Énergie vitale

Par Sam GAMBLE, adaptation fran?aise 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 mystifi? l'homme : l'origine possible de notre existence. La vie aquatique a toujours excit? la curiosit? et l'attention de la plupart de ceux qui ont ?t? ? son contact. Pour des raisons de curiosit?, d'esth?tique et de volont? de comprendre, il existe une longue histoire d'efforts pour reproduire ce que M?re Nature nous a donn? d'une mani?re si exquise. Dans la plupart des cas, nous n'avons recr?? qu'une p?le copie, mais nous gagnons en connaissance afin de combler cet ?cart, et les syst?mes de maintenance naturel r?cents ont obtenu des r?ussites in?gal?es avec une diversit? d'animaux plus ?tendue. Ceci a ?t? le r?sultat de l'abandon des gadgets et d'une plus grande application des principes ?cologiques. Ces principes attendent d'?tre compris et utilis?s depuis trop longtemps. Pour la premi?re fois, nous sommes capables de maintenir facilement et avec succ?s certaines des plus belles et d?licates cr?atures des oc?ans. Nous commen?ons ? comprendre que l'?nergie n'est pas seulement limit?e ? la lumi?re ou ? la nourriture. C'est beaucoup plus que cela.

Pour comprendre quelques unes des bases et des origines du cycle de l'?nergie vitale et synergique, nous avons besoin de d?finitions. Nous sommes g?n?ralement familiers avec le cycle de l'azote, ce qui est un bon d?but.

Pendant de nombreuse ann?es, l'importance du cycle de l'azote a ?t? soulign?e pour tout ce qui concernait les syst?mes ferm?s. Pourtant, le carbone est l'?l?ment le plus critique pour les ?tres vivants. Pour la survie du milieu vivant, il est important de recycler ou d'enlever les d?tritus et nutriments qui contiennent de l'azote. Cependant, nous ne devons pas oublier que le cycle ?nerg?tique du carbone et de l'azote sont ?troitement et concomitamment li?s par le chemin qu'ils suivent.

Avec des millions d'ann?es d'application et de modification, les syst?mes naturels sont devenus tr?s efficaces dans l'utilisation de m?thodes sp?cialis?es. Depuis quelques dizaines d'ann?es, nous avons commenc? ? comprendre et ? appliquer le minimum qu'il nous fallait pour satisfaire notre d?sir d'h?berger des organismes aquatiques marins dans des environnements artificiels. Nous les construisons avec autant d'?l?ments naturels que nous pouvons en comprendre et utiliser, mais nous avons ironiquement g?n?r? un besoin de maintenance dans ce processus, en n?gligeant des interrelations importantes. L'?tude des m?canismes de ces interrelations r?duira le besoin en maintenance.

R?cemment, nous avons d?couvert des moyens pour r?duire les d?tritus toxiques contenant de l'azote. Particuli?rement l'ammoniaque et les nitrites. Les filtres et les syst?mes de filtration ?taient n?s. Le concept ?tait soigneusement expliqu? par le cycle de l'azote. Au d?but, les nitrates ?taient consid?r?es comme la fin du processus et sans danger car n'?tant pas directement toxiques sauf lorsqu'elles s'accumulent en tr?s grandes concentrations. Le d?sir de maintenir des esp?ces moins tol?rantes n'a pas suffit pour r?fl?chir au moyens d'enlever les nitrates. L'?tape fondamentale qui a concentr? notre attention sur le cycle de l'azote a ?t? de vouloir maintenir des cnidaires.

La r?duction naturelle des nitrates peut ?tre consid?r?e comme le d?but d'une nouvelle tendance conceptuelle des syst?mes d'aquariums. La base du raisonnement est de fournir un environnement propice au d?veloppement de bact?ries qui m?tabolisent les nitrates afin d'en extraire l'oxyg?ne contenu. Pour ce faire, l'environnement de ces bact?ries n?cessite d'?tre sous oxyg?n? de sorte que l'oxyg?ne contenu dans les mol?cules de nitrates deviennent des ?lectrons d?sirables. il s'agit donc d'un processus destructif de la mol?cule de NO₃. L'autre solution consiste ? retransformer les nitrates en ammoniaque. La premi?re solution est plus d?sirable dans nos aquariums r?cifaux, alors que la deuxi?me est la pr?f?r?e des algues ind?sirables. Quoi qu'il en soit, la nitrification ne doit pas ?tre supprim?e afin de pr?server l'?quilibre.

Les nitrates ne sont pas une 'chose', mais plut?t un fragment chimique ou un constituant de l'aliment des cellules. Les cellules vivantes ont la t?che difficile de transformer les compos?s chimiques pour en extraire ce dont elles ont besoin, sous une forme qu'elles peuvent utiliser. L'utilisation des nitrates n?cessite une transformation d'?nergie, ce qui signifie une manipulation des liaisons chimiques, comme pour l'oxyg?ne, en raison de l'?nergie qu'elles contiennent.

Le sort r?serv? ? l'azote contenu dans la mol?cule de nitrate est seulement une faible partie du cycle, et est associ? au carbone par les besoins des microbes. Le cycle de l'azote et du carbone sont fondamentalement importants et inextricablement li?s ? la production microbienne marine, ? la min?ralisation, et au processus de s?dimentation. Il est important de constater que les macromol?cules qui interviennent dans les transformations biochimiques (prot?ines, enzymes) dans les r?gulations physiologiques ou contr?les g?n?tiques (hormones, r?gulateurs de croissance, ADN, ARN), montrent une d?pendance commune au niveau des ratios sp?cifiques 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'activit? m?tabolique microbienne ou sur la croissance aient des cons?quences importantes sur la production et la min?ralisation des mati?res organiques en environnement marins.

En consid?rant l'association ?troite des cycles de l'azote et du carbone dans la production marine et dans le processus de min?ralisation, il semble intuitivement ?vident que notre alt?ration et interf?rence avec le cycle naturel de ces ?l?ments a et continuera ? avoir un impact significatif sur la fertilit? marine et la qualit? de l'eau r?sultante.

Les transformations d'?nergie sont des ?tapes des processus contr?l?s par les cellules et de l'environnement qu'elles produisent. Dans beaucoup de cas, un aquarium d?s?quilibr? ou un environnement impropre perturbe les ?quilibres naturels du cycle ?nerg?tique et se traduit par un besoin de filtration externe pour enlever les ?l?ments inutilis?s. Le sch?ma normal des transformations est chang?. L'?quilibre synergique est partiellement d?truit ou cass?.

Parce que nous sommes familiaris?s 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 ?tre utilis?es par les cellules vivantes (m?diateur microbien). Nous pouvons aussi comprendre que la synth?se ou la d?composition adaptative m?tabolique (transformations chimiques) est la raison ultime qui fait que les polluants restent aux niveaux requis. Tout cela s'ajoute ? la description d'une ?cologie benthique et aux chemins 'biog?ochimiques' que nos nouvelles approches de l'aquarium r?cifal suivent.

Notre nouvelle tendance en filtration d'aquarium utilise des lits de sable sp?cifiquement con?us pour offrir des environnements permettant l'accroissement de la m?diation microbienne naturelle. Le but du syst?me ? lit de sable est de maintenir correctement autant d'?l?ments et de composants possible au niveau naturel et d?sirable. L'id?e a ? nouveau attir? notre attention sur les cellules et ses activit?s dans des environnements sp?cialis?s. Notre capacit? ? utiliser des populations microbiennes de cellules r?sulte des variables ?cologiques que nous avons mesur?es, i.e. facteurs chimiques et physiques, et les propri?t?s des populations microbiennes elles-m?mes, comme leur distribution, densit?, besoins m?taboliques, et activit?s.

Une zone, dans l'?cosyst?me de nos aquariums, comme l'interface s?diment - eau, est un endroit crucial d'activit? microbienne associ?e ? des cycles biog?ochimiques. Les esp?ces de microbes changent ?norm?ment, chacune s?lectionn?e pour ex?cuter sa fonction sp?cifique. Les cellules impliqu?es peuvent ?tre compar?es ? de petits laboratoires biochimiques, d?di?s ? la d?composition et/ou ? la synth?se de nombreuses substances. Les outils utilis?s dans les transformations ?nerg?tiques sont tous au niveau mol?culaire. En fait, ce sont des enzymes.

Les enzymes ne sont pas distribu?es al?atoirement dans la cellule. La cellule est une structure hautement organis?e qui ne peut pas ?tre consid?r?e comme un simple sac d'enzymes. La cellule g?re un syst?me multienzyme d?riv? d'un grand nombre de ses organes sp?cialis?s, disposant des composants et ?l?ments d'une mani?re ordonn?e dans une charpente macromol?culaire. Un m?tabolisme au m?canisme bien con?u.

Le m?tabolisme peut ?tre d?fini comme une somme de transformations chimiques dans la cellule. Cela inclut ? la fois les processus de d?composition et/ou de reconstruction. En consid?rant l'?nergie, une partie est utilis?e, l'autre lib?r?e. Ceci est important, car sans le m?tabolisme des cellules, l'?nergie pourrait suivre des chemins ind?sirables ou rester stock?e sous une forme inutilisable. Par exemple, les diff?rentes substances utilis?es en tant que nourriture par la cellule, comme le glucose, les acides amin?s et les lipides, peuvent ?tre cass?es en de plus petites mol?cules lors de la lib?ration d'?nergie. L'?nergie en retour est utilis?e par la cellule pour synth?tiser des mol?cules nouvelles et plus complexes.

La synth?se et l'utilisation des mol?cules utilisables n'aura pas lieu si on ne leur donne pas l'opportunit? d'?tre utilis?es efficacement, i.e. si elles sont stock?es ou enlev?es. Les chemins ?nerg?tiques divers agissent pour achever les processus qui stabilisent certaines des fonctions a?robies et ana?robies du cycle de l'?nergie, en utilisant des catalyseurs enzymatiques biologiques activ?s. Ces processus travaillent ensemble ? travers le cycle de l'azote et le cycle du carbone. Il en r?sulte la d?composition et l'utilisation des mat?riaux organiques, entra?nant certains organismes dans une concurrence pour un meilleur ?quilibre car ils ont acc?s aux mat?riaux n?cessaires.

Les enzymes, en tant que catalyseurs biologiques, acc?l?rent les r?actions chimiques de la cellule. Elles facilitent les r?actions de transition en recherchant ? ?quilibrer l'?cosyst?me environnemental dominant. Lorsque qu'il fonctionne correctement, le syst?me multienzyme cr?e et maintien l'?nergie et les cycles ? venir.

La source essentielle d'?nergie des organismes vivants provient du soleil. L'?nergie arrive par unit? de lumi?re (photons) et est pi?g? par les pigments de la chlorophylle. La chlorophylle est pr?sente dans les cellules des plantes vertes, et s'accumule sous forme d'?nergie chimique dans les diff?rentes nourritures. Sans le soleil, il n'y aurait pas de vie sur cette plan?te.

On peut regrouper les cellules et les organismes en deux principales classes. Leur diff?rence r?sulte du m?canisme utilis? pour extraire l'?nergie pour leur propre m?tabolisme : 1- autotrophe, 2- h?t?rotrophe. Avec les autotrophes (comme les plantes vertes), le CO₂ et l'H₂O sont transform?s par le processus de photosynth?se en glucose, ? partir duquel d'autres mol?cules plus complexes sont cr??es. Les cellules h?t?rotrophes (i.e. les cellules animales) obtiennent l'?nergie de diff?rentes nourritures (i.e. hydrates de carbone, graisses et prot?ines), qui ont ?t? synth?tises par les organismes autotrophes. L'?nergie contenu par ces mol?cules organiques est rel?ch?e principalement par combustion (oxydation) avec l'O₂ qui l'entoure. Le processus est aussi nomm? respiration a?robie. Le rejet d'H₂O et de CO₂ par les organismes h?t?rotrophes compl?te ce cycle de l'?nergie.

Vous devez noter que les cellules des plantes peuvent aussi tirer de l'?nergie en respirant la nourriture qui a ?t? synth?tis?e dans ses propres chloroplastes. Donc, il est possible aux deux processus autotrophe et h?t?rotrophe d'intervenir dans les cellules des plantes.

Il y a aussi un petit mais important groupe de bact?ries qui peut obtenir de l'?nergie ? partir de mol?cules inorganiques. Ce processus est appel? Chimiosynth?se. Par exemple, les nitrobact?res 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'?nergie provenant d'une autre source que la lumi?re n?cessite des transformations de l'?nergie potentielle ou chimique contenue ? l'int?rieur des produits alimentaires sous forme de liens covalents entre les atomes de chaque mol?cule. Dans la cellule vivante, cette ?norme quantit? d'?nergie n'est pas rel?ch?e soudainement comme lors d'une combustion (oxydation) dans une flamme. Au contraire, cela se passe par ?tape, d'une mani?re contr?l?e, en n?cessitant et utilisant des douzaines d'enzymes oxydantes qui finalement convertissent le combustible en CO₂ et H₂O, lib?rant l'?nergie.

La cellule vivante produit beaucoup de processus gr?ce auxquels les substances organiques sont oxyd?es et l'?nergie chimique lib?r?e. Tous ces processus sont cat?goris?s par la fonction de respiration de la cellule. Il y a deux types de respiration : la respiration a?robie, lorsque les mol?cules complexes peuvent ?tre d?grad?es avec la participation d'oxyg?ne mol?culaire; la respiration ana?robie, lorsque la d?gradation des mol?cules intervient sans la participation d'oxyg?ne mol?culaire. La respiration ana?robie est aussi parfois appel?e fermentation. Comme cela a ?t? dit plus haut, il est important d'inclure les deux processus pour ?quilibrer l'?nergie dans des ?cosyst?mes marins comme nos aquariums.

Selon la hi?rarchie des organismes et leur ordre phylog?nique, les formes de vie les plus basse obtiennent leur ?nergie par la fermentation ana?robie. Les formes plus ?lev?es d'organismes obtiennent plus d'?nergie ? partir d'une phosphorisation oxydante a?robie, et chez les plus ?lev?s, les deux sont coupl?s. La premi?re source fournit la plus faible ?nergie, la seconde est interm?diaire, la derni?re est plus efficace.

Appliqu? ? la filtration sur lit de sable, les particules organiques qui s?dimentent sont transform?es, aidant ? cr?er l'interface anoxie (NdT : interface ? oxyg?ne r?duit. L'anoxie se situe selon Sam entre anaerobie et aerobie) et les s?diments adjacents produisent des compos?s organiques d'une poids mol?culaire moindre. Ces petites mol?cules sont utilis?es par divers groupes de bact?ries avec dans l'ordre NO₃, MnO₂, FeOH, SO₄ et CO₂ comme h?tes terminaux pour les ?lectrons. La s?quence, par exemple, correspond aux algues fixant l'azote ayant une limite adaptative, les organismes anoxies ?tant des interm?diaires travaillant beaucoup et les organismes ana?robies formant la base de la pyramide ?nerg?tique utilisant du CO₂ par fermentation et produisant la plus petite ?nergie.

Compenser las populations microbiennes interm?diaires avec une abondance d'enzymes oxydante constitue une m?thode pour am?liorer les cycles utiles de l'?nergie, et ?carter certains autotrophes adaptatifs. Cela pourrait favoriser les m?tabolismes facultatifs, et ainsi r?duire certains besoins de la respiration ana?robie. Une autre alternative serait d'?tendre l'interface anoxie et fournir un moyen de stockage et de travail comme dans un plenum (NdT : mot d?crivant l'espace vide sous le lit de sable de la m?thode Jaubert) pour les exc?dents de nourriture. Faire les deux serait optimale et un exemple de synergie sur une nouvelle ?chelle.

La cr?ation d'un 'environnement ?cologique optimal' permettrait la reproduction de beaucoup des secrets de la nature. Nous avons r?alis? quelques avanc?es r?cemment. Cependant, jusqu'? ce que nous puissions pr?cis?ment et r?guli?rement reproduire le cycle de tous les compos?s et ?l?ments que nous mettons dans nos aquarium afin d'en extraire l'?nergie utile, nous devons continuer ? chercher. Filtrations biologiques, syst?mes naturel et syst?mes ? lit de sable ont ?t? des ?tapes importantes sur le chemin de la science de l'aquarium.

L'acceptation, la compr?hension et l'am?lioration des cycles d'?nergie essentiels stabiliseront les micro-organismes qui forment l'inextricable fondation qui produira une filtration naturelle. Le but est l'?quilibre des ?nergies partag?es.

Biographie : Sam GAMBLE est dipl?m? en Sciences Marines (Biologie). Il a pass? plus de 5 ans ? ?lever des crevettes Penneid, des art?mias, et un grand nombre d'algues diverses. Pendant 10 ans, il a eu entre autres la responsabilit? de la maintenance de plus de 120 000 litres d'aquariums d'exposition au John Pennekamp Coral Reef State Park. R?cemment, il s'est lanc? dans la recherche et le d?veloppement de produits pour aquariums destin?s aux syst?mes de maintenance naturels tel les aquariums ? lit de sable. Depuis 1991, il a publi? plus de 20 articles ? propos de l'aquariophilie, dans des magazines et des lettres d'information, y compris dans une colonne mensuelle publi?e sur Internet.