L’écologie Références : • LEP, pp.114-139 • Raven, « Biologie », ch.53-54-55 • Cain, « Découvrir la biologie », ch.39-45 • Diaporama, B. Vassilakos Définition de l’écologie • Vient du grec « oïkos » = habitat et de « logos » = science • Science de l’organisation de la nature, de ses mécanismes et de l’interaction de ses parties. • L’écologie étudie les interactions entre les organismes d'une part, et entre les organismes et leur environnement d'autre part. • L’écologie est étroitement liée à la biologie de l’évolution. 2 Etude de la distribution des organismes Quels facteurs limitent l’aire géographique (la distribution) d’une espèce? Quels facteurs déterminent son abondance relative? 3 Hiérarchie des différents niveaux écologiques 4 Questions en écologie Niveau de l’individu Quelles sont les caractéristiques du sol qui permettent aux Echinacées de bien se développer? 5 Questions en écologie Niveau de la population* Observe-t-on une croissance ou une diminution de la population d’Echinacées d’année en année en Amérique du Nord? * population : groupe d’individus d’une même espèce qui interagissent librement entre eux dans un même biotope 6 Questions en écologie Niveau de la communauté* Comment les Echinacées interagissent-elles avec les autres espèces de plantes et avec les animaux de la prairie? * communauté : ensemble de populations d’espèces différentes habitant une aire donnée 7 Questions en écologie Niveau de l’écosystème* Comment les variations de précipitations influencent-elles la productivité photosynthétique dans un écosystème de prairie? * écosystème : ensemble que forment, dans une aire donnée, les facteurs abiotiques et la communauté des espèces 8 Questions en écologie Niveau du paysage* Dans quelle mesure la topographie du sol influence-t-elle la diversité des espèces trouvées dans ce paysage? * paysage : ensemble régional d’écosystèmes qui sont en interaction par des échanges d’énergie, de matière ou d’organismes 9 Questions en écologie Niveau du biome* Quelles caractéristiques du climat déterminent la transition d'une forêt vers une prairie? * biome : ensemble d’écosystèmes d’une vaste zone biogéographique. Se caractérise par des conditions climatiques uniformes déterminant un type dominant de végétation 10 Questions en écologie Niveau de la biosphère* Quel est le rôle du biome de la prairie dans le cycle du carbone? * biosphère: Partie de la Terre où on trouve la vie, englobe l’ensemble des écosystèmes. 11 Climats et biomes Effet du rayonnement solaire sur le climat Les rayons solaires parcourent de plus longues distances à travers l’atmosphère aux pôles La quantité d’énergie solaire qui atteint la surface de la Terre est propagée sur de plus grandes surfaces dans les régions polaires Les régions polaires ne reçoivent que 40% du rayonnement solaire par rapport aux régions tropicales. 13 L’inclinaison terrestre produit les saisons 14 15 16 17 Les biomes terrestres principaux 18 Principaux facteurs climatiques qui conditionnent la distribution des organismes : La température et les précipitations 19 Corrélation entre l’altitude et la latitude 1000 mètres de plus en altitude = 900 km de plus au Nord 20 Forêt tropicale (humide + T° élevées) Amazonie Sumatra 21 Forêt tempérée (T° et humidité moyennes) Décidues : à feuilles caduques Sempervirentes : à feuilles/aiguilles persistantes 22 Steppe ou prairie (peu humides, T° moyenne) Mongolie Dakota du Sud 23 Savane (T° élevée, peu humide) Kenya 24 Désert T° élevée, très peu humide Ouzbékistan Australie 25 Taïga (T° basse, moyennement humide) Chine 26 Toundra (T° basses, très peu humide) Spitzberg 27 Biomes aquatiques rivière lac estuaire zone humide zone intertidale (entre marées) océan récif corallien zone benthique (fond) 28 Les facteurs du milieu qui agissent sur les organismes Quels sont les facteurs du milieu qui agissent sur cette grenouille verte? 29 facteurs abiotiques facteurs biotiques facteurs biotiques facteurs abiotiques 30 Les facteurs abiotiques • Facteurs climatiques: – – – – Température Lumière Humidité Vent • Facteurs liés au sol (eau): – – – – structure et nature du sol pH teneur en eau teneur en divers éléments (NO32-, PO43-, Fe, Ca, …) 31 Les facteurs abiotiques : la température Limites viables entre 0°C et 45°C : • < 0°C : gel de l’eau • > 45°C : perte d’activité des enzymes métaboliques Différence entre animaux homéothermes (température constante) et poïkilothermes (température variable) Un animal poïkilotherme accélère son métabolisme 2x pour une augmentation de température de 10°C Un animal homéotherme maintient sa température constante au prix d’une grande dépense d’énergie 32 Courbe de tolérance à la température A. Poïkilotherme B. Homéotherme 33 Les facteurs abiotiques : la température Tortue luth ( Dermochelys coriacea ) La différenciation sexuelle des gonades est influencée par la température du sable pendant l'incubation des oeufs. Température > 29,5°C Température < 29,5°C => surtout des femelles => surtout des mâles 34 Les facteurs abiotiques : la température Drosophile ( Drosophila melanogaster ) La vitesse de son développement varie avec la température. Le développement dure: 41 jours à 19,5°C 20 jours à 20°C 12 jours à 24°C 35 Les facteurs abiotiques : la température Adaptation du manchot au froid: Plumes isolantes Graisse sous-cutanée Échangeur thermique à contre-courant Couleur noire du dos Formation de groupes 36 Les facteurs abiotiques : la température Loi de Bergmann: Dans un groupe taxonomique, les espèces qui vivent aux plus hautes latitudes sont plus grandes que celles qui vivent dans les zones tempérées, lesquelles sont plus grandes que celles qui vivent dans les régions plus proches des tropiques ou de l'équateur Explication : le rapport volume / surface est meilleur 37 Les facteurs abiotiques : la température Loi d’Allen : chez les animaux homéothermes, les appendices corporels sont plus petits dans les régions froides (perte de chaleur) 38 Les facteurs abiotiques : l’eau Adaptation à la sécheresse du Scarabée noir (Onymacris unguicularis) ) 39 Les facteurs abiotiques : l’eau Adaptation à la sécheresse du rat-kangourou (Dipodomys sp.) Passe la journée dans un terrier Urine concentrée et fèces sèches 90% de ses besoins en eau sont assurés par l'eau métabolique*. Les 10% restant proviennent des graines qu'il consomme *Produite par la respiration cellulaire 40 Les facteurs abiotiques : l’eau Adaptation à la sécheresse du Cactus Saguaro ( Carnegia gigantea) Forme massive pour stocker l’eau Racines de surface très étendues 41 Les facteurs abiotiques : la lumière Les plantes influencent la distribution verticale de la luminosité 42 Les facteurs abiotiques : la lumière La quantité de lumière diminue avec la profondeur de l’eau La quantité de lumière varie aussi avec la turbidité de l’eau 43 Les facteurs abiotiques : la lumière Relation entre l’assimilation du CO2 (photosynthèse) et l’intensité de la lumière dans l’eau, illustrant: le point de compensation, auquel la photosynthèse est à l’équilibre avec la respiration le point de saturation, au-delà duquel de la lumière additionnelle n’augmentera pas la photosynthèse 44 Autres facteurs abiotiques : pH et minéraux Certaines plantes montrent une dépendance particulièrement forte à un facteur: Ce sont des plantes indicatrices. 45 Facteurs limitants Dans un milieu donné, le facteur environnemental le plus contraignant s'appelle facteur limitant C'est de lui dont dépend l'abondance d'une espèce Ainsi, « le produit d'une récolte est limité par le nutriment dont le sol manque le plus » Liebig, 1862 46 Les facteurs biotiques Interactions avec les autres êtres vivants d’un écosystème Relations interspécifiques Le mutualisme (symbiose) : les deux espèces qui interagissent sont bénéficiaires (+/+) Le commensalisme : Une espèce est bénéficiaire, sans qu’elle ne nuise à l’autre (+/0) Le parasitisme : Une espèce vit sur ou dans une autre espèce, à laquelle elle nuit (+/-) La relation consommateur/victime (prédateur/proie) : Une espèce est bénéficiaire, au dépens de l’autre à laquelle elle nuit (+/-) La concurrence : deux espèces sont en compétition pour une même ressource (-/-) 48 Exemple de mutualisme (+/+) La pollinisation Pollinisation 49 Exemple de mutualisme (+/+) Poisson-clown et Anémone de mer 50 Exemple de mutualisme (+/+) Élevage de pucerons par des fourmis: les fourmis protègent les pucerons les pucerons donnent aux fourmis leur miellat Acacias et fourmis l’acacias fournit gîte et nourriture les fourmis défendent l’arbre contre les envahisseurs 51 Le lichen : symbiose entre une algue verte et un champignon 52 Exemple de Commensalisme (+/0) Requin et poisson pilote 53 Exemple de Commensalisme (+/0) Les plantes épiphytes prennent une autre plante comme support, sans lui nuire Plantes épiphytes 54 Exemple de Commensalisme (+/0) Vautours suivant les grands prédateurs 55 Relation consommateur / victime (+/-) Le parasitisme Le gui Le coucou 56 Exemples de parasitisme (+/-) Virus de la grippe H1N1 Le taenia Plasmodium(a) et anophèle(b), qui transmettent la malaria 57 Les relations de prédation (+/-) La prédation exerce une forte pression évolutive sur les populations de proies apparition de mécanismes de défenses chez les proies apparition d’adaptations opposées chez les prédateurs course à l’armement en « coévolution » 58 L’extinction de la proie entraîne l’extinction du prédateur La proie peut échapper au prédateur, celui-ci disparaît 59 Mimétisme batésien: seul le papillon monarque est toxique pour ses prédateurs 60 Défense chimique des proies contre la prédation Les grenouilles dendrobates sont extrêmement venimeuses pour les vertébrés. Elles annoncent la couleur! 61 Coloration défensive des proies 62 Défense des plantes contre les herbivores Défenses morphologiques : épines, poils collants, dépôt de silice Défenses chimiques (toxicité) 63 Défense par le nombre 64 Défense par le nombre 65 La compétition interspécifique ( - / - ) 66 Notion de niche écologique Définitions: Place et rôle occupés par une espèce au sein d’un écosystème, définis par son mode de vie et ses relations avec les autres espèces Utilisation globale qu’une espèce fait des ressources biotiques et abiotiques de son milieu Si les ressources sont limitées : deux espèces ne peuvent cohabiter dans une communauté si leurs niches écologiques sont identiques. C’est le principe de Gause (1935) : principe de l’exclusion compétitive 67 Niches écologiques Ces espèces de lézards se partagent leur habitat: (a) canopée, (b) branches périphériques, (c) base du tronc, (d) plages herbeuses Si deux espèces occupent la même partie de l’arbre, elles se nourriront d’insectes différents 68 Effet de la compétition sur les niches écologiques d’espèces Cain, ch.42, p.680 Chtalamus stellatus ne peut vivre dans les parties basses du littoral qu’en absence de Balanus balanoides. 69 Expérience de compétition en laboratoire, chez les diatomées (protistes, algues vertes) 70 L’écologie des populations Une population est un groupe d’individus de la même espèce vivant dans une aire géographique donnée à un moment précis Peuvent interagir les uns avec les autres L’écologie des populations … a pour tâche de mesurer les variations de taille et de composition des populations et de déterminer les causes écologiques de ces variations. Caractéristiques des populations - Densité - Distribution Facteurs démographiques Variation de la taille des populations - Modèle exponentiel - Modèle logistique Régulation des populations Référence : Campbell, chapitre 52 Mesure de la densité d’une population Comptage de tous les individus : souvent impossible Echantillonnage : p.ex nombre de tiges / hectare Indicateurs indirects : nids, traces, terriers, excréments 73 Mesure de la densité d’une population Captures / recaptures (animaux) : – Cages et filets sont disposés dans l’aire de distribution de la population étudiée – Les animaux capturés sont marqués et relâchés – Un temps d’attente est laissé et les filets replacés – La proportion d’animaux marqués à la seconde capture représente la proportion d’animaux marqués dans la population entière. ex. Lièvre d’Amérique Capture 1 : 50 ind. sont marqués Capture 2 : 100 ind. capturés 10 portent des étiquettes (10%) 10 % de la population est marqué Donc 500 individus dans la population TOTALE 74 La distribution d’une espèce est déterminée par: L’histoire (p.ex. dérive continentale) La présence d’un habitat approprié (biotique et abiotique) La dispersion 75 La distribution d’une espèce change au cours du temps suite à: La migration Le changement de climat Le gain/perte de l’habitat approprié (influence humaine) 76 Facteurs démographiques* influençant la taille d’une population 1. La répartition par sexe 2. La structure d’âge (espèces polygames/monogames) (pyramide d’âge) 3. Le taux de survie d’une espèce 4. Le cycle biologique * Démographie : étude statistique de la variation de taille d’une population dans le temps et 77 des facteurs qui l’influencent. 1. La répartition par sexe • Espèce polygame 1 mâle beaucoup de femelles - Croissance plus grande si: nb. femelles > nb. mâles • Espèce monogame 1 mâle 1 femelle - Croissance plus grande si: nb. femelles = nb. mâles 78 natalité Taille de la population immigration Taille de la population émigration mortalité natalité et immigration ajoutent des individus à la population mortalité et émigration retranchent 79 des individus à la population Accroissement d’une population La croissance démographique est grande lorsque: La taille des portées est grande. Le nombre de fécondations est grand. Le temps de génération est court. 80 Modèle de croissance exponentielle (courbe en J) Exemple de croissance exponentielle 81 Accroissement de la population humaine 82 Accroissement d’une population : modèle logistique Le modèle logistique intègre la notion de capacité limite du milieu : Nombre maximal d’individus d’une population qui peuvent vivre dans un milieu, sans dégradation de l’habitat Le taux d’accroissement diminue lorsqu’on s’approche de la capacité limite du milieu . Culture de paramécie avec des conditions constantes 83 Accroissement d’une population: Les facteurs limitants sont de deux types: dépendants de la densité: - quantité de nourriture détérioration de l’habitat territoires insuffisants prédateurs et parasites maladies contagieuses agissent quand densité Indépendants de la densité: - perturbations naturelles : incendies de forêt, inondations - évènements météo : sécheresse, hiver rigoureux - polluants environnementaux : DDT 84 85 Accroissement d’une population : confrontation du modèle logistique avec la réalité 86 Régulation de la taille d’une population Lois de Volterra 87 Régulation de la taille d’une population Lois de Volterra Le prédateur n’attaque qu’une espèce de proies, qui ne sont chassées par une seule espèce de prédateurs L’augmentation des proies augmentation des prédateurs diminution des prédateurs diminution des proies….. diminution des proies 88 Régulation de la taille d’une population Lois de Volterra Les moyennes restent stables au cours du temps 89 Communautés et écosystèmes Qu’est-ce qu’une communauté? Des communautés plus petites (microcommunautés) peuvent s’installer dans des communautés plus grandes Communauté : association de populations d’espèces différentes qui vivent suffisamment proches dans une même aire géographique 91 Structure des écosystèmes Ecosystème = biotope* + communauté** * Biotope = milieu défini par des facteurs spécifiques (climats, sols) ** Communauté = ensemble des organismes vivant dans un biotope espace vital = biotope communauté vivante écosystème simple 92 Un petit aquarium simplement organisé montre les constituants fondamentaux d’un écosystème Ecologie des communautés • Compétition, prédation, mutualisme, commensalisme lient les populations d’une communauté • Les espèces clés et les espèces dominantes ont une grande importance dans la structure d’une communauté • La structure d’une communauté est déterminée de haut en bas par la prédation et de bas en haut par les nutriments • La plupart des communautés vivent un déséquilibre dû aux perturbations, souvent d’origine humaine 93 Les communautés se caractérisent par • Leur richesse spécifique, c’est-à-dire leur nombre d’espèces différentes = biodiversité • L’abondance relative entre leurs espèces communauté 1 A : 80% B : 5 % C : 5 % D : 10% La communauté 2 est plus diversifiée que la 1 communauté 2 A : 25% B : 25 % C : 25 % D : 25% 94 Chaînes alimentaires et réseaux trophiques 95 96 Espèces clés ou espèces pivots Espèces qui, sans être majoritaires, ont une influence prépondérante sur la composition et l’équilibre d’une communauté Exemple : les castors, en construisant des barrages et en transformant les eaux courantes en étangs, créent de nouveaux habitats pour de nombreuses espèces animales et végétales97 Importance des espèces clés 98 Espèce-clé : espèce dont le rôle écologique est central Dans ce cas la prédation, par l’étoile de mer, réduit la compétition 99 Chaîne alimentaire avant l’arrivée des épaulards Chaîne alimentaire après l’arrivée des épaulards100 Les communautés changent avec le temps • La succession écologique : substitution des espèces les unes par les autres • Jusqu’à atteindre éventuellement le climax : étape relativement stable • Une communauté climacique est alors à l’équilibre… ... jusqu’à la prochaine perturbation. 101 Les communautés changent avec le temps Succession écologique primaire : a lieu dans un habitat nouvellement créé (moraine glaciaire, île volcanique) Les espèces pionnières facilitent l’apparition des espèces plus tardives en leur rendant le milieu plus favorable (sol plus fertile). 102 Elles peuvent aussi inhiber l’établissement d’espèces. La succession écologique secondaire • Lorsque la communauté subit des perturbations extérieures Le temps nécessaire à la restauration peut varier de quelques années à plusieurs 103 décennies ou siècles. Des perturbations modérées peuvent aussi augmenter la richesse spécifique d’une communauté La chute d’un seul arbre a créé une petite clairière éclairée dans la forêt ombrophile tropicale du Malawi. Ces clairières jouent un rôle essentiel en maintenant une grande diversité spécifique . Dans ce cas un bananier peut émerger du feuillage dense de la forêt. 104 Les communautés ne récupèrent pas toujours après une perturbation La surexploitation des pâturages par le bétail peut transformer les prairies en déserts 105 Figure 43.6 Les communautés ne récupèrent pas toujours après une perturbation (a) La basse forêt pluvieuse indonésienne, photographiée en 1980. (b) En 1982, cette forêt pluvieuse a brûlé. Comme cela est évident sur cette photographie de 1985, trois ans après l’incendie peu d’arbres sont restés en vie. (c) Un deuxième incendie a eu lieu en 1998, il a éliminé les arbres restants en convertissant la forêt pluvieuse précédente en prairie dominée par une espèce d’herbe introduite. 106 Fonctionnement des écosystèmes : Les cycles biogéochimiques et les flux d’énergie 108 Les cycles biogéochimiques: les nutriments circulent entre les organismes et l’environnement: • prélevés par producteurs • transférés aux consommateurs • restitués à l’environnement par les décomposeurs l’énergie circule dans une seule direction et n’est pas recyclée, elle sera perdue en chaleur 109 Le cycle de l’eau Toute vie dépend de l’eau L’eau constitue la plus grande partie des êtres vivants 110 Le cycle de l’eau 111 Le cycle de l’eau Dans une forêt dense, 90% de l’humidité est captée par les plantes, puis renvoyée dans l’air par transpiration Les plantes créent leur propre pluie Déforestation L’eau s’écoule vers la mer au lieu de former des nuages et de retomber vers la forêt désertification Dans les années 1970, ces pentes d’Equateur portaient une forêt très productive … 112 Le cycle du carbone Carbone = base de toutes les molécules organiques Source de carbone : le CO2 de l’atmosphère et dissout dans les océans Seuls les organismes autotrophes* peuvent convertir le CO2 en sucres, grâce à la photosynthèse. 113 *Végétaux, algues vertes, cyanobactéries… Qu’est-ce que la photosynthèse? énergie lumineuse gaz carbonique eau glucose dioxygène 114 Photosynthèse et transports dans les végétaux CO2 O2 lumière H2O sucres L’évaporation de l’eau par les feuilles induira la montée de la sève brute jusqu’en haut de la plante: un arbre peut évaporer plusieurs tonnes d’eau par jour. sucres H2O sels minéraux 115 Les organismes vivants utilisent les sucres produits lors de la photosynthèse pour: produire toutes les molécules dont ils ont besoin produire de l’énergie chimique (ATP) grâce à la respiration cellulaire et la fermentation lumière photosynthèse dans les chloroplastes CO2 + H2O Sucres + O2 mitochondries respiration dans les mitochondries énergie chimique chaleur 116 Le cycle global du carbone (en milliards de tonnes de carbone par année) Livre biologie LEP p.138 117 Augmentation de la concentration de CO2 et réchauffement climatique (effet de serre) 118 Conséquence du réchauffement climatique Répartition du papillon Pararge aegeria en 1915-1939 (en noir) et en 1970-1997 119 (en bleu). Le cycle de l’azote 120 (a) Les chercheurs firent construire des barrages et des déversoirs en béton en travers des ruisseaux qui drainaient les bassinsversants de Hubbard Brook. Ils purent ainsi mesurer les sorties d’eau et de nutriments minéraux 60% eau de pluie/neige ressort par ruisseau Pertes minimes en minéraux (b) Les chercheurs déboisèrent complètement un bassin-versant pour étudier les effets de la coupe à blanc sur le drainage et le cycle des nutriments Ruissellement augmente de 30-40% Calcium dans le ruisseau x 4 Phosphate dans le ruisseau x15 121 Pertes de nitrate dans le ruisseau x 60 ! Eau du ruisseau impropre à la consommation La végétation elle-même régule et retient les nutriments 122 Effet d’un excès d’azote dans une prairie 123 Le cycle du phosphore 124 L’eutrophisation des cours d’eau est due à une concentration excessive de phosphate et de nitrate/nitrite, relâchés par les stations d’épurations et par l’agriculture. Conséquences : stimulation excessive de la croissance du phytoplancton et des algues manque d’oxygène suite à la décomposition de ces algues par des bactéries aérobies Mort des poissons et autres animaux aquatiques 125 Le cycle du soufre 126 Le rejet de SO2 dans l’atmosphère provoque des pluies acides Dans l’atmosphère, le SO2 est dissout dans l’eau et forme du 127 H2SO4, et les oxydes d’azote forment du H2NO3 Les pluies acides 128 Les flux d’énergie dans les écosystèmes Les producteurs (autotrophes) se procurent l’énergie à partir du soleil (photosynthèse) Les consommateurs (hétérotrophes) acquièrent leur énergie en consommant d’autres êtres vivants Les décomposeurs font partie des consommateurs 129 130 Fèces, urine, Mue (50%) Respiration Cellulaire (33%) Croissance (biomasse nouvelle, 17%) Un organisme hétérotrophe ne convertit qu’une petite partie de sa nourriture en 131 biomasse nouvelle Les chaînes alimentaires ont rarement plus de 3-4 niveaux trophiques Une pyramide écologique idéale : environ 10% en moyenne de l’énergie à chaque niveau trophique est transféré au niveau trophique suivant Cette figure montre l’énergie disponible à chaque niveau trophique pour 132 chaque 1’000’000 de joules provenant du soleil Cette pyramide des nombres représente un champ de pâturin des prés du Michigan. Trois super carnivores seulement peuvent vivre dans cet écosystème qui repose sur la productivité de près de 6oooooo.de plantes 133 Végétarien ou carnivore? 100 Kg de céréales 10 Kg de viande 1 Kg de muscle humain 134