Énergie vitale

Par Sam GAMBLE, adaptation française par F. POIRAUD-LAMBERT

Le but de l'aquarium marin est de nous permettre de voir, comprendre, interagir et prendre du plaisir avec ce qui a mystifié l'homme : l'origine possible de notre existence. La vie aquatique a toujours excité la curiosité et l'attention de la plupart de ceux qui ont été à son contact. Pour des raisons de curiosité, d'esthétique et de volonté de comprendre, il existe une longue histoire d'efforts pour reproduire ce que Mère Nature nous a donné d'une manière si exquise. Dans la plupart des cas, nous n'avons recréé qu'une pâle copie, mais nous gagnons en connaissance afin de combler cet écart, et les systèmes de maintenance naturel récents ont obtenu des réussites inégalées avec une diversité d'animaux plus étendue. Ceci a été le résultat de l'abandon des gadgets et d'une plus grande application des principes écologiques. Ces principes attendent d'être compris et utilisés depuis trop longtemps. Pour la première fois, nous sommes capables de maintenir facilement et avec succès certaines des plus belles et délicates créatures des océans. Nous commençons à comprendre que l'énergie n'est pas seulement limitée à la lumière ou à la nourriture. C'est beaucoup plus que cela.

Pour comprendre quelques unes des bases et des origines du cycle de l'énergie vitale et synergique, nous avons besoin de définitions. Nous sommes généralement familiers avec le cycle de l'azote, ce qui est un bon début.

Pendant de nombreuse années, l'importance du cycle de l'azote a été soulignée pour tout ce qui concernait les systèmes fermés. Pourtant, le carbone est l'élément le plus critique pour les êtres vivants. Pour la survie du milieu vivant, il est important de recycler ou d'enlever les détritus et nutriments qui contiennent de l'azote. Cependant, nous ne devons pas oublier que le cycle énergétique du carbone et de l'azote sont étroitement et concomitamment liés par le chemin qu'ils suivent.

Avec des millions d'années d'application et de modification, les systèmes naturels sont devenus très efficaces dans l'utilisation de méthodes spécialisées. Depuis quelques dizaines d'années, nous avons commencé à comprendre et à appliquer le minimum qu'il nous fallait pour satisfaire notre désir d'héberger des organismes aquatiques marins dans des environnements artificiels. Nous les construisons avec autant d'éléments naturels que nous pouvons en comprendre et utiliser, mais nous avons ironiquement généré un besoin de maintenance dans ce processus, en négligeant des interrelations importantes. L'étude des mécanismes de ces interrelations réduira le besoin en maintenance.

Récemment, nous avons découvert des moyens pour réduire les détritus toxiques contenant de l'azote. Particulièrement l'ammoniaque et les nitrites. Les filtres et les systèmes de filtration étaient nés. Le concept était soigneusement expliqué par le cycle de l'azote. Au début, les nitrates étaient considérées comme la fin du processus et sans danger car n'étant pas directement toxiques sauf lorsqu'elles s'accumulent en très grandes concentrations. Le désir de maintenir des espèces moins tolérantes n'a pas suffit pour réfléchir au moyens d'enlever les nitrates. L'étape fondamentale qui a concentré notre attention sur le cycle de l'azote a été de vouloir maintenir des cnidaires.

La réduction naturelle des nitrates peut être considérée comme le début d'une nouvelle tendance conceptuelle des systèmes d'aquariums. La base du raisonnement est de fournir un environnement propice au développement de bactéries qui métabolisent les nitrates afin d'en extraire l'oxygène contenu. Pour ce faire, l'environnement de ces bactéries nécessite d'être sous oxygéné de sorte que l'oxygène contenu dans les molécules de nitrates deviennent des électrons désirables. il s'agit donc d'un processus destructif de la molécule de NO₃. L'autre solution consiste à retransformer les nitrates en ammoniaque. La première solution est plus désirable dans nos aquariums récifaux, alors que la deuxième est la préférée des algues indésirables. Quoi qu'il en soit, la nitrification ne doit pas être supprimée afin de préserver l'équilibre.

Les nitrates ne sont pas une 'chose', mais plutôt un fragment chimique ou un constituant de l'aliment des cellules. Les cellules vivantes ont la tâche difficile de transformer les composés chimiques pour en extraire ce dont elles ont besoin, sous une forme qu'elles peuvent utiliser. L'utilisation des nitrates nécessite une transformation d'énergie, ce qui signifie une manipulation des liaisons chimiques, comme pour l'oxygène, en raison de l'énergie qu'elles contiennent.

Le sort réservé à l'azote contenu dans la molécule de nitrate est seulement une faible partie du cycle, et est associé au carbone par les besoins des microbes. Le cycle de l'azote et du carbone sont fondamentalement importants et inextricablement liés à la production microbienne marine, à la minéralisation, et au processus de sédimentation. Il est important de constater que les macromolécules qui interviennent dans les transformations biochimiques (protéines, enzymes) dans les régulations physiologiques ou contrôles génétiques (hormones, régulateurs de croissance, ADN, ARN), montrent une dépendance commune au niveau des ratios spécifiques et des configurations du carbone et de l'azote. Il n'est donc pas surprenant que les limitations de l'azote et du carbone sur l'activité métabolique microbienne ou sur la croissance aient des conséquences importantes sur la production et la minéralisation des matières organiques en environnement marins.

En considérant l'association étroite des cycles de l'azote et du carbone dans la production marine et dans le processus de minéralisation, il semble intuitivement évident que notre altération et interférence avec le cycle naturel de ces éléments a et continuera à avoir un impact significatif sur la fertilité marine et la qualité de l'eau résultante.

Les transformations d'énergie sont des étapes des processus contrôlés par les cellules et de l'environnement qu'elles produisent. Dans beaucoup de cas, un aquarium déséquilibré ou un environnement impropre perturbe les équilibres naturels du cycle énergétique et se traduit par un besoin de filtration externe pour enlever les éléments inutilisés. Le schéma normal des transformations est changé. L'équilibre synergique est partiellement détruit ou cassé.

Parce que nous sommes familiarisés avec ce concept, nous pouvons nous concentrer sur ce que les nitrates signifient, en tant que nutriments, et sur le chemin physique qu'elles doivent suivre pour être utilisées par les cellules vivantes (médiateur microbien). Nous pouvons aussi comprendre que la synthèse ou la décomposition adaptative métabolique (transformations chimiques) est la raison ultime qui fait que les polluants restent aux niveaux requis. Tout cela s'ajoute à la description d'une écologie benthique et aux chemins 'biogéochimiques' que nos nouvelles approches de l'aquarium récifal suivent.

Notre nouvelle tendance en filtration d'aquarium utilise des lits de sable spécifiquement conçus pour offrir des environnements permettant l'accroissement de la médiation microbienne naturelle. Le but du système à lit de sable est de maintenir correctement autant d'éléments et de composants possible au niveau naturel et désirable. L'idée a à nouveau attiré notre attention sur les cellules et ses activités dans des environnements spécialisés. Notre capacité à utiliser des populations microbiennes de cellules résulte des variables écologiques que nous avons mesurées, i.e. facteurs chimiques et physiques, et les propriétés des populations microbiennes elles-mêmes, comme leur distribution, densité, besoins métaboliques, et activités.

Une zone, dans l'écosystème de nos aquariums, comme l'interface sédiment - eau, est un endroit crucial d'activité microbienne associée à des cycles biogéochimiques. Les espèces de microbes changent énormément, chacune sélectionnée pour exécuter sa fonction spécifique. Les cellules impliquées peuvent être comparées à de petits laboratoires biochimiques, dédiés à la décomposition et/ou à la synthèse de nombreuses substances. Les outils utilisés dans les transformations énergétiques sont tous au niveau moléculaire. En fait, ce sont des enzymes.

Les enzymes ne sont pas distribuées aléatoirement dans la cellule. La cellule est une structure hautement organisée qui ne peut pas être considérée comme un simple sac d'enzymes. La cellule gère un système multienzyme dérivé d'un grand nombre de ses organes spécialisés, disposant des composants et éléments d'une manière ordonnée dans une charpente macromoléculaire. Un métabolisme au mécanisme bien conçu.

Le métabolisme peut être défini comme une somme de transformations chimiques dans la cellule. Cela inclut à la fois les processus de décomposition et/ou de reconstruction. En considérant l'énergie, une partie est utilisée, l'autre libérée. Ceci est important, car sans le métabolisme des cellules, l'énergie pourrait suivre des chemins indésirables ou rester stockée sous une forme inutilisable. Par exemple, les différentes substances utilisées en tant que nourriture par la cellule, comme le glucose, les acides aminés et les lipides, peuvent être cassées en de plus petites molécules lors de la libération d'énergie. L'énergie en retour est utilisée par la cellule pour synthétiser des molécules nouvelles et plus complexes.

La synthèse et l'utilisation des molécules utilisables n'aura pas lieu si on ne leur donne pas l'opportunité d'être utilisées efficacement, i.e. si elles sont stockées ou enlevées. Les chemins énergétiques divers agissent pour achever les processus qui stabilisent certaines des fonctions aérobies et anaérobies du cycle de l'énergie, en utilisant des catalyseurs enzymatiques biologiques activés. Ces processus travaillent ensemble à travers le cycle de l'azote et le cycle du carbone. Il en résulte la décomposition et l'utilisation des matériaux organiques, entraînant certains organismes dans une concurrence pour un meilleur équilibre car ils ont accès aux matériaux nécessaires.

Les enzymes, en tant que catalyseurs biologiques, accélèrent les réactions chimiques de la cellule. Elles facilitent les réactions de transition en recherchant à équilibrer l'écosystème environnemental dominant. Lorsque qu'il fonctionne correctement, le système multienzyme crée et maintien l'énergie et les cycles à venir.

La source essentielle d'énergie des organismes vivants provient du soleil. L'énergie arrive par unité de lumière (photons) et est piégé par les pigments de la chlorophylle. La chlorophylle est présente dans les cellules des plantes vertes, et s'accumule sous forme d'énergie chimique dans les différentes nourritures. Sans le soleil, il n'y aurait pas de vie sur cette planète.

On peut regrouper les cellules et les organismes en deux principales classes. Leur différence résulte du mécanisme utilisé pour extraire l'énergie pour leur propre métabolisme : 1- autotrophe, 2- hétérotrophe. Avec les autotrophes (comme les plantes vertes), le CO₂ et l'H₂O sont transformés par le processus de photosynthèse en glucose, à partir duquel d'autres molécules plus complexes sont créées. Les cellules hétérotrophes (i.e. les cellules animales) obtiennent l'énergie de différentes nourritures (i.e. hydrates de carbone, graisses et protéines), qui ont été synthétises par les organismes autotrophes. L'énergie contenu par ces molécules organiques est relâchée principalement par combustion (oxydation) avec l'O₂ qui l'entoure. Le processus est aussi nommé respiration aérobie. Le rejet d'H₂O et de CO₂ par les organismes hétérotrophes complète ce cycle de l'énergie.

Vous devez noter que les cellules des plantes peuvent aussi tirer de l'énergie en respirant la nourriture qui a été synthétisée dans ses propres chloroplastes. Donc, il est possible aux deux processus autotrophe et hétérotrophe d'intervenir dans les cellules des plantes.

Il y a aussi un petit mais important groupe de bactéries qui peut obtenir de l'énergie à partir de molécules inorganiques. Ce processus est appelé Chimiosynthèse. Par exemple, les nitrobactères oxydent les nitrites en nitrates, d'autres transforment le fer en oxyde de fer, et d'autre le SH₂ en sulfates.

Obtenir et utiliser de l'énergie provenant d'une autre source que la lumière nécessite des transformations de l'énergie potentielle ou chimique contenue à l'intérieur des produits alimentaires sous forme de liens covalents entre les atomes de chaque molécule. Dans la cellule vivante, cette énorme quantité d'énergie n'est pas relâchée soudainement comme lors d'une combustion (oxydation) dans une flamme. Au contraire, cela se passe par étape, d'une manière contrôlée, en nécessitant et utilisant des douzaines d'enzymes oxydantes qui finalement convertissent le combustible en CO₂ et H₂O, libérant l'énergie.

La cellule vivante produit beaucoup de processus grâce auxquels les substances organiques sont oxydées et l'énergie chimique libérée. Tous ces processus sont catégorisés par la fonction de respiration de la cellule. Il y a deux types de respiration : la respiration aérobie, lorsque les molécules complexes peuvent être dégradées avec la participation d'oxygène moléculaire; la respiration anaérobie, lorsque la dégradation des molécules intervient sans la participation d'oxygène moléculaire. La respiration anaérobie est aussi parfois appelée fermentation. Comme cela a été dit plus haut, il est important d'inclure les deux processus pour équilibrer l'énergie dans des écosystèmes marins comme nos aquariums.

Selon la hiérarchie des organismes et leur ordre phylogènique, les formes de vie les plus basse obtiennent leur énergie par la fermentation anaérobie. Les formes plus élevées d'organismes obtiennent plus d'énergie à partir d'une phosphorisation oxydante aérobie, et chez les plus élevés, les deux sont couplés. La première source fournit la plus faible énergie, la seconde est intermédiaire, la dernière est plus efficace.

Appliqué à la filtration sur lit de sable, les particules organiques qui sédimentent sont transformées, aidant à créer l'interface anoxie (NdT : interface à oxygène réduit. L'anoxie se situe selon Sam entre anaerobie et aerobie) et les sédiments adjacents produisent des composés organiques d'une poids moléculaire moindre. Ces petites molécules sont utilisées par divers groupes de bactéries avec dans l'ordre NO₃, MnO₂, FeOH, SO₄ et CO₂ comme hôtes terminaux pour les électrons. La séquence, par exemple, correspond aux algues fixant l'azote ayant une limite adaptative, les organismes anoxies étant des intermédiaires travaillant beaucoup et les organismes anaérobies formant la base de la pyramide énergétique utilisant du CO₂ par fermentation et produisant la plus petite énergie.

Compenser las populations microbiennes intermédiaires avec une abondance d'enzymes oxydante constitue une méthode pour améliorer les cycles utiles de l'énergie, et écarter certains autotrophes adaptatifs. Cela pourrait favoriser les métabolismes facultatifs, et ainsi réduire certains besoins de la respiration anaérobie. Une autre alternative serait d'étendre l'interface anoxie et fournir un moyen de stockage et de travail comme dans un plenum (NdT : mot décrivant l'espace vide sous le lit de sable de la méthode Jaubert) pour les excédents de nourriture. Faire les deux serait optimale et un exemple de synergie sur une nouvelle échelle.

La création d'un 'environnement écologique optimal' permettrait la reproduction de beaucoup des secrets de la nature. Nous avons réalisé quelques avancées récemment. Cependant, jusqu'à ce que nous puissions précisément et régulièrement reproduire le cycle de tous les composés et éléments que nous mettons dans nos aquarium afin d'en extraire l'énergie utile, nous devons continuer à chercher. Filtrations biologiques, systèmes naturel et systèmes à lit de sable ont été des étapes importantes sur le chemin de la science de l'aquarium.

L'acceptation, la compréhension et l'amélioration des cycles d'énergie essentiels stabiliseront les micro-organismes qui forment l'inextricable fondation qui produira une filtration naturelle. Le but est l'équilibre des énergies partagées.

 

Biographie : Sam GAMBLE est diplômé en Sciences Marines (Biologie). Il a passé plus de 5 ans à élever des crevettes Penneid, des artémias, et un grand nombre d'algues diverses. Pendant 10 ans, il a eu entre autres la responsabilité de la maintenance de plus de 120 000 litres d'aquariums d'exposition au John Pennekamp Coral Reef State Park. Récemment, il s'est lancé dans la recherche et le développement de produits pour aquariums destinés aux systèmes de maintenance naturels tel les aquariums à lit de sable. Depuis 1991, il a publié plus de 20 articles à propos de l'aquariophilie, dans des magazines et des lettres d'information, y compris dans une colonne mensuelle publiée sur Internet.

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