Biol 101 CM 3 Similarité d’échelle Quelques lois générales en écologie Il existe plus de 8millions d’espèces dans le monde. Au moins 10 ordre de grandeur entre la plus petite forme de vie et la plus grande (de 10-6 à 104 tonnes). Comprendre le fonctionnement de la Nature implique d’identifier des lois générales, permettant de prédire le fonctionnement, la dynamique des entités écologiques. La vie est maintenue par le flux, le stockage et le renouvellement de 3 composantes : L’énergie La matière L’information Lier les différentes échelles d’organisation (cellule, organes, individus, populations, peuplements) Par exemple : La production primaire d’un écosystème est la somme des fixations de carbone de tous les autotrophes. Le taux de croissance d’une population est le taux d’incorporation d’énergie et de matière dans de nouveaux individus. L’information échangée par les chants d’oiseaux est générée par transformation de l’énergie métabolique en ondes sonores. Origine commune de la vie : Reproduction/Croissance Besoin d’énergie Métabolisme Le métabolisme d’un organisme inclut l’assimilation des ressources depuis l’environnement, a transformation de ces substances au sein du corps, l’allocation de ce composés pour la maintenance, la croissance, la reproduction, l’excrétion des déchets vers l’environnement extérieur. Le métabolisme : Contrôle les processus écologiques à l’échelle des individus, des populations et des écosystèmes. Métabolisme de base (basal) : Besoins énergétiques « incompressibles » de l’organisme Maintenance Dépense d’énergie minimum quotidienne assurant la survie de l’organisme Consommation d’énergie pour maintenir des fonctions vitales (cœur, cerveau, respiration, digestion, maintien de la température du corps). Les organismes prélèvent l’énergie nécessaire à leur métabolisme dans leur environnement nourriture Les besoins énergétiques des organismes varient en fonction de leur tailles et leur température corporelle (endothermes) / température du milieu (ectothermes). Comment aborder les différentes échelles ? Etude de l’évolution des traits et des processus l’un par rapport à l’autre Relations allométriques Par exemple : Traits physiologiques métabolisme/taille (masse) du corps Différents types de relations allométriques : Allométrie positive : Croissance relative plus rapide d’une partie d’un organisme ou fonction physiologique par rapport à la croissance globale de cet organisme. Allométrie Négative : Croissance relative moindre d’une partie d’un organisme ou fonction physiologique par rapport à la croissance globale de cet organisme. Isométrie : Croissance relative d’une partie d’un organisme ou fonction physiologique identique à la croissance globale de cet organisme. De nombreuses caractéristiques fondamentales des organismes peuvent se résumer en une relation allométrique : loi de puissance Y= a x MB Avec a=Constante B (beta) =exposant d’échelle allométrique M= masse de l’organisme Linéarisation de la relation : Log(Y) = Log(a) + BLog (M) Relation allométrique du métabolisme Historique 1920 : Huxley identifie la relation de puissance entre des attributs biologique et la masse relation allométrique 1930 : Brody 1932 : Kleiber Théorie métabolique de l’écologie Développée par West, Brown et Enquist : B = Bo x Mα x e-E/kt Avec B = Variable dépendante Bo = Constante de normalisation M = Loi de puissance associée à la masse du corps (Influence de la masse) -E/kt = Fonction d’Arrhenius : dépendance exponentielle des processus vis-à-vis de la température : E = énergie d’activation (0,65eV) K = constante de Blotzmann Influence de la température T = température (Kelvin) Fonction d’Arrhenius E est approximativement 0,65eV pour a respiration aérobie et les processus dépendants de la respiration, et 0,30 pour les processus associés à la photosynthèse. kT est le produit de la constante de Boltzmann et de la température absolue. Unité de k (des joules par Kelvin) le produit de ces deux éléments est une énergie, qui dépend donc de la température. Ce modèle permet de prendre en compte : 15 ordres de grandeur dans le taux métabolique 20 ordres de grandeur dans la masse du corps 40°C de variabilité dans la température du corps Ainsi approximativement : le métabolisme contrôle le rythme de la vie et le taux de tous les processus écologique soutenus par la biologie. Un objet fractal : Détails similaires à des échelles arbitrairement petites ou grandes Trop irrégulier pour être décrit efficacement en termes géométriques traditionnels Autosimilarité : c’est-à-dire que tout est semblable à une de ses parties La structure de ces réseaux présente 3 propriétés principales : Le branchage hiérarchique pour soutenir / alimenter l’ensemble du volume de l’organisme en 3D Les unités terminales (capillaires, pétioles) ne varient pas avec la taille de l’organisme La sélection naturelle à induit une optimisation hydrodynamique du flux au sein du réseau pour minimiser le cout énergétique nécessaire à la distribution des ressources. Hypothèse d’équivalence énergétique Energie métabolique B=M0 ,75 Densité N=M-0,75 Energie pour une population E=B x N E= M0,75 + (-0,75) = M0 Les populations de toutes les espèces absorbent la même quantité totale d’énergie de leur environnement par unité de volume ou d’aire d’habitat. Les humains et les primates ont une fécondité plus faible que les autres mammifères. Le taux métabolique es associé à l’allocation d’énergie soutenant la fécondité d’après la relation : F α B-1/3 Diminution de la fécondité avec la consommation énergétique. Exemple : l’énergie totale utilisée (pétrolé, etc…) pour une femme US est équivalent à un taux métabolique prédit pour un primate de 30 tonnes ! La fertilité des femmes américaines est similaire pour ce qui serait prédit pour un primate de cette taille …
