Cette théorie s’applique à tous les organismes marins (bactéries, planctons, poissons, baleines). Elle peut s’exprimer de plusieurs façons, par exemple :

• la biomasse de l’ensemble des individus appartenant à une même classe de tailles est constante quelle que soit la classe, des bactéries aux baleines ;
• plus les individus d’une classe ont des masses élevées, moins il y a d’individus dans cette classe ;
• la biomasse aquatique est répartie uniformément entre les classes de taille de masse corporelle exprimée en logarithme.

Le spectre de Sheldon distribue les organismes en classe de tailles, indépendamment de l’espèce à laquelle ils appartiennent. Ces classes de tailles sont constituées de façon multiplicative, avec des ordres de grandeur comme : 1, 10, 100, etc.

Selon cette théorie, si on compare les baleines aux bactéries, les baleines étant plus grandes de 23 ordres de grandeur que les bactéries (un et 23 zéros), les bactéries devraient être plus abondantes de 23 ordres de grandeur, et les biomasses des populations de baleines et des bactéries devraient être égales.

Pour tous les océans, des estimations ont donné la valeur approximative de 1 gigatonne pour la biomasse de chaque classe de taille.

Aujourd’hui, le constat est clair ; outre le fait que de nombreuses espèces disparaissent, les tailles des poissons pêchés diminuent régulièrement, même s’il existe des exceptions. En conséquence, les spectres de masse dans les océans ne sont plus constants, et cette dégradation est le résultat de la surpêche dans les écosystèmes marins, conséquence de la pêche industrielle. C’est bien sûr les classes supérieures du spectre des classes qui sont le plus touchées puisque les plus pêchées.

Bien entendu, ce déséquilibre des biomasses résulte de déséquilibres (ou même de ruptures) de nombreuses chaînes alimentaires et réseaux trophiques.

La réalité de cette théorie n’a jamais été précisément quantifiée sur l’ensemble de la vie marine, mais les classes extrêmes du spectre sortent probablement du cadre de la théorie, les bactéries étant au-dessus de la biomasse des autres classes et les baleines au-dessous.

Afin d’aborder pédagogiquement cette théorie, plusieurs thèmes de biologie et d’écologie peuvent être développés, auxquels il faudrait ajouter quelques éclaircissements mathématiques quant aux estimations !

Cette théorie renvoie, d’une certaine façon, aux pyramides écologiques, qui sont utilisées pour représenter les hiérarchies des populations au sein d’un écosystème. Même si, pour ces pyramides, ce sont les espèces et non les tailles que l’on positionne les unes par rapport aux autres, par rapport à leurs relations trophiques.

En outre, ces pyramides sont utilisées pour tous les écosystèmes, terrestres ou aquatiques (océans, lacs, etc.).

Une explication sur la constance de la biomasse tout au long du spectre pourrait venir en partie du fait que la biomasse de toutes les espèces se construit sur les mêmes rendement des fonctions de base du vivant, en tout premier lieu la respiration qui libère l’énergie nécessaire aux synthèses organiques, et aux cycles métaboliques.

La toute première remarque concerne le passage de la mesure d’une « taille » (en micromètre pour les bactéries, en mètre pour les baleines), à une biomasse qui a une relation avec le volume.

Lorsque la taille d’un organisme augmente, son volume et son poids augmentent (ainsi que la surface de son corps). Mais, alors que la surface est proportionnelle au carré de la dimension linéaire, le volume est proportionnel au cube de cette dernière. Les variations pour ces trois paramètres sont donc très différentes.

• objet de taille 2 : la surface varie comme 4, et le volume comme 16 (et donc la biomasse pour ce qui nous intéresse) ;
• objet de taille 32 : la surface varie comme 1 024, et le volume comme 32 768

Les conséquences sur les différences des besoins nutritionnels entre les petits et grands organismes, et donc sur les chaînes alimentaires, sont évidentes !

C’est l’écologiste Ray Sheldon qui a formulé l’hypothèse en 1960.

La notion de spectre est ici celle utilisée au sens de distribution de valeurs, comme cela est utilisé avec le spectre électromagnétique.