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Les lacs de montagne : de la molécule d'eau à l'écosystème

 

 

          Pour peu que leur altitude ne dépasse pas 2 600 m, avec une exposition et des conditions climatiques favorables, les lacs de montagne offrent non seulement une possibilité d’accueil pour des organismes vivants, mais permettent aussi l’épanouissement de la biodiversité. Ceci n’est réalisable que grâce aux propriétés physico-chimiques bien particulières de la molécule"Une molécule est constituée d'au moins 2 atomes unies par une ou plusieurs liaisons covalentes" d’eau.

 

          SEULE matière de notre environnement naturel, que l’on trouve couramment dans l’un des trois états physiques (solide [glace, neige], liquide et gazeux [vapeur]), l’eau est une substance ubiquitaire. Elle est une partie intégrante et indissociable de la Vie ; mais c’est avant tout, une exceptionnelle dotée de qualités extraordinaires.

          Formée par deux liaisons covalentes"La liaison covalente est une liaison chimique forte entre 2 atomes qui mettent en commun une ou plusieurs paires d'électrons de valence" entre un atome"L'atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « insécable ») est la plus petite partie d'un corps simple, possédant les propriétés de l'élément auquel il appartient, et pouvant se combiner chimiquement avec un autre atome" d’oxygène et deux atomes d’hydrogène, la molécule d’eau (H2O), bien qu’électriquement neutre, possède un moment dipolaire"Une molécule présente un moment dipolaire lorsque le barycentre des charges positives est distinct du barycentre des charges négatives". C’est à dire qu’à certains endroits apparaissent des charges positives tandis qu’à d’autres endroits des charges négatives se forment. En effet, la région de la molécule occupée par l’oxygène, qui est l’élément"Un élément chimique est défini par son numéro atomique: même nombre de protons, même nombre d'électrons. Il est représenté par un symbole qui permet de l'identifier" le plus électronégatif"L'électronégativité est l'attraction exercée par un atome sur les électrons qu'il met en commun avec un autre atome, dans le cadre d'une liaison covalente" (-3,5) après le Fluor (-4,0), attire à elle les électrons"Un électron est une particule élémentaire, de charge négative, gravitant autour du noyau de l'atome" et possède ainsi une charge partielle négative (δ-). Par conséquent, les régions où se trouvent les atomes d’hydrogène ont une charge partielle positive (δ+).

 

La molécule d'eau
La molécule d'eau

 

Il en résulte que lorsque deux molécules d’eau se rapprochent l’une de l’autre, l’atome d’hydrogène d’une molécule subit l’attraction de l’atome d’oxygène de la molécule voisine. Chaque molécule d’eau peut ainsi former ce qu’on appelle des liaisons hydrogène"Une liaison hydrogène est une liaison chimique faible qui se produit lorsqu'un atome d'hydrogène, déjà lié de manière covalente à un atome électronégatif, subit l'attraction d'un autre atome électronégatif" avec une, deux, trois ou quatre molécules voisines. Au plus la température de l’eau liquide est basse, au plus le nombre de liaisons hydrogène est élevé. A 0°C, chaque molécule d’eau est liée à 3,6 molécules voisines. Le maximum de quatre liaisons hydrogène pour chaque molécule est atteint dans l’eau solide (glace). (LEHNINGER A.L., 1981. — Biochimie — (Flammarion, Médecine-Sciences, éd.).

 

Arrangement tridimensionnel des molécules d'eau
Arrangement tridimensionnel des molécules d'eau

 

Ce sont ces liaisons hydrogène qui permettent un agencement, une structure organisée des molécules et par-là même, donnent à l’eau ses propriétés extraordinaires :
  forces de cohésion"Les forces de cohésion intermoléculaire sont assurées principalement par les liaisons hydrogène et aussi un peu par les liaisons de van der Waals" élevées,
  tension superficielle"La tension superficielle est la force résultant de la cohésion intermoléculaire et restreignant au minimum le nombre de molécules à la surface d'un liquide" élevée (voir vidéo),
  capacité de solvatation"La solvatation est l'interaction entre un solvant (exemple: eau) et un soluté (espèce en solution): Le soluté s’entoure de molécules de solvant retenues sur lui par des forces électrostatiques et/ou des liaisons hydrogène" élevée,
  chaleur spécifique"La chaleur spécifique est définie par le nombre de joules requis pour augmenter de 1°C (ou 1°K) la température de 1 gramme d'une substance donnée" élevée,
  chaleur de vaporisation"La chaleur de vaporisation est la quantité de chaleur que 1 gramme de liquide doit absorber, à température constante, pour passer de l'état liquide à l'état gazeux" élevée.

L’eau liquide reste « compacte » et ne s’évapore pas facilement. Elle absorbe aussi beaucoup de chaleur et la restitue lentement. Par rapport à d’autres petites molécules comparables, elle possède un point de fusion"Le point de fusion est la température à laquelle une substance passe de l’état solide à l’état liquide à pression atmosphérique normale" et un point de d’ébullition"Le point d'ébullition est la température à laquelle une substance passe de l’état liquide à l'état gazeux à pression atmosphérique normale" élevés. Concrètement, l’eau stabilise ainsi les températures sur la Terre et permet, toujours grâce à ses liaisons hydrogène, que les océans et les lacs ne gèlent pas complètement lorsque la température de l’air descend au‑dessous de 0°C.

          Alors que toutes les substances à l’état liquide, à l’exception de l’Argent et du Bismuth, se contractent lorsque la température diminue et acquièrent ainsi une masse volumique"La masse volumique d'une substance est la masse d'une unité de volume de cette substance" plus grande à l’état solide qu’à l’état liquide, l’eau procède de manière opposée : au lieu de tomber au fond de l’eau, la glace flotte ! Nous sommes habitués, dans la vie de tous les jours, à voir la glace flotter sur l’eau liquide, mais d’un point de vue physico-chimique, ce comportement est vraiment très surprenant. Il résulte encore une fois de la capacité de l’eau à former des liaisons hydrogène. Lorsque la température descend au-dessous de 0°C, chaque molécule d’eau se lie à quatre molécules voisines et un réseau cristallin"Un réseau cristallin est un solide dont les constituants (atomes, molécules ou ions) sont assemblés selon un motif tridimensionnel répétitif", appelé glace, se forme. Les liaisons hydrogène, plus nombreuses dans la glace que dans l’eau liquide, gardent les molécules plus éloignées les unes des autres : la glace occupe un volume de 9% supérieur à celui de l’eau liquide, la masse volumique de la glace est inférieure de 8,3% à celle de l’eau liquide, la glace flotte sur l’eau liquide.

 

La glace occupe un volume supérieur à celui de l’eau liquide
La glace occupe un volume supérieur à celui de l’eau liquide
 

          CECI EST MAGNIFIQUE. Si la glace tombait au fond de l’eau, les lacs et même les océans gèleraient entièrement. L’été, seulement quelques centimètres sous la surface des océans dégèleraient. La Vie sur la Terre n’aurait pas la forme que nous lui connaissons aujourd’hui. Heureusement pour nous, lorsqu’une étendue d’eau profonde se refroidit, la glace qui flotte en surface isole l’eau liquide qui se trouve dessous, l’empêche de geler et permet ainsi à des êtres vivants d’évoluer sous la surface.

          ET CE N’EST PAS TOUT ! Il est déjà merveilleux de constater que la vie est possible sous la glace, mais si l’eau liquide, comme toutes les substances liquides, connaissait sa densité"La densité d'une substance correspond au rapport de la masse volumique, de cette substance, par la masse volumique de l'eau pure à une température de 4°C. La densité n'a par conséquent pas d'unités" maximale juste avant son changement d’état"Une substance peut passer de l'état gazeux à l' état liquide ou solide, de l' état liquide à l'état gazeux ou solide, de l'état solide à l'état gazeux ou liquide : ce sont des changements d'état", la température des lacs, sous la couche de glace, serait de 0°C, uniformément, dans toute leur profondeur. La vie dans un lac de montagne, en hiver, serait plus ou moins « figée » et surtout, les espèces endémiques"Une espèce animale ou végétale est qualifiée d'endémique lorsqu'elle n'existe que dans une région géographique spécifique et relativement petite" au lac ne connaîtraient pas une telle biodiversité. De plus, l’été toute la masse d’eau du lac de montagne serait très longue à réchauffer. Heureusement, l’eau liquide a un comportement un peu différent de celui des autres substances liquides. En effet, lorsque l’eau se refroidit, elle se contracte, comme les autres liquides, mais connaît sa masse volumique maximale à 4°C (3,98°C exactement !). Au‑dessous de cette température, l’eau se dilate, sa masse volumique diminue, elle devient plus légère. L’eau des lacs de montagne s’échelonne selon deux gradients"Du latin gradus, degré, le gradient désigne une variation de grandeur selon un paramètre précis. Le gradient de température de l'eau d'un lac est la quantité de variation de température en fonction de la profondeur" de température différents selon la saison. Concrètement, l’été, l’eau à 4°C se trouve au‑dessous des couches d’eau dont la température est supérieure à 4°C. Mais l’hiver, c’est le contraire : l’eau à 4°C se trouve au‑dessous des couches d’eau dont la température est inférieure à 4°C. Ceci est fondamental : l’eau à 4°C « tombe » au fond du lac et s’y maintient, été comme hiver, ce qui permet un certain réchauffement en profondeur pendant la période hivernale. En hiver, si le lac est profond de plusieurs dizaines de mètres, sa couche d’eau inférieure maintient sa température par géothermie"La géothermie, du grec géo, Terre et thermos, chaleur, est la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre. Il existe, en effet, dans la croûte terrestre, de la surface vers l'intérieur, un gradient de température: augmentation de 3°K (ou 3°C) par 100 mètres de profondeur" et l’excédant de chaleur, s’il existe, est transférée aux couches d’eau supérieures dont la température est inférieure à 4°C. Sous la couche de glace, protégée du froid extérieur, chauffée par la Terre, la vie, plus ou moins active, est possible. Pour peu qu’ils soient à une altitude inférieure à 2 600 m et bien exposés, les lacs de montagne peuvent même accueillir des Vertébrés ectothermes"Les animaux ectothermes, du grec ektos, à l’extérieur et thermos, chaud, ne produisent pas de chaleur. Ils absorbent celle du milieu externe et utilisent des adaptations comportementales pour régler leur température corporelle" (grec ektos, à l’extérieur et thermos, chaud), comme les poissons !

 

          Comme l’eau connaît sa masse volumique maximale à 4°C, les eaux d’un lac de montagne s’échelonnent verticalement selon un gradient de température, été comme hiver. Ce n’est seulement qu’au printemps et à l’automne, que les eaux d’un lac se mélangent, lorsque la couche superficielle atteint 4°C.

Gradient thermique d'un lac de montagne en été

En été, les eaux du lac s’échelonnent verticalement selon un gradient thermique : la température diminue de la surface vers le fond. On distingue ainsi 3 couches d'eau. La couche supérieure, contenant les eaux les plus chaudes, est nommée ÉPILIMNION (grec epi, dessus et limnos, lac). La couche inférieure, contenant les eaux les plus froides, est appelée HYPOLIMNION (grec hupo, dessous et limnos, lac). Ces 2 couches sont séparées par une troisième, de faible épaisseur, où le gradient thermique est abrupt: la THERMOCLINE (grec thermos, chaud et klinein, incliner). C'est, étymologiquement, la couche où « la chaleur s’incline » rapidement. Ce phénomène, classique pour les lacs de zones tempérées, est limité pour les lacs de montagne ; mais il existe.

   
Gradient thermique d'un lac de montagne en automne

A l’automne, la couche d’eau superficielle se refroidit et s’enfonce au fur et à mesure que la température de l’air diminue. Les eaux du lac se mélangent jusqu’à ce que la température atteigne 4°C, uniformément, sur toute la profondeur du lac : il n’y a plus de gradient thermique. Les eaux profondes reçoivent du dioxygène en provenance de la surface et les eaux superficielles des nutriments en provenance du fond lacustre.

   
Gradient thermique d'un lac de montagne en hiver

En hiver, la couche d’eau liquide la plus froide du lac se trouve juste au‑dessous de la couche de glace superficielle. La température augmente de la surface vers le fond, selon un gradient thermique inversé par rapport à celui de l’été.

   
Gradient thermique d'un lac de montagne au printemps

Au printemps, la couche de glace fond et la couche d’eau liquide superficielle se réchauffe et s’enfonce au fur et à mesure que la température de l’air augmente. Les eaux du lac se mélangent jusqu’à ce que la température atteigne 4°C, uniformément, sur toute la profondeur du lac : il n’y a plus de gradient thermique. Comme lors du brassage automnal, les eaux profondes reçoivent du dioxygène et les eaux de surface, des nutriments.

 

          Grâce aux propriétés physico-chimiques de la molécule d’eau, les lacs d’altitude connaissent une stratification verticale de leurs eaux selon la température. Ils voient ainsi une distribution des communautés"En écologie, la communauté correspond à l'ensemble des populations de différentes espèces habitant une aire donnée" d’organismes qui les peuplent, en fonction de la profondeur du lac et de la distance du rivage.

          Il existe ainsi plusieurs zones :

 

Zones d'un lac
Zones d'un lac

 

          Lorsqu’elle pénètre dans le lac, la lumière du soleil est absorbée par l’eau et par les particules et les organismes en suspension : l’intensité lumineuse décroît avec la profondeur. Dans une zone supérieure, appelée EUPHOTIQUE (grec eu, bien ou vrai et photos, lumière), l’illumination permet la photosynthèse.

          Dans une zone inférieure, sombre, appelée APHOTIQUE (grec a, sans et photos, lumière), les rayons lumineux ne pénètrent pas.

          Toute la surface de la cuvette du lac, indépendamment de sa profondeur, est recouverte d’une couche de sédiments organiques et inorganiques : cette zone est appelée BENTHIQUE (grec benthos, profondeur). Les organismes qui y vivent, portent le nom de BENTHOS (grec benthos, profondeur). La matière organique morte est nommée DÉTRITUS (latin detritus, broyé). Ces détritus proviennent de la zone euphotique et constituent une importante source de nourriture.

          Dans la zone proche du rivage, l’eau est peu profonde, bien éclairée et plus chaude. Des plantes aquatiques peuvent être présentes. Cette zone est appelée LITTORALE (latin litus, rivage).

          Loin du rivage, les eaux superficielles et bien éclairées contiennent, entre autres, des Algues"Les Algues forment un groupe hétérogène d'organismes unicellulaires, qui comme les Végétaux, effectuent la photosynthèse" et des Cyanobactéries"Une Cyanobactérie est une Bactérie qui effectue la photosynthèse" qui effectuent la photosynthèse"La photosynthèse (du grec φῶς phōs « lumière » et σύνθεσις sýnthesis « combinaison »), qui s'effectue chez les Végétaux, les Algues et certaines cellules Procaryotes, est la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique. Cette dernière est emmagasinée dans des glucides et d'autres molécules organiques, avec accessoirement dégagement de dioxygène.". Cette zone est appelée LIMNÉTIQUE (grec limnos, lac).

          Entre la zone limnétique et la zone benthique se situe la zone PROFONDE.

 

          On lit souvent sur Internet et sur certains livres d’écologie traitant des biomes"Un biome constitue un ensemble d'écosystèmes variés qui occupe une vaste étendue géographique et qui se caractérise par des conditions climatiques uniformes" aquatiques que ces phénomènes de gradient thermique, et par‑là même, de zones de distribution de communautés d’organismes, sont peu ou pas marqués dans les lacs de montagne. Bref, les lacs de montagne ne constitueraient pas de véritables écosystèmes"Un écosystème est l'ensemble formé par les facteurs physico-chimiques (abiotiques) et la communauté des espèces (facteurs biotiques) d'une aire donnée". Certes, en zone tempérée, un lac de plaine ne connaît pas la même stratification thermique verticale qu’un lac de montagne et contient généralement des espèces différentes. Mais il est erroné d’affirmer que les lacs dont l’altitude est supérieure à 2 600 m, contiennent uniquement de la matière minérale en suspension et que la vie n’y est pas possible. On trouve toujours dans la couche d’eau liquide superficielle, quelle que soit sa température, au moins des Cyanobactéries qui effectuent la photosynthèse, meurent, se transforment en détritus qui tombent au fond du lac. Cette matière organique morte offre ainsi les nutriments nécessaires à d’autres bactéries qui se développent loin de la surface. Il y a bel et bien une distribution des communautés, une répartition des espèces selon les zones dont nous avons parlé ci-dessus. De plus, selon leur localisation, leur altitude, leur exposition, leur profondeur, leur superficie, les lacs accueillent des espèces différentes. Cette biodiversité particulière confère l’originalité, l’intérêt et la richesse des lacs de montagne.

 

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