HPT - enseignement Catholique
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HPT Formation scientifique UAA6 AUTEURS : Brigitte Janssens, Pascale Papleux Clarifications conceptuelles à l’usage du professeur Biodiversité et évolution Biodiversité La diversité biologique (ou biodiversité) désigne la diversité de toutes les formes du vivant. Elle est habituellement subdivisée en trois niveaux : a) la diversité génétique correspond à la diversité des individus appartenant à une même espèce. Par exemple, les différentes races de chiens ; http://www.lefigaro.fr/assurance/2013/04/05/05005-20130405ARTFIG00317-chiens-les-maladies-selon-la-race-de-l-animal.php b) la diversité spécifique correspond à la diversité des espèces, c’est-à-dire à la variété des espèces qui existent par exemple dans un milieu donné ; https://annesof.wordpress.com/culture-scientifique/ HPT UAA6 CC 150918 final 1 c) la diversité écosystémique qui correspond à la diversité des écosystèmes et des biomes présents sur Terre. http://www.astrosurf.com/luxorion/terre-biodiversite.htm http://www.aires-marines.fr/Partager/Relations-internationales/Convention-sur-ladiversite-biologique Biodiversité…État des lieux Voici un tableau qui fait un état des lieux très succinct sur le nombre actuel d’espèces. Groupes Espèces connues Estimation des espèces existantes % d’espèces inconnues Virus 4 000 400 000 99% Bactéries 4 000 1 000 000 99% Algues 40 000 400 000 90% Plantes 270 000 320 000 15% Protozoaires 40 000 200 000 80% Mollusques 100 000 200 000 50% Insectes 950 000 8 000 000 88% Poissons 23 250 25 000 8% Amphibiens 5 000 6 000 17% Reptiles 7 400 8 000 8% Oiseaux 9 900 10 000 1% Mammifères 4 600 5 000 8% (source du tableau :UNEP, Global Biodiversity, Assessment, 1995) Plus de 10 000 nouvelles espèces sont découvertes chaque année (dont plus de 1 500 espèces marines). Mais, il faut savoir que 10 à plus de 100 espèces disparaissent aussi chaque année. La durée de vie d’une espèce varie entre 10 000 ans et quelques millions d’années. Depuis l’apparition des premières traces d’êtres vivants à la surface de la Terre, il y a plus de 3 milliards d’années, 99% des espèces ont disparu. HPT UAA6 CC 150918 final 2 Quelques espèces récemment découvertes … http://www.maxisciences.com/r http://www.zoopraha.cz/aktualne/pohledemreditele/9102-za-tajemnym-kha-nyou http://www.worldwildlife.org/species/saol a Laonastes aenigmamus (Kha-nyou) Pseudoryx nghetinhensis (Saola) Megachasma pelagios (requin grande gueule) Découvert en 1992 au Vietnam Découvert en 1976 à Hawaï Découvert en 1996 au Laos equin/requin-grande-gueulemegachasma-pelagios-uneespece-rarissime-decouverteen-1976_pic1018.html Quelques espèces récemment disparues … https://fr.wikipedia.org/wiki/Incilius_periglenes Incilius periglenes (crapaud doré) Espèce considérée comme éteinte depuis 2001 http://planete.gaia.free.fr/animal/mamari ns/dauphin.chine.html https://fr.wikipedia.org/wiki/Tigre _de_Java Lipotes vexillifer (dauphin de Chine) Panthera tigris sondaica (Tigre de Java) Espèce considérée éteinte depuis 2006 comme Espèce comme 1980 considérée éteinte depuis Biodiversité et évolution L’évolution de la vie est à l’origine de la biodiversité (voir le point suivant). C’est principalement Darwin qui a donné une première explication de l’évolution des êtres vivants (en 1859 lors de la publication de son ouvrage « De l’origine des espèces »). Les espèces y sont décrites comme se transformant au cours du temps. Depuis cette époque, de nombreuses nouvelles connaissances scientifiques ont conforté et complété la théorie de l’évolution de Darwin (génétique, géologie, biologie moléculaire,…). Les espèces actuelles dérivent d’espèces ancestrales différentes. La biodiversité actuelle résulte donc de la disparition de certaines espèces (lors de périodes d’extinction) et de la naissance de nouvelles espèces (spéciation). En effet : - d’une part, un brusque changement de l’environnement, un cataclysme naturel, une grave épidémie, le manque de ressources… peuvent causer la disparition d’une espèce dans un milieu HPT UAA6 CC 150918 final 3 donné ou même son extinction à l’échelle de la planète. Les espèces qui disparaissent laissent un vide, une niche écologique que d’autres espèces s’empresseront sans doute d’occuper ; - d’autre part, le phénomène complexe de « spéciation » conduit à la naissance de nouvelles espèces, suite par exemple à un isolement géographique de quelques individus (une population) appartenant à une espèce initiale qui se transforment suite aux mécanismes des mutations et de la sélection naturelle. Cependant, si la disparition des espèces est un phénomène naturel normal, le rythme avec lequel les espèces disparaissent aujourd’hui est 100 à 1000 fois plus élevé que le rythme « naturel ». La cause principale de cette accélération de la disparition des espèces semble bien liée aux activités humaines et aux changements globaux que celles-ci entrainent. On retiendra principalement la surexploitation des ressources naturelles, la fragmentation des habitats, la pollution, les invasions biologiques et les changements climatiques. 1 Biodiversité et recherche de liens de parenté entre êtres vivants Les êtres vivants font preuve d’une grande diversité aussi bien en ce qui concerne leur apparence que leur mode de vie. L’observation et la comparaison de certains caractères sont essentielles pour pouvoir établir une relation de parenté entre individus appartenant à des espèces différentes. Darwin a particulièrement étudié la forme des becs des espèces de pinsons peuplant les îles de l’archipel des Galápagos. En effet, l’idée que les espèces actuelles de ces pinsons soient différentes de l’espèce ancestrale venue du continent voisin conduit Darwin à abandonner la thèse « fixiste » de l’époque (thèse à laquelle il adhérait avant de débuter son voyage de 5 ans à bord du Beagle) pour envisager une théorie proposant l’évolution des espèces au cours du temps. http://www.futurasciences.com/magazines/sante/infos/dossiers/d/biologie -darwinisme-theorie-bien-vivante-767/page/5/ S’en est suivi la naissance d’une nouvelle discipline, la phylogénie, qui étudie les filiations entre des organismes appartenant à des espèces différentes basée sur la recherche des liens de parenté entre les êtres vivants. Ces liens de parenté s’établissent à partir de différents types de comparaisons : anatomiques, morphologiques, paléontologiques, cellulaires, embryologiques, génétiques… a) Comparaison morphologique La morphologie est l'étude de la forme et de l'aspect visuel de la structure externe d'un animal, d'une plante ou d'un organe. En comparant la morphologie d’un groupe d’espèces, on peut remarquer des ressemblances qui s’expliquent par l’héritage d’une population ancestrale commune. Par exemple, de nombreux vertébrés possèdent cinq doigts à l’extrémité de leurs membres antérieurs et cinq orteils à l’extrémité de leurs membres postérieurs. Ci-après quelques exemples de membres antérieurs. 1 2 4 3 Main de l’Homme Main du chimpanzé Patte antérieure d’un gecko Patte antérieure de la taupe Voir le site consacré à l’évaluation des écosystèmes pour le millénaire: http://www.millenniumassessment.org/fr/About.html. Voir également le dossier « Quelles espèces faut-il sauver ? », Science et Vie Junior n°312, septembre 2015. 1 HPT UAA6 CC 150918 final 4 b) Comparaison anatomique Contrairement à la morphologie, l'anatomie s'intéresse à la structure interne d'un animal, d'une plante ou d'un organe. Tout comme les comparaisons morphologiques, les comparaisons anatomiques montrent des ressemblances entre des espèces différentes. Les éléments qui composent les vertébrés sont disposés dans chaque cas d’une certaine manière les uns par rapport aux autres. Par exemple, chez la souris, la colonne vertébrale se situe dans un plan de symétrie et porte la tête qui indique l’avant de l’animal. L’ensemble de ces caractéristiques constitue le plan d’organisation de l’individu. Certains êtres vivants partagent ainsi le même plan d’organisation. C’est le cas par exemple des vertébrés (souris, grenouille, truite…) ; Ces caractéristiques anatomiques communes (qui sont donc des faits scientifiques) permettent de mettre en évidence l’existence d’un lien de parenté entre ces différents vertébrés. En effet, elles ne peuvent s’expliquer qu’à la lumière de l’évolution : une nouvelle structure anatomique apparue chez les individus d’une espèce ancestrale est transmise aux individus d’espèces plus récentes qui ont évolué à partir de cette espèce ancestrale. Illustration du « Petit Larousse » de 1922 : http://soutien67.free.fr/svt/animaux/zoo/vertebres/ vertebre.htm c) Comparaison paléontologique L’histoire des êtres vivants est aussi étudiée par la paléontologie, au travers des fossiles (et donc des animaux et des végétaux du passé). Un fossile est le reste (coquille, os, dent, graine, feuilles...) ou le simple moulage d'un animal ou d'un végétal conservé dans une roche sédimentaire. La paléontologie nous montre que le monde vivant s’est constamment transformé depuis que la vie existe sur Terre : des animaux et des végétaux ont disparu, d’autres sont apparus. Par exemple, l’étude des fossiles nous montre que seuls les êtres vivants aquatiques étaient présents sur Terre au cours des 3 premiers milliards d’années. Un autre exemple est celui de l’évolution des équidés qui a été étudiée dans les terrains datant du tertiaire en Amérique du Nord. Le cheval actuel apparait comme un animal très spécialisé : sa denture est celle d’un herbivore « brouteur d’herbe » et ses membres sont adaptés à la course. On considère souvent « l’Eohippus » (qui vivait au début de l’ère tertiaire et dont la taille est celle d’un chat) comme l’ancêtre le plus éloigné du cheval actuel. Si l’Eohippus présente de grandes différences avec le cheval actuel, on peut cependant lui rattacher « un ensemble d’espèces fossiles » dont les premiers différent peu de l’Eohippus et les plus récents différent peu du cheval actuel. Certaines de ces espèces fossiles sont des mangeurs de feuilles qui ont vécu en même temps que des brouteurs d’herbe, certaines espèces tridactyles ont vécu en même temps que des monodactyles. d) Comparaison cellulaire La comparaison de tous les êtres vivants au niveau microscopique aboutit également à une constatation frappante : ils sont constitués de cellules dont l’organisation interne et le fonctionnement ont des points communs (présence d’une membrane cytoplasmique, présence de cytoplasme, HPT UAA6 CC 150918 final 5 présence d’un noyau ou pas, présence d’organites cellulaires…)2. Ces cellules ont aussi la propriété d’avoir un métabolisme et de pouvoir se diviser. Ces constatations réalisées à partir de l’observation et de faits scientifiques permettent de metrtre en évidence une origine commune à tous les êtres vivants. Cellules d’oignon http://microscopieroger.emonsite.com/pages/cellulesvegetales.html Cellules d’épiderme de grenouille Cellules de levures http://www.acgrenoble.fr/disciplines/svt/file/ancien_site/log/6eme/e nvironnement/chap1/activ-eleves/activ4.htm http://www.futurasciences.com/magazines/sante/infos/ actu/d/biologie-levure-rajeunitchaque-fois-quelle-reproduit-49061/ e) Comparaison embryologique L’illustration ci-contre montre une ressemblance frappante entre les différents embryons des vertébrés lors d’un stade précoce de leur développement. Ces ressemblances permettent de mettre en évidence l’existence d’un lien de parenté entre ces différents vertébrés. http://svtmarcq.over-blog.com/article-phylogenese-evolution-et-parente-desespeces-i-term-s-58339680.html f) Conclusion Remonter le passé et retrouver des ancêtres communs à plusieurs espèces est devenu possible grâce à l’accumulation des découvertes de fossiles, grâce à des données morphologiques, anatomiques ou embryologiques mais aussi grâce au séquençage des génomes. Des liens de parentés peuvent aussi être établis à partir de données moléculaires (étude comparée des protéines ou de l’ADN). Remarque : Apprendre à distinguer une théorie scientifique et une croyance La science est faite de connaissances objectives reconnues par le monde scientifique. Le scientifique expérimente, observe la nature, analyse des faits. Dans la plupart des cas, Il pratique des expériences reproductibles par ses collègues. Les résultats obtenus ont donc une dimension collective et sont reconnus par l’ensemble de la communauté scientifique. Les théories s’élaborent suivant des processus complexes, qui ont une histoire et une dimension collective. La science tente de donner une explication rationnelle du monde réel. Un scientifique, s’il croit dans sa théorie, doit continuellement rester sceptique par rapport à celle-ci et doit rester prêt à la modifier ou même la réfuter si des nouveaux faits viennent contredire un modèle jusque-là reconnu. 2 Voir l’UAA3. Tout être vivant est composé d’unités de base appelées cellules ayant des fonctions spécifiques. HPT UAA6 CC 150918 final 6 La religion repose, quant à elle, sur des convictions et sur des doctrines auxquelles chacun est libre d’adhérer ou pas. Elle a donc une dimension individuelle. En outre, une doctrine ne se vérifie pas expérimentalement. On est cette fois dans le registre des valeurs et chacun peut défendre des valeurs qui lui sont personnelles. En ce qui concerne l’évolution des êtres vivants, le processus est loin d’être reproductible. Nous savons tous que la moindre modification de l’environnement à une époque du passé ou à une autre peut avoir des conséquences sur le déroulement de l’évolution. Nous ne possédons pas de machine à remonter le temps et on est donc incapable de rembobiner le film de l’évolution des êtres vivants à la surface de la Terre. Les scientifiques sont amenés, à partir des similitudes remarquables observées entre les êtres vivants (actuels ou fossiles), à construire des relations de parenté les plus cohérentes possibles entre ces vivants. Ils établissent ainsi une série d’arguments qui prouvent l’évolution des espèces. Classification des êtres vivants Introduction La classification du vivant a débuté il y a plus de 2000 ans avec le philosophe grec Aristote, qui répartissait les êtres vivants en deux catégories : les plantes et les animaux. Les grecs et les romains ont élargi ce système simple en groupant les animaux et les plantes en « unités de base » comme les chats, les chevaux, les écureuils, les chênes… La taxonomie (ou taxinomie) est la science qui s’occupe de la classification des êtres vivants : décrire les organismes vivants, les regrouper en entités appelées taxons afin de les identifier, les nommer et enfin les classer, et les reconnaitre via des clés de détermination dichotomiques. Elle complète la systématique qui est la science qui organise le classement des taxons et leurs relations. Très rapidement, est apparue la nécessité de nommer les êtres vivants selon des règles précises. A partir du Moyen Âge, des noms latins ont été utilisés, parce que le latin était la langue de l’enseignement. Les chats ont donc été classés en genre « Félis », les chevaux en genre « Equus », les écureuils en genre « Sciurus » et les chênes en genre « Quercus ». Ensuite, quand un biologiste voulait parler d’une espèce particulière appartenant à un genre donné (par exemple le genre Sciurus), il ajoutait un terme descriptif au nom du genre. Il définissait ainsi « une espèce » et utilisait une nomenclature particulière : la nomenclature binomiale (par exemple l’espèce : Sciurus vulgaris). C’est un naturaliste suédois, Karl von Linné (1707-1778), qui en 1750 est à l’origine de la nomenclature binomiale. Règle utilisée : Le premier terme est le nom du genre auquel appartient l’organisme. Ce terme porte toujours une majuscule. Le second terme est le nom de l’espèce particulière et ne porte pas de majuscule. Ensemble, ces deux termes sont imprimés en italique. Il existe aussi une autre façon de nommer les êtres vivants : la nomenclature vernaculaire. Il s’agit du nom courant des animaux (par exemple : chouette, souris, écureuil roux …). Ces noms sont propres à chaque langue et sont apparus au cours des siècles sans se soucier de la science ! Par exemple, la chauve-souris s'appelle comme cela car elle ressemble un peu à la souris. Pourtant, elle n'appartient absolument pas à la même espèce ! Exemple : Nomenclature binomiale : Sciurus vulgaris Nomenclature vernaculaire : Ecureuil roux http://protectiondesoiseaux.be/ecureuil-roux-sciurusvulgaris/ HPT UAA6 CC 150918 final 7 Suite à une convention entre taxonomistes du monde entier, deux espèces distinctes ne peuvent porter le même nom. Après Linné, les taxonomistes ont commencé à grouper les organismes en catégories plus vastes. Les genres possédant des caractéristiques semblables ont été groupés dans un ensemble appelé famille, les familles qui se ressemblent ont été groupées dans le même ordre. Les ordres semblables ont été réunis en classes, les classes semblables dans un même embranchement. Les embranchements ont été répartis dans des grands groupes les règnes et les règnes sont regroupés aujourd’hui en domaines. Exemple : classification classique (ou classification taxinomiste) du « Tigre » Domaine : eucaryote Règne : animal Embranchement : vertébré Classe : mammifère Ordre : carnivore Famille : félin Genre : Panthera Espèce : Panthera tigris http://www.canstockphoto.fr/bengale-tigre-23055653.html Actuellement, les biologistes reconnaissent six règnes vivants (les Archéobactéries, les Eubactéries, les Protistes, les Champignons, les Plantes et les Animaux.) Les biologistes reconnaissent aussi trois domaines (les Archéobactéries, les Eubactéries et les Eucaryotes). Brève approche historique de la classification des êtres vivants a) L’échelle des êtres dans l’antiquité et au Moyen Âge (Scala Naturae par Didacus Valades, Rhetorica Christiana (1579)) C'est une conception de la structure du monde largement acceptée par la plupart des savants européens depuis l’Antiquité (Lucrèce) jusqu'à la renaissance et les révolutions scientifiques de Copernic et de Darwin. La scala naturæ, signifiant littéralement l'échelle des êtres mais souvent traduite par "chaîne des êtres" ou "grande chaîne de la vie", est datée de l'époque médiévale. Elle donne une illustration de l'ordre de l'univers, dont la principale caractéristique est la stricte hiérarchie entre les niveaux. On trouve en bas de l’échelle les quatre éléments (eau, air, terre et feu), puis les minéraux, suivis des végétaux. Les animaux sont rangés selon leur plus ou moins grande ressemblance avec l’Homme (vers, poissons, amphibiens et reptiles, oiseaux et mammifères). L’Homme se trouve bien évidemment au plus haut de l’échelle des êtres matériels. Au Moyen Âge, on y ajoute vers le sommet les anges et Dieu https://en.wikipedia.org/wiki/Great_chain_of_being HPT UAA6 CC 150918 final 8 b) L’échelle des êtres de Leibniz (1646-1716) Voici une autre représentation de l’échelle des êtres naturels, très populaire au 17e siècle. Leibniz place l’Homme au sommet de l’échelle. Les autres organismes se disposent le long de l’échelle et sont classés en comparaison avec les caractéristiques physiques qu’ils ont en commun avec les êtres situés en dessous et par les caractères qu’ils ne possèdent pas par rapport aux êtres vivants situés au-dessus d’eux. Il s’agit là d’une vision exclusivement anthropocentriste. http://acces.ens-lyon.fr/acces/formation/formations/formateurs/colloqueenseigner-levolution/apres-colloque-1/imagesateliers/echelle%20etres.JPG/view?searchterm=None c) La classification naturelle de Linné (1707-1778) ou la classification linnéenne Au 18e siècle, sciences et théologie sont fortement liés. La classification du vivant est une science divine qui doit refléter un ordre divin : « Les espèces ont été créées par Dieu et elles n’évoluent pas ». La majorité des scientifiques de l’époque ont une vision fixiste du monde. Pour eux, les espèces sont immuables. De plus, l’Homme est la créature « la plus parfaite » qui existe sur Terre. Il doit donc se trouver au sommet de l’échelle et tous les autres êtres vivants seront classés en comparaison avec l’Homme. On obtient ainsi une échelle représentant une perfection croissante des êtres vivants. Linné est fortement inspiré par cette vision du monde. Il crée alors un système descriptif universel pour classer, identifier et nommer les êtres vivants : la nomenclature binomiale (genre et espèce) (voir ci-avant, page 7). Cette nomenclature est toujours utilisée aujourd’hui. d) L’arbre de Haeckel, inspiré des travaux de Lamarck et de Darwin (théorie de l’évolution) Dans la seconde moitié du 18e siècle, une nouvelle vision du monde apparait peu à peu, suite aux travaux de Lamarck : « la nature pourrait avoir modifié les espèces tout comme le font les agriculteurs et les éleveurs », avec comme conséquence que les espèces ne peuvent plus être considérées comme immuables. Pour donner une explication sur la transformation des espèces au cours du temps, Charles Darwin propose en 1859 une théorie (la théorie de l’évolution) qu’il publie dans son ouvrage intitulé « De l’origine des espèces ». En corollaire, Darwin poursuivit alors un second objectif : réaliser une classification du vivant qui reflète le plus fidèlement possible la longue histoire de la vie. Cette nouvelle manière de classer les êtres vivants sera appelée « phylogénie », à la fin du 19e siècle, par un biologiste et philosophe allemand : Haeckel. Haeckel a contribué à faire connaitre la théorie de l’évolution de Darwin, notamment lors de la publication d’un « arbre représentant des liens de parenté entre les êtres vivants », en 1879. L’Homme y occupe bien évidemment la cime !!! http://acces.ens-lyon.fr/evolution/logiciels/phylogene/archives-non-utilisees/lechelle-des-etres-dhaeckel HPT UAA6 CC 150918 final 9 e) La classification phylogénétique L’échelle des êtres (Aristote, Leibniz, Linné, Haeckel,…) est solidement ancrée dans notre culture judéo-chrétienne et dans nos esprits. Cette représentation conduit très souvent aux trois idées suivantes : a) l’anthropocentrisme, l’Homme est l’être vivant le plus évolué ; b) le finalisme, l’évolution a pour but l’émergence de l’Homme ; c) le sentiment que certaines espèces sont plus évoluées et d’autres plus primitives (alors que toutes les espèces contemporaines ont subi le même temps évolutif). La classification classique utilisée aujourd’hui a pour origine la classification binomiale créée par Linné. Inévitablement, elle est encore fortement imprégnée par cette conception anthropocentriste. Le principe de base de la classification classique est toujours de classer les êtres vivants en les comparant avec l’Homme. Seront donc réunis dans un même groupe, les êtres vivants qui ne possèdent pas un attribut présent chez l’Homme (par exemple, les invertébrés ne possèdent pas de vertèbres, les agnathes ne possèdent pas de mâchoire, les procaryotes ont des cellules sans noyau…). La création de groupes (de taxons) à partir de l’absence d’un caractère est un procédé qui aujourd’hui est scientifiquement dépassé. Cela ne semble pas très objectif et judicieux de regrouper un ensemble d’êtres vivants dans un groupe, en fonction de ce qu’ils ne possèdent pas… À la fin des années 1960, Willi Hennig, un biologiste allemand pose les fondements de la classification phylogénétique en utilisant la biologie comparée et en faisant l’hypothèse que les espèces portent en elles l’héritage de leur passé. L’apparentement entre espèces ne peut être trouvé que grâce aux caractères que les espèces partagent. On va donc regrouper des êtres vivants en fonction de caractères (anatomiques, embryologiques, moléculaires…) qu’ils ont en commun (appelés également attributs communs). Principes de la classification phylogénétique a) Décrire et faire l’inventaire des êtres vivants. b) Classer les êtres vivants en fonction de leurs ressemblances et de leurs caractères communs, afin de mettre en évidence des liens de parenté entre eux. Comment ? À partir des caractéristiques biologiques communes (appelées attributs) présentes chez différents vivants, on établit des liens de parentés entre ces derniers afin de donner une image la plus fidèle possible de l’évolution biologique. Cette façon de travailler nécessite de la part des biologistes de faire le pari suivant : « Un caractère trouvé à l’identique chez plusieurs espèces actuelles a été légué par un ancêtre commun. » La classification phylogénétique raconte « Qui partage quoi avec qui ? » et jointe à la théorie de l’évolution « Qui est plus proche de qui ? ». HPT UAA6 CC 150918 final 10 Exemple : Arbre phylogénétique des vertébrés Source : http://www.intellego.fr/soutien-scolaire-terminale-s/aide-scolaire-svt/corrige-bac-s-2009-svt--sujet-et-corrigedetaille--question-i-restitution-de-connaissances/35036 Remarque importante : Contrairement aux classifications antérieures, la classification phylogénétique n’est pas une classification « figée ». Elle se modifie au fur et à mesure des nouvelles découvertes scientifiques. Ce qui est important d’enseigner ce n’est pas le résultat final de cette classification, mais les principes qui permettent de la réaliser. HPT UAA6 CC 150918 final 11 Ecosystème, biotope, biocénose Un écosystème est constitué par toutes les espèces animales et végétales qui habitent un même milieu, mais aussi par les relations que ces espèces établissent entre elles et avec le milieu. Les écosystèmes peuvent être très petits ou très grands : la mare dans la cour d’école est un écosystème, de même que la totalité de l’océan Atlantique. L’ensemble de tous les écosystèmes forme la biosphère (voir l’UAA11. Activités humaines et modifications environnementales). Dans un milieu donné, on distingue les facteurs abiotiques et les facteurs biotiques. Les facteurs abiotiques sont des facteurs indépendants des êtres vivants. Ils comprennent les facteurs climatiques (température, humidité, éclairement…), les caractéristiques du sol (facteurs édaphiques), la composition chimique de l’eau Les facteurs biotiques sont des facteurs liés aux relations (prédation, compétition, parasitisme…) que les êtres vivants exercent entre eux. Les êtres vivants animaux et végétaux qui peuplent un milieu dépendent les uns des autres, mais aussi des facteurs du milieu. L’ensemble de ces organismes, en équilibre entre eux et avec leur milieu commun, forme une biocénose. Si l’une des conditions du milieu est modifiée, la biocénose est transformée. L’habitat de la biocénose, avec ses différents éléments, aussi bien abiotiques que biotiques, est appelé le biotope. Prenons l’exemple de la grenouille verte (voir l’illustration cicontre3). Ses relations avec son environnement sont multiples. La grenouille se nourrit d’insectes, de vers et d’autres petits animaux. Elle sert à son tour de nourriture à la cigogne, à la couleuvre à collier ou au brochet. Ces interactions alimentaires constituent un réseau alimentaire, encore appelé réseau trophique (voir le point suivant). La grenouille verte est par ailleurs dépendante de ses congénères. Ceux-ci peuvent être par exemple des concurrents pour la nourriture ou des partenaires sexuels. L’ensemble de ces relations (avec ses congénères et avec les autres espèces) forment les facteurs biotiques. De plus, un milieu géographiquement déterminé ne pourra accueillir des grenouilles que s’il remplit certaines conditions concernant le climat, la nature du sol, la qualité de l’eau ou encore la taille même du milieu. Ces facteurs abiotiques déterminent les propriétés spécifiques du milieu de vie de la grenouille et caractérisent son biotope. Les composants abiotiques d’un étang ou d’une rive ne caractérisent pas seulement le biotope de la grenouille, mais aussi celui de tous les organismes vivant dans ce milieu. L’ensemble de ces organismes forme une communauté vivant dans un même biotope, appelée biocénose. Par conséquent, une biocénose et un biotope en fonctionnement forment un écosystème : Ecosystème = Biotope + Biocénose Un écosystème (ou milieu) est caractérisé par les points suivants : - Chaque écosystème a un peuplement spécifique : un milieu donné offre aux êtres vivants qui l’habitent des conditions de vie particulières et chaque espèce présente une organisation en rapport avec ces facteurs du milieu. Par exemple, les plantes d’un sous-bois sont soumises à des conditions particulières d’éclairement ; celui-ci peut, en région tempérée, descendre à 2 % de l’éclairement reçu en terrain découvert ; il peut atteindre 0,1 % sous les frondaisons d’une forêt tropicale. Les espèces qui vivent là sont donc capables de s’accommoder d’une luminosité très réduite. - Les écosystèmes présentent une organisation dans l’espace : prenons l’exemple du milieu forestier qui présente une stratification verticale marquée. Elle est caractérisée par plusieurs couches horizontales, appelées strate, donc cinq sont plus ou moins distinctes suivant la taille des végétaux : o strate arborescente comprenant des arbres de plus de 10 mètres (chêne, hêtre…) ; 3 Illustration tirée de Miram W. et Scharf K.-H., Biologie, des molécules aux écosystèmes, Ed. LEP Loisirs et Pédagogie, Lausanne, 1998, p.114. HPT UAA6 CC 150918 final 12 o strate arbustive pour les végétaux de 1 à 10 mètres (jeunes arbres, houx…) ; o strate herbacée pour les plantes atteignant au maximum 1 mètre (fougère, graminées…) ; o strate muscinale pour les mousses, lichens ou champignons ; o strate hypogée ou souterraine pour les racines et autres parties souterraines (bulbe, tubercules…). Ci-dessous, un schéma représentant les quatre premières strates (Source : http://python.espe-bretagne.fr/blog-tice-56/2013/g2foret/co/module_Foret_2.html, page visitée le 07/09/2015) - Les écosystèmes présentent une organisation fonctionnelle : dans tout peuplement, il existe des interactions entre individus ou entre espèces. Les relations des organismes entre eux ou avec leur environnement sont nombreuses et variées. Citons entre autres les soins prodigués aux jeunes par les parents, la pollinisation des fleurs assurée par des insectes, la compétition entre végétaux vis-à-vis de la lumière, les phénomènes de vie sociale… sans oublier les relations trophiques fondées sur les rapports alimentaires. En conclusion, étudier un écosystème, revient à préciser : - ses éléments constitutifs (faune, flore, facteurs physico-chimiques) ; sa structure, c’est-à-dire la distribution spatiale de ses divers éléments ; sa taille et donc ses limites ; son fonctionnement, et en particulier les multiples interactions entre ses éléments. Les relations entre les êtres vivants a) La compétition Les ressources d’un écosystème étant limitées, des animaux qui consomment les mêmes aliments et qui vivent dans un même milieu, en forêt par exemple, entrent en compétition pour la recherche de leur nourriture. Cette compétition dépend de la répartition de l’espace vital entre les différentes espèces qui est fonction : - d’un partage de la forêt en territoires pour chaque animal d’une même espèce ; ainsi un rougegorge ne peut supporter qu’un autre rouge-gorge empiète sur son territoire ; - d’une exploitation de tous les niveaux et de toutes les zones du milieu concerné ; - d’une répartition différente des moments d’activité : certains animaux recherchent leur nourriture pendant le jour, d’autres pendant la nuit. Cependant, chaque plante et chaque animal ne doit son salut qu’à sa capacité incessante à puiser dans le milieu de quoi survivre, au détriment de ceux qui ont aussi besoin de ces ressources, tout en HPT UAA6 CC 150918 final 13 échappant à ceux pour qui il est la ressource vitale. Le quotidien de tout organisme est donc « manger et ne pas être mangé ». b) La prédation Dans n’importe quel écosystème, tout être vivant est la proie d’un autre qui cherche à le manger. Seuls les prédateurs au sommet des chaines trophiques (voir plus loin) échappent à cette règle. Cependant, leurs petits sont souvent la proie d’autres prédateurs. Ainsi, la majorité des jeunes guépards se fait tuer par les lions. On parle également de prédation pour la consommation de plantes par les herbivores ou de graines par les granivores. Les proies dépendent autant des prédateurs que les prédateurs des proies. Sans une source de nourriture, les prédateurs ne survivraient pas. Mais, à l’inverse, sans une régulation par les prédateurs, les proies risqueraient de pulluler, ce qui les conduirait soit à l’épuisement de leurs propres ressources (souvent la végétation), soit au déclenchement d’épidémies. A noter qu’un aspect intéressant des relations proie-prédateur concerne les adaptations des proies pour échapper à leurs prédateurs. La sélection naturelle a favorisé une très large gamme de stratégies pour éviter d’être mangé. c) La symbiose Des organismes différents peuvent avoir des relations étroites entre eux : ils sont en symbiose. Il existe plusieurs types de symbiose : - le mutualisme est une relation qui est bénéfique pour les deux espèces ; - le parasitisme est une relation dans laquelle une espèce vit au détriment d’une autre ; - le commensalisme est une relation où une espèce trouve un avantage dans la relation, sans porter préjudice à l’autre. Cas du parasitisme Les parasites sont des animaux (ce sont presque uniquement des invertébrés) ou des végétaux (surtout de champignons microscopiques) qui vivent sur un organisme animal (homme ou autre animal) ou sur un végétal et se nourrissent à ses dépens. Celui qui héberge le parasite fournit à la fois la nourriture et le milieu de vie. C’est l’hôte du parasite. Il ne tire aucun bénéfice de l’association entre les deux êtres vivants. Contrairement à la prédation, le parasite est en général beaucoup plus petit que son hôte. Il se reproduit plus rapidement et en plus grand nombre. La présence d’un parasite provoque chez l’hôte des troubles plus ou moins importants. Le parasite peut prélever seulement des aliments, sans autre conséquence pour l’hôte ; il peut entrainer une maladie plus ou moins grave, parfois mortelle ; il peut aussi, par sa présence, favoriser l’installation d’autres parasites. Les parasites se nourrissant aux dépens de leurs hôtes, on peut les considérer comme des prédateurs ; mais une différence distingue prédation et parasitisme : dans le cas de la prédation, la proie (animale) meurt lors de la capture alors que dans le cas du parasitisme, s’il y a mort de l’hôte, c’est généralement après une longue exploitation. Certains parasites (les poux, les pucerons…) vivent à l’extérieur de leur hôte mais la plupart d’entre eux vivent à l’intérieur (champignons installés dans les feuilles des végétaux, parasites du sang…). Les parasites sont présents partout, ont un rôle considérable dans les chaines trophiques et donc les écosystèmes. Les parasites contribuent à une forte mortalité dans les populations animales. Ils peuvent changer les rapports de force entre deux espèces. Ils peuvent par exemple réduire la dominance des prédateurs se situant au sommet d’une chaine trophique, permettant ainsi la coexistence d’espèces qui ne pourraient cohabiter sans eux. La plupart des parasites semblent jouer un rôle important dans la sélection naturelle et l'évolution. On parle même de coévolution, car la sélection naturelle favorise l'apparition constante de moyens de défense chez les hôtes ; le parasite évolue pour continuer à pouvoir rencontrer son hôte et survivre sur ou dans l'hôte. Dans le même temps, l'hôte évolue pour ne pas rencontrer le parasite, s'en débarrasser ou s'en défendre (y compris via le système immunitaire chez l'animal, ou la production de toxines chez la plante). HPT UAA6 CC 150918 final 14 Cas de mutualisme La symbiose peut être, selon les cas, une association entre deux végétaux, entre deux animaux ou entre un animal et un végétal. Cette association durable entre deux partenaires d’espèces différentes ne se fait aux dépens d’aucun des deux ; chacun des associés en tire un profit non négligeable. Tout un groupe de plantes, les lichens, est le résultat d’une symbiose entre une algue et un champignon. Un très grand nombre d’arbres de nos forêts et de nombreuses plantes (graminées et autres plantes herbacées) ont une croissance nettement améliorée par la symbiose avec des champignons (mycorhizes). La nutrition des ruminants, qui se réalise à partir d’herbe, n’est efficace que grâce à la symbiose avec des micro-organismes. Par ailleurs, l’intestin de la plupart des animaux, celui de l’Homme compris, abrite des microorganismes qui jouent un rôle non négligeable dans la digestion (flore intestinale, appelée encore microbiote intestinal). L’association de certaines plantes (trèfle, luzerne, pois…) avec des bactéries, fixatrices d’azote libre et présentes dans des nodosités de leurs racines, leur permet de pousser sur des sols pauvres en azote4. Dans le monde animal, l’association entre une anémone de mer et le bernard l’ermite est un exemple typique de mutualisme. L’anémone fixée sur la coquille habitée par le bernard l’ermite est véhiculée dans des endroits divers, ce qui lui permet de trouver plus facilement sa nourriture, tandis que le crustacé bénéfice d’une protection grâce aux tentacules urticants de l’anémone qui éloignent les prédateurs. Cas de commensalisme Chez les animaux, on peut trouver les insectes qui peuplent les terriers des mammifères. Ces insectes recherchent, dans les gîtes, un microclimat particulier et une source de nourriture qui peut provenir des restes des repas de l’hôte ou de ses excréments. Par exemple, les terriers des marmottes dans les Alpes peuvent contenir une centaine d’espèces différentes de coléoptères. On peut aussi citer le cas d’un crabe minuscule (Pinnotheres pisum) qui vit à l’intérieur des moules. Installé sous le manteau du mollusque, près des branchies, il se nourrit des matières nutritives qui filtrent au travers des lamelles branchiales. Chez les végétaux, on peut trouver les mousses et les lichens qui vivent sur les troncs ou les branches d’un arbre sans parasiter ce dernier. Les réseaux trophiques Quelle que soit la relation trophique, manger et être mangé est l’une des lois de la nature. La succession des êtres vivants liés entre eux par des besoins nutritifs constitue la chaine alimentaire. La chaine alimentaire est constituée de plusieurs maillons : chaque organisme constitue un maillon de la chaine (appelé également niveau trophique) et schématiquement, on relie deux maillons successifs par une flèche (qui signifie « être mangé par ») qui traduit le transfert de matière organique et donc d’énergie. Dans un écosystème, on trouve un ensemble de chaines alimentaires qui partagent certains maillons. Cet enchevêtrement de chaines alimentaires constitue le réseau trophique de l’écosystème. C’est à partir de ce réseau que l’équilibre de l’écosystème s’établit. A la page suivante, un exemple de réseau trophique d’un terrain arboré. Les maillons successifs des chaines alimentaires, et donc du réseau trophique, sont : 1. Les végétaux sont à la base de tout réseau trophique. Ces végétaux fabriquent leur propre nourriture ; on les appelle les producteurs. 2. Les herbivores (ou consommateurs primaires) sont des animaux qui se nourrissent de végétaux. La chenille, le lapin, le chevreuil sont des herbivores. Les herbivores représentent le deuxième maillon de la chaîne alimentaire. 3. Les carnivores ou consommateurs secondaires sont des animaux, souvent des mammifères, qui se nourrissent des herbivores. Les carnivores mangent de la viande. On les appelle aussi prédateurs car ils chassent ce qu’ils mangent. L’herbivore qui est chassé devient alors la proie. Les carnivores primaires représentent le troisième maillon de la chaîne. Des chercheurs tentent de réaliser des symbioses qui n’existent pas à l’état naturel, par exemple entre plantes alimentaires (blé, maïs, riz…) et des bactéries fixatrices d’azote afin d’augmenter le rendement des cultures de ces plantes. 4 HPT UAA6 CC 150918 final 15 4. Les carnivores secondaires sont des prédateurs qui se nourrissent des carnivores primaires et aussi parfois des herbivores. Les carnivores secondaires ont très peu de prédateurs sauf l’homme. Les carnivores secondaires représentent le quatrième maillon de la chaîne alimentaire. 5. Les décomposeurs représentent le dernier maillon de la chaîne alimentaire. Les décomposeurs sont de petits organismes tels que les cloportes, les vers de terre, les bactéries et les champignons qui se nourrissent de plantes mortes, des cadavres d’animaux mais aussi d’excréments d’animaux. Ces organismes, que l’on peut appeler recycleurs, fabriquent de l’humus qui est tout simplement la nourriture pour les végétaux. Et les végétaux absorbent cet humus par les racines. Et c’est ainsi que la chaîne alimentaire (et par conséquent le réseau trophique) poursuit son cycle sans fin. Mais dès qu’un maillon de la chaîne alimentaire est manquant, l’équilibre de l’écosystème est menacé. On peut citer comme exemple les superprédateurs qui sont souvent trop chassés par les hommes. Dans nos forêts tempérées, la disparition du loup a entraîné une dangereuse prolifération des sangliers et des cerfs mangeurs de jeunes pousses. Exemples de chaines alimentaires : - Les feuilles dévorées par la chenille qui sera elle-même dévorée par la mésange qui sera ensuite dévorée par l’épervier. Les feuilles, la chenille, la mésange et l’épervier forment une chaîne alimentaire à 4 maillons et 5 maillons si l’épervier est mangé par un faucon pèlerin. - Le gland est mangé par l’écureuil qui sera mangé à son tour par un renard. Le gland, l’écureuil et le renard forment une chaîne à 3 maillons. - La baie est mangée par le mulot qui sera dévoré par une chouette. La baie, le mulot et la chouette forment une chaîne à 3 maillons et 4 si la chouette est dévorée par un grand-duc. (Source : http://alloprof.biz/ImagesDesFiches/bv3/s1195i2.gif, page consultée le 07/09/2015) HPT UAA6 CC 150918 final 16 Bibliographie - CAIN, M.L., DAMMAN, H., Lue R.A., YOON, C.K., Découvrir la biologie, Ed. 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Bordas, 2002 - Extrait de la Table Ronde (Congrès des Sciences - 22 août 2013), « L’enseignant en sciences, dernier rempart face au prosélytisme de certaines théories, est-il suffisamment armé ? », LEMARTINEL, B., de BISEAU, J.-Chr., ORANGE, Chr., LEONARD, Ph., PAPLEUX, P. 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