Chapitre ILa mer, La vie:

Aspects physico -chimiques

L. GUENTAS Chapitre I , Master 2 Hanoï 2012

• Océan : 2 milliard de Km3 soit 71% de la surface du Globe

• Planète Terre = Planète Mer = seule planète avec eau liquide

• Origine de la mer : 3,8 milliards d’année � eau expulsée des volcans et prise au piège dans l’atmosphère puis lors du refroidissement � condensation

Océan = couche très mince où est apparue la vie !

I– La Terre : planète océane?

• Océan = ONDE ; en perpétuel mouvement autour du globe �courants de surface et sous-marins

Chaleur

OCEANS Zones tropicales

AIR AMBIANT

Naissance du vent poussant les

courants de surface

Rotation de la Terre

TOURBILLONS = GYRES

Courant marins entre profondeur et surface dûs à la variation de la densité et la salinité

d eau froide > d eau chaude et d eau salée > d eau douce

Courants : indispensables à l’éclosion de la vie marine rôle clé dans l’équilibre du climat

Océan = explosion de vie

80% de la biodiversité de la planète : � 275000 espèces marines� 30 millions d’espèces inconnues dont 10 dans les grandes profondeurs

430 milliards de tonnes de biomasse (animale et végétale)

Océans : réserve de biodiversité = forêt tropicale

Espace vital : 250 fois plus vaste que la vie terrestre

Mais Nourriture + dispersée et Reproduction plus difficile

Biodiversité terrestre = 85% espèce animale mais 20% des ord resBiodiversité marine = 15% des espèces mais 80% des ordres

Zones océaniques

Profondeurs (m) Superficie (10 6 Km2) % de la surface immergée

Plateaux continentaux

0-200 27,5 7,6

Talus continentaux

200-30003000-4000

55,2 15,319,3

Fosses abyssales

4000-50005000-60006000-7000

> 7000

278,333231,60,2

Tab. 1 : Répartition des surfaces immergées selon leur profondeurs (Kornprobst, 2005)

La répartition des superficies immergées selon les profond eursest très inégales

≅≅≅≅ 75%

24 <S <30 millions Km 2

• La vie marine inégalement répartie

» 60% à moins de 200m de profondeur» 95% à moins de 350m des côtes

• Haute mer : océan = vaste désert

• Grand désert océanique au niveau des gyres des régions subtropicales des océans Pacifique, Atlantique et Indien

II – La composition chimique de l’eau de mer

• Tous les éléments sont représentés à ≠≠≠≠ [ C ]• Parmi 90 éléments :

� 73 détectables / techniques chimiques classiques� 17 détectables / techniques + fines = éléments trac es (< 0,01 ppm)

Loi de Murray (Dittman ou principe de Marcet)

Salinité (quantité totale de sels/kg H 2O) : variable selon l’espace

Globalement : 35 +/- 2 g.L -1 (35°/°°)

Mais % de chaque éléments reste constant

II – 1. La salinité

Chimiodiversité : métabolites primaires et secondair es

Chimiodiversité marine : présence d’éléments inhabit uels ou rares dans les organismes dulcçaquacoles ou terrestres

���� Spécificité marine pour certains organismes

Océan surtout H 2O (96,5%) + halogènes et sulfates

55

44

1,51,5

BB

SiSi

FF

10 10 àà 11

6565

3030

1515

BrBr

CC

SrSr

10102 2 àà 1010

0,10,1

0,050,05

0,020,02

Li, PLi, P

Ba, IBa, I

AsAs

1010--11 àà 1010--2 2

0,70,7

0,50,5

0,20,2

NN

AlAl

RbRb

1 1 àà 1010--1 1

885885

400400

380380

SS

CaCa

KK

10103 3 àà 101022

1898018980

1056010560

12751275

ClCl

NaNa

MgMg

>10>1033

ppm ppm (mg/kg)(mg/kg)

ElEléémentsmentsOrdre de Ordre de grandeurgrandeur

55

44

1,51,5

BB

SiSi

FF

10 10 àà 11

6565

3030

1515

BrBr

CC

SrSr

10102 2 àà 1010

0,10,1

0,050,05

0,020,02

Li, PLi, P

Ba, IBa, I

AsAs

1010--11 àà 1010--2 2

0,70,7

0,50,5

0,20,2

NN

AlAl

RbRb

1 1 àà 1010--1 1

885885

400400

380380

SS

CaCa

KK

10103 3 àà 101022

1898018980

1056010560

12751275

ClCl

NaNa

MgMg

>10>1033

ppm ppm (mg/kg)(mg/kg)

ElEléémentsmentsOrdre de Ordre de grandeurgrandeur

Tab. 2 : Concentration des 20 éléments les plus abondants dans l’eau de mer sauf H et O(Kornprobst, 2005)

Mg : 2nd élément métallique après Na

� présents dans toutes le chlorophylles

S : 2nd élément non métallique après Cl

� dérivés soufrés abondants et diversifiés dans les organismes marins

Halogènes : présents [ ] ≠≠≠≠Cl >Br > F>I

Substances halogénées : répartition des halogènes ≠≠≠≠

Br, Cl > I >> F

Halogènes

Eléments Molécules Organismes producteurs

Chlore et Brome Dérivés lipidiques (AG, stérols, terpènes) Tepènes et méroterpènes (hydrocarbures)Alcaloïdes Indoliques

Eponges, Cnidaires

Algues vertes et rouges

Cyanobactéries, algues vertes etrouges, spongiaires, cnidaires,hexacorolliaires, mollusques,bryozoaires, urochordés

Iode Rare dans métabolites secondaires : Terpènes et stérols

Forte concentration chez algues brunes

Fluor Rares dans la nature : analogues du 5-fluoro-uracile (produit de synthèse contre certains cancers)

Eponge d’origine chinoise

Fig. 4 : Exemples de dérivés halogénés atypiques d’algues rouges (Laurencia paniculata, Qatar)

• Le silicium : élément non métallique important

• Avec O et Al, élément composant la couche terrestre

• Peu abondant dans l’eau de mer : � 4 ppm pour Al� 0.5 ppm pour Si

• Si élément fondamental du squelette de 2 organismes :

� Exosquelette des Diatomées (eucaryotes, monocellulaires photosynthétiques)

� Endosquelette des Eponges (vie animale pluricellulaire primitive)

Oxygène, soufre

Les + originaux sans équivalent terrestre : hydrop eroxydes et peroxydes linéaires et cycliques.

� Composés instables = explosifs pour les chimistes

� Eponges Homosclérophorma + autres invertébrés

� Biosynthèse et fonctions méconnues

Toxines polyoxygénées ( polyether ladders) :

� Dinoflagéllés (responsables marées rouges toxiques)

�Biosynthèse ?

« Il est très intriguant que les dinoflagéllés synthétisent des polykétides de différentes façons, comme s’il s’agissait d’organismes de planètes différentes » Y. Shimizu (chimiste Japonais), 1993

Fig.5 : maitotoxine

Le Soufre : Omniprésents dans les organismes marins

���� Métabolites primaires : PS sulfatés (algues rouges et brunes

� Métabolites secondaires d’algues ou invertébrés

� Majorité : Esters sulfuriques des stérols et triter pènes d’éponges

Saponines d’échinoderme

Fig.6 : Exemple d’une saponine d’une Holoturie. S. BHATNAGAR et coll. BULLETIN DE LA SOCIÉTÉ CHIMIQUE DE FRANCE 1985 No 1

Fig. 7 : Exemples de dérivés atypiques de l’oxygène et du soufre retrouvés chez les éponges.

Azote, Phosphore, Arsenic

Terpènes orignaux avec Azote engagé dans des groupes fonctionnels inhabituels ou inconnus au niveau terrestre.Plusieurs éponges appartenant aux ordres des Halichondrida et Haplosclérida

Substitution par : groupes isonitrile –NC

isothiocyanate –N = C = S

N-Formylamino – NHCHOCes 3 groupes présents sur le même squelette carbon é d’1 sesquiterpène ou d’1 diterpène ���� Eponges

Alcaloïdes indoliques substitués/ groupes isonitril es et isothiocyanates

���� Certaines cyanobactéries marines

Azote également présent dans dérivés nitrosés, nitré s et des esters nitriquesd’autres phylums d’invertébrés marins.

Azote :

Phosphore :

Métabolite primaire (AN, phospholipides mb)

Métabolite secondaire : rare dans stérols et cérami des

���� phosphocéramides et phosphostérols chez échinodermes

Arsenic : Présence exceptionnelle car élément toxiqu eIncorporation dans dérivés glucidiques (algues brun es) consommés / mollusques herbivoresArsénobétaïne des carapaces de langouste : Palinurus longipes cygnus

Arsénicine A : isolé d’une éponge ; squelette arséno -oxo-carboné de l’adamantane = hydrocarbure tricyclique isolé de cer tains pétroles.

Fig. 8 : Exemples de dérivés atypiques de l’azote, phosphore et de l’arsenic.

Pour les éléments traces :� exprimés en ppb (partie par billion, µg.L-1)� accumulés dans algues et quelques invertébrés

Fe(20-2ppb) > Mn > Cu > Zn > Se > Mo > Ga > Va > Ni > Co (1- 0.1 ppb)

On définit : Y = facteur de concentration

Facteur de concentration Y = [X] dans l’organisme / [X] dans le milieu

Elément Concentration moyenne dans l’eau de mer (ppm)

Algue concentrant l’élément

Facteur de concentration

Ga 5.10-4 Sargassum fulvellum 1200

Co 1.10-4 Caulerpa okamurai 25000

V 3.10-4 Caulerpa okamurai 33000

Ni 1.10-4 Caulerpa okamurai 56000

As 2.10-2 Gigartina mammilosa 180000

I 5.10-2 Laminaria hyperborea 400000

Tab. 3 : Exemples de facteurs de concentration pour quelques algues (Yamamotoet al., 1979)

L’eau = solution saline dont la concentration moyenne = 35 +/-2 g.L-1

Salinité varie dans l’espace avec la latitude :

� Voisinage des pôles : 34 g.L-1

� Tropiques : 36-37 g.L-1

� Equateur : 34,56 g.L-1

� Anomalies locales : « Doigts de sels » (Schmitt, 1995)

NB : La latitude agit également sur la température

30 °C à -2°C selon les latitudes, en surface de l’équateur au pôle

A partir de 1000m de profondeur : + 2°C (Pérès et Devèze 1963, Pérès 1961, Biju-Duval 1994)

Evaporation eau de mer = 54 sels identifiésComposition ionique simple :

Na+ et Cl - = + de 50% du total

Sels Mg/Kg

NaCl 27313

MgCl 2 3807

MgSO4 1658

CaSO4 1260

K2SO4 823

CaCO3 123

Anions Mg/Kg % Cations Mg/Kg %

Cl- 18980 55.2 Na+ 10556 30.4

SO42- 2648 7.7 Mg2+ 1272 3.7

CO32- +

HCO3-

134 0.35 Ca2+ 400 1.16

Br - 65 0.19 K+ 380 1.1

Tab. 4 : Concentrations des principaux selsprésents dans l’eau de mer (Levring et al., 1969)

Tab. 5: Teneurs comparées des principaux ions de l’eau de mer (Levring et al., 1969)

Eau de mer estune solution dechlorures et desulfates

II – 2 . Les sources de Carbone et d’Azote2 sources de C : organique et inorganique

� C inorganique représenté par la dissolution CO2 dans H2O

CO2 + 2 H2O HCO3- + H3O+

HCO3- + H2O CO3

2- + H3O+

� Equilibre dépendant :

� Température

� Pression (reliée à la profondeur)

� pH (variation faible; # 8,2)

pH s’acidifie avec la profondeur, stabilisation à 8 entre 500 et 1500m

pH varie fortement (de 5 à 8) à proximité des sources sous- marines hydrothermales (2500-3000m) car variation de température (350°C à 2°C)

� C organique

Ensemble des composés provenant de la dégradation des organismes

Soit : 4g.m -3 pour les carbohydrates

Citons aussi (Saliot 1981, Suess et al. 1999) :

� « Marées noires naturelles » (fuites naturelles d’hyd rocarbures)

� Hydrates de méthanes

2 sources de N : organique et inorganique

� N inorganique : azote gazeux dissous et sels diverses

� N organique : acides aminés et protéines

Soit : Albumine dissoute = 1.5 g.m -3

III – Les propriétés optiques de l’eau de merPropriété importante dans la zone des plateaux continentaux

Car lumière = facteur principal de la photosynthèse

⇒ base de la production Iaire

⇒ base de la chaîne alimentaireIntervention de 2 phénomènes :

1- Absorption très rapide de la lumière avec la prof ondeur :

Il = I0 e-kl ; k #2,7

Exponentielle inverse avec coefficient exponentiel élevé = loi de Clark

l (mètre) I/I 0 Absorption (%)

0 1 0

1 0,40 60

2 0,25 75

10 0,14 86

20 0,07 93

40 0,015 98

Tab. 6 : Absorption de la lumière par l’eau de mer en fonction d e laprofondeur (Kornprobst , 2005)

1er mètre : absorption de + de la moitié de la lumière incidente

40 mètres : reste 2% de la lumière incidente

2- L’absorption sélective des longueurs d’ondes

10m

20m

30m

40m

50m

Surface : Rouge Orange Jaune Vert Bleu Indigo Violet

Fig.1 : Absorption sélective des longueurs d’onde d e la lumière blanche (Kornprobst , 2005)

Rouge rapidement absorbées par l'eau⇒ pénètre peu en profondeur,⇒ Les végétaux chlorophylliens cantonnés à rester prèsde la surface.

Orange et jaune descendent plus profond, ce qui profite auxalgues brunes possédant des phycocyanines et des caroténoï des

Vert pénètre le plus en profondeur (jusqu'à 90 m). Seules lesalgues rouges, qui possèdent des phycoérythrines, peuventutiliser ces radiations.

L’eau de mer va jouer le rôle d'un filtre vis-à-vis des longueurs d'ondes.