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ECOLOGIE 1er SEMESTRE MR ROBINENVIRONNEMENT :DE LA PHYSICO-CHIMIEDU VIVANT___Par Emmeline GlessmerINTRODUCTIONEnvironnement : définitions, notion d'écosystème, populations dans l'écosystème :Définition de l'écologie et vocabulaire de baseQu’est ce que l'écologie?La science globale des relations des ...

Description

ECOLOGIE 1er SEMESTRE MR ROBIN

ENVIRONNEMENT : DE LA PHYSICO-CHIMIE DU VIVANT ___

Par Emmeline Glessmer

INTRODUCTION Environnement : définitions, notion d'écosystème, populations dans l'écosystème : Définition de l'écologie et vocabulaire de base Qu’est ce que l'écologie ? La science globale des relations des organismes avec le monde extérieur environnant, dans lequel nous incluons, au sens large, toutes les conditions

2 d’existence (Haeckel, 1866) Page 286 de «Generelle Morphologie der Organismen» (Haeckel, 1866) ● Science de l'habitat (Haeckel, 1866) (du grec OIKOS= maison) étude des êtres vivants dans leur habitat naturel ● De nos jours: définition plus "systémiste" : étude des interactions entre les êtres vivants et leur milieu (y compris les autres êtres vivants) dans des conditions "naturelles". ● L'écologie a d'abord considéré les espèces (et leurs réponses aux facteurs de l'environnement) : autoécologie ● L'écologie des ensembles d'espèces et de leurs interactions est désignée par synécologie ● L'ensemble des interactions formant un "système" l'écologie est aussi la science des écosystèmes(Tansley, 1935)

● De la différence entre la biologie des populations et des écosystèmes et l'écologie politique. «L’écologie est devenue une science majeure dont les acquis devraient être mis en pratique dans une société soucieuse d’assurer un développement durable, fondé sur la conservation de la biodiversité des espèces animales et végétales et un fonctionnement harmonieux de la biosphère» Dajoz(Précis d’écologie; 2000 –7ème édition Dunod) ● L'importance d'agir sur le fonctionnement des sociétés humaines s'est développée vers la fin des années 1960 (écrits de Thoreau, Rachel L. Carson "le printemps silencieux" et du club de Rome : Rapport Meadows, 1972 : critique de la société de consommation et alerte sur l'épuisement des ressources.) Qu’est ce qu'un écosystème ? Un écosystème est un système complexe (faites la différence entre complexe et compliqué) Caractéristiques des systèmes : 1. Les éléments dépendent les uns des autres dans leur fonctionnement et leur évolution. 2. Il en résulte des propriétés émergentes

3 3. En retour, l'ensemble agit sur les parties autres caractéristiques fonctionnelles : boucles de contrôle plus ou moins et organisation hiérarchique

Définitions ❖ Biosphère = partie du globe terrestre où s'est développée la vie ❖ Biocénose = ensemble des organismes vivants dans un écosystème ❖ Biome= appelé aussi macro écosystème, aire biotique, écozone ou encore écorégion, est un ensemble d'écosystèmes caractéristiques d'une aire biogéographique et nommé à partir de la végétation et des espèces animales qui y prédominent et y sont adaptées. ❖ Biotope = milieu de vie des organismes d'un écosystème ❖ Population= ensemble des individus d’une même espèce qui occupent un territoire commun et peuvent se reproduire entre eux (interfécondité) ❖ Peuplement= communauté = ensemble de populations habitant un même milieu (biotope) ; cet ensemble plurispécifique correspond à une structure intermédiaire entre les populations et la biocénose ❖ Ecosystème= biotope + biocénose mais ce n’est pas une addition !

➢ L’écologie s’intéresse à 5 niveaux d’organisation du vivant: 1) organismes, 2) populations et peuplements, 3) biocénoses (écosystèmes), 4) paysages et 5) biosphère. ➢ Développement de l’écologie dans les années 30 et croissance rapide depuis les années 60. Écologie scientifique ≠ écologie politique. Selon Elton (1927), l'écologie est «un nouveau nom pour un sujet très vieux. Cela signifie simplement une histoire naturelle scientifique»

“Science faisant appel à des techniques nouvelles et d’où émergent de nouveaux concepts” Parmi ces nouveaux concepts : l'hypothèse Gaïa (Lovelock, 1986) L'état actuel de la biosphère est le résultat de l'action des êtres vivants.

4 La biosphère, l'atmosphère, l'hydrosphère et la lithosphère superficielle forment un vaste système "autorégulé". Ce système montre une grande stabilité par rapport aux conditions extérieures … dans certaines limites.

La Biodiversité terrestre On estime que plus de 95 % des espèces qui ont existé sont aujourd’hui éteintes Durée de vie des espèces estimée en moyenne de 5 à 10 MA ; 1 MA pour les mammifères, environ 11 MA pour les invertébrés marins mais 1 à 2 MA pour les ammonites (bons fossiles stratigraphiques) Taux moyen d’extinction des espèces estimé à 2 / an pendant l’ère secondaire et 1 tous les 50 à 100 ans à l’ère tertiaire. Vitesse d’apparition des nouvelles espèces a été > à la vitesse d’extinction. Ce n’est plus le cas aujourd’hui à cause des activités humaines! Nbre de familles de Mammifères depuis le début de l’ère tertiaire après la disparition des dinosaures

Reconstitution des faunes (suite à la crise de la fin de l’ère primaire)

Triangles : Brachiopodes ; Carrés : Mollusques Bivalves

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Les grandes crises depuis le Cambrien Pour de nombreux chercheurs, une nouvelle extinction de masse, dite de l'Holocène, la sixième, aurait été amorcée il y a environ 13.000 ans à la suite de la colonisation du monde par l'Homme. Retenir: Les organismes vivants évoluent, de même les écosystèmes changent et les relations entre les composants d'un écosystème se modifient aussi au cours du temps… …mais l'échelle de temps était jusqu'à présent longue…

La mise en place des population Définitions de l'espèce : Cuvier (1769-1838) "Collection de tous les corps organisés nés les uns des autres ou de parents communs et de ceux qui leur ressemblent autant qu’ils ne se ressemblent entre eux." Mayr (1942) "Une population ou un ensemble de populations dont les individus peuvent effectivement ou potentiellement se reproduire entre eux et engendrer une descendance viable et féconde, dans des conditions naturelles." L'espèce est un concept. La réalité est faite de populations Disciplines concernées : l'écologie et la biogéographie Les facteurs abiotiques contribuent à délimiter l'habitat potentiel d'une espèce (exemples déjà vus)…. (même rôle pour les facteurs biotiques… à venir)

6 (cet habitat potentiel "peut héberger" une population) A un instant donné, la richesse en populations d'une espèce dépend du morcellement de son habitat mais aussi de caractéristiques biologiques: exemples liés au cycle biologique:

l'Anguille européenne

Le saumon de l'Atlantique

(1 population)

(populations par dizaines)

La richesse en populations d'une espèce dépend de caractéristiques biologiques: ● Cycles biologiques ● Stratégies évolutives: les capacités migratoires des individus peuvent varier ex: insectes avec générations aptères/ailées (Aphidiens) (cette différence entre populations peut aussi devenir une différence entre espèces : ex diptères aptères) Exemples de variations des capacités de dispersion :

● intra-spécifiques (générations aptère ou ailées de pucerons) ● interspécifiques (espèces ailées et aptères de Tipules la forme aptère est Tipula subaptera endémique du Kilimandjaro (Tanzanie) ).

7 L'arrivée d'une population dans un nouveau biotope découle de mécanismes de dispersion et de colonisation Exemples de colonisation de nouveaux habitats: phénomènes naturels: + Krakatoa (26 août 1883) dont l'explosion stérilise le reste de l'île ❖ 9 mois après seule espèce survivante : 1 araignée ❖ 3 ans après sol couvert de cyanophycées, 11 fougères, 15 plantes à fleurs ❖ 10 ans après premiers cocotiers ❖ 25 ans après 263 espèces animales (l'île couverte par une forêt dense) ❖ 50 ans … 47 espèces de vertébrés, 36 oiseaux, 3 chauves-souris, 5 lézards ❖ la plupart des plantes ont été apportées par le vent et les vertébrés terrestres par des bois flottants Exemples de colonisation de nouveaux habitats, autres phénomènes naturels: géologiques : hydrothermalisme profond, climatiques : tempêtes, crues. Phénomènes liés aux activités humaines: ➔ Marées noires (ex: Amoco Cadiz 16 mars 1978, 223 000 T) ● dans les jours qui suivent 260 000 T d'animaux marins tués ● en 1979 seules des espèces résistantes aux hydrocarbures ● en 1982-83 retour d'espèces tolérantes aux hydrocarbures (densités élevées pour quelques espèces) ● en 1984-85 retour des espèces sensibles (en tout : 7 ans pour retrouver la biodiversité antérieure) ➔ Les grands travaux* détruisent des habitats et les zones créées sont parfois colonisées par des espèces différentes (* = exemple aménagements portuaires) ➔ Retour d'espèces pourchassées (la loutre de mer en Californie) ➔ Introduction d'espèces invasives: ➢ Algues introduites accidentellement : ➢ Sargassum nuticum (Atlantique, 1976)

8 ➢ Caulerpa taxifolia(Méditerranée, 1992) ➢ Mollusque compétiteur des huîtres: Crepidula fornicata

➔ Toutes les introductions ne survivent pas (ex: après l'éruption du Mt St. Helens en 1980 : 16000 transplantations sur les zones stérilisées par les cendres seulement 1750 pieds ont poussé) 3 principaux types de dispersion/colonisation à l'origine de nouvelles populations La plupart des espèces ont un stade de leur cycle biologique au cours duquel les déplacements sont plus faciles (spores ou graines des végétaux, oeufs et larves planctoniques, imagos ailés) a) diffusion : déplacement graduel en terrain favorable se déroulant sur plusieurs générations ➔ exemple de diffusion : introduction accidentelle de Lymantria dispar en 1869 près de Boston

b) dispersion par saut : déplacement au-delà d'un terrain défavorable se déroulant en un temps bref (petite partie de la vie d'un individu) Les introductions accidentelles sont des exemples (sans l'action de l'homme les individus n'auraient pas franchi de telles barrières) La colonisation des milieux temporaires est aussi le fait de ce type de déplacements (ex: mares temporaires dans lesquelles des insectes viennent pondre … cas de Aedes albopictus) c) dispersion séculaire : changement de localisation de populations au cours des temps

9 géologiques (très lent et accompagné de changements évolutifs) (ex: dispersion des hêtres de la famille Nothofagus avec la dérive des continents) Aspects évolutifs de la dispersion ➢ L'évolution est un processus biologique qui concerne les populations (pool de gènes : 1 individu n'évolue pas, la divergence entre populations entraîne la spéciation) ➢ dans une population les individus peuvent avoir 2 stratégies:

1) comportement philopatrique (rester dans le milieu favorable, survie élevée, fécondité faible) 2) comportement exploratoire (se disperser, survie aléatoire, descendance forte si nouveau site OK) selon les circonstances l'une ou l'autre est favorisée… 1→espèces incapables de voler sur des îles (insectes, oiseaux) 2→ espèces pionnières (sites perturbés / faible compétition interspécifique) ➔ Les barrières géographiques(qui limitent la dispersion) interviennent dans les processus évolutifs: la spéciation allopatrique est sans doute le mode de spéciation le plus courant Notions biogéographiques liés à la répartition des populations ➔ Endémisme : "Une espèce est endémique d'une région si elle n'est observée qu'à travers quelques populations localisées dans cette seule région" Exemple: la flore terrestre des îles présentent un % d'espèces endémiques qui dépend de leur taille et de la distance au continent: 5% en Corse, 25% aux Galapagos, 91% à Hawaii ➔ L'endémisme s'oppose à la pandémie (cas d'espèces ubiquistes) (ex: Poa annua, graminée présente sur 4 continents) ➔ En général, l'extension biogéographique d'une espèce est corrélée avec son abondance (mais les exemples montrent des points très dispersés) Parenthèse à propos de l'évolution: La théorie de l'évolution de Darwin (en 5 points soulignés par Ernst Mayr)*

10 ❖ évolution: le monde n'est pas immuable, les espèces se modifient sans cesse, des espèces naissent et d'autres s'éteignent. ❖ gradualisme: l'évolution est un phénomène lent et progressif. (Cet aspect est contesté par certains paléontologues) ❖ ascendance commune: tous les êtres vivants ont un ancêtre commun. ❖ multiplication des espèces: les espèces augmentent de nombre (spéciation par isolement géographique par ex.) ❖ sélection naturelle: principal moteur de l'évolution. Les variations sélectionnées (avantage reproducteur dans la compétition intra-spécifique) deviendront plus abondantes aux générations suivantes. Pour Mayr: "l'évolution biologique est la variation au cours du temps de la diversité et de l'adaptation des populations d'êtres vivants".

La structure des populations Introduction: L'étude quantitative des populations vise à comprendre les variations de d'effectifs (abondance → dynamique des populations) mais aussi de composition ou d'organisation des populations (structure et évolution → génétique des populations) . La modélisation des populations reprend ces 2 notions : + modèles globaux (la population est une boîte noire) ➔ modèles structurels/analytiques (détaillent les constituants et les mécanismes) L'ordre de présentation (structures/dynamiques) est forcément arbitraire Parmi les caractéristiques d'une population seront présentées: 1) La structure spatiale 2) Les structures démographiques (âge, sexe) et dérivées (taille, stades) 3) La structure génétique La structure spatiale : ❖ concerne la répartition des individus à l'intérieur de leur habitat. (préférer répartition spatiale et distribution statistique)

11 ❖ l'approche statique (à un moment donné) révèle les interactions ❖ Au cours de l'ontogenèse les migrations entraînent des changements de milieu (où la répartition peut varier). ❖ l'existence de "sous-populations" ± temporaires présentes dans une partie de l'habitat est à l'origine du concept de métapopulations(important en écologie du paysage) approche statique : les 3 types de répartitions spatiales (étudiées avec n densités observées et le rapport a = moyenne/variance ) a) la répartition aléatoire : rapport a 1 s'observe au début de la colonisation d'un nouveau milieu (par ex: fixation de larves qui ont balayé un vaste secteur favorable) b) la répartition agrégative : rapport à...