée du niveau marin, le déplacement et les variations de taux du dioxyde de carbone et l'acidification des océans qu'il engendre.

Les biotechnologies marines récentes ont surtout porté sur les biomolécules marines, en particulier les protéines, qui peuvent avoir des utilisations en médecine ou en ingénierie. Les environnements marins sont le siège de nombreux matériaux exotiques biologiques qui peuvent inspirer les matériaux biomimétiques.

La biologie marine est une branche de l'océanographie et de l'écologie marine, étroitement liée à la biologie. La science halieutique et la conservation marine peuvent être considérées comme des ramifications partielles de la biologie marine (ainsi que les études environnementales).

À la fin du XX^e siècle, dans le contexte d'une maritimisation croissante des économies, l'approche écosystémique prend plus d'importance, les chercheurs (avec notamment les études de l'UICN[1]) se penchant sur la définition et l'évaluation des services écosystémiques fournis par les écosystèmes marins et côtiers. Selon Costanza, 63 % de la valeur mondiale totale des services d’écosystème est apportée par les écosystèmes marins (20,9 milliards de dollars/an)[2].

Planche de Haeckel, extraite des de Formes artistiques de la nature, 1904.

Les premières spéculations sur l'origine de la vie se sont faites des années 1840 à 1870. La période de 1870 à 1900 voit l'inauguration de plusieurs laboratoires de biologie marine tant en France, au Canada, en Belgique, en Suisse qu'à l'étranger. Des campagnes océanographiques de grandes ampleurs sont menées en parallèle. La découverte de nouvelles formes de vie marine stimule les recherches phylogénétiques mais aussi d'anatomie comparée et d'embryologie.

Les biologistes sont mis à contribution pour résoudre de nouveaux défis dont ceux de la protection des milieux et des ressources halieutiques face à la surpêche et ceux posés par la pollution, les impacts à long terme des immersions de déchets et de munitions, ou encore par l'étude de la complexité de la biodiversité marine, des très petits organismes (nano-plancton, picoplancton) et des écosystèmes chimiosynthétiques de l’océan profond (via par exemple le programme DEEP OASES démarré en 2006 en France, suivi par Daniel Desbruyères).

Les biologistes manquent de moyens humains, techniques et financiers nécessaires qui seraient nécessaires pour inventorier et comprendre toutes les composantes de la vie marine, alors que les espèces régressent et que les écosystèmes marins se modifient ou se dégradent rapidement en raison de la pollution marine, de la surpêche, du réchauffement des océans, et localement du phénomène de vague de chaleur océanique[3]. Or la biodiversité est un gage de résilience écologique, d’adaptation au changement climatique et elle nous est la ressource naturelle la plus vitale. Les biologistes et écologues se basent donc sur des modèles[3].

Dans la mer, le facteur le plus prédictif de présence/absence d’une espèce s'avère être la température de l’eau. Elle détermine aussi la capacité de l’eau à dissoudre et/ou retenir l’oxygène et de CO₂, et elle est le paramètre aujourd’hui le mieux documenté à grande échelle. La modélisation des variations de température des eaux est donc cruciale, dont pour anticiper, dans la mesure du possible les effets du changement climatique et s'y adapter au mieux[3].

L’océan mondial a des zones de température et de courant variées, saisonnièrement changeantes, mais il est physiquement peu fragmenté. Les espèces peuvent donc — plus facilement que sur terre — s’y déplacer pour tenter de retrouver leur optimum de température (vers le nord en général dans l’hémisphère nord) quand la température moyenne de l’eau monte. Un simple réchauffement régional léger se traduit par une reconfiguration parfois importante des communautés d’espèces marines et ce, à une échelle qui dépasse celle de la région considérée[3].

En utilisant les données de traits de vie disponibles sur l’amplitude thermique de survie des espèces, et sur leur capacité à migrer ou à s’adapter à des modifications importantes de températures, le bioclimatologue français Grégory Beaugrand (directeur de recherche au Laboratoire d'Océanologie et de Géosciences (LOG) et chercheur CNRS/Palaiseau) et ses collègues d’instituts européens, américains et japonais ont donc créé une simulation de la Terre incluant un modèle mathématique de prédiction des espèces marines en fonction de la température, modèle utilisable pour toute partie de l’océan mondial[3]). Ce modèle repose sur la théorie METAL[4]. L’expérimentateur peut modifier la température dans la modélisation, de −1,8 °C (température à laquelle l’eau de mer commence à geler) jusqu'à 44 °C (température interdisant la survie des espèces évoluées). Dans le modèle, les espèces se regroupent alors là où la température de l’océan leur convient le mieux ; Les bioclimatologues peuvent simuler des changements de températures sur des périodes plus ou moins longues et observer ce qui – selon le modèle - se passe. Ils notent que certaines variations sont graduelles et d'autres rapides voire abruptes (« surprises climatiques »)[3]. Dans tous les cas, les remaniements de la composition des communautés en espèces sont bien plus rapides et bien plus importants que sur terre[3].

Les cartes[5] et résultats de simulations peuvent être comparés avec des données réelles de l’histoire récente (1960 à 2015) et contemporaine de la biodiversité marine. Selon Grégory Beaugrand les prédictions du modèle : « étaient très fiables et expliquaient très correctement les changements à longs termes des communautés biologiques et les surprises climatiques » (par exemple pour la mer de Barents où les biologistes ont observé dans le réel qu’environ 60 % de la communauté biologique a changé en 10 ans ; de même pour le Pacifique Nord-Est, où les écologues détectent les prémices d’un bouleversement majeur depuis les années 2010 avec notamment un blanchiment des coraux à Hawaï (2014) et d’importantes altérations de populations migratrices (salmonidés). Le modèle ne peut rien prédire à long terme (prédiction bien trop complexe), mais comme les tendances réelles, il montre[3] :

• une accélération des crises pour la biodiversité marine (sans doute en lien avec El Nino pour l'Arctique) ;
• une aggravation des conséquences écologiques, mais aussi socio-économiques car selon Grégory Beaugrand elles affectent aussi le « fonctionnement des écosystèmes et les services écosystémiques d'approvisionnement, comme la pêche et l'aquaculture, et des services de régulation, comme le cycle du carbone » ;
• qu’il existe des zones où la biodiversité est plus menacée ou vulnérable ;
• des changements brutaux et surprenants en antarctique (qui devraient se multiplier et grandir en intensité, mais qui ne peuvent être anticipées par la modélisation en se basant sur le seul critère de la température … ou seulement quelques mois avant l’effondrement ou le bouleversement d’espèces)[3].

Ce travail confirme que les effets du changement climatique sur la biodiversité seront les plus manifestes, rapides et importants aux latitudes moyennes, avec des glissements d’espèces vers le nord (dans l’hémisphère nord) mais qui ne compenseront pas l'extinction générale des espèces à l'échelle planétaire[3].

De très nombreux protistes (animaux unicellulaires) habitent les eaux marines, et constituent une biomasse colossale. On y compte notamment des Rhizaria (foraminifères, radiolaires) et des Alveolata (Dinoflagellés, Ciliophores, Dinophytes...).

Plus de 1500 espèces de fungi (champignons au sens large, dont les levures) habitant les milieux marins sont connus. Ceux-ci parasitent des algues marines ou des animaux, ou sont saprobes sur les algues, les coraux, les kystes de protozoaires, les prairies sous-marines, le bois et autres substrats et peut également être trouvée dans la mousse de mer. Les spores de nombreuses espèces ont des appendices spéciaux qui facilitent l'attachement au substrat. Une gamme très variée de métabolites secondaires inhabituels est produite par des champignons marins.

La perception de l'environnement marin par le public évolue dans l'espace et dans le temps.