Introduction à l'écologie fondamentale

Thèmes abordés

Introduction à l'écologie fondamentale, écologie des organismes, écologie des populations, écologie évolutive, écosystèmes, biodiversité, cycles biogéochimiques, cycle de l'eau, cycle de l'azote, biocénose, perturbations intermédiaires

Résumé du document

L'écologie est une science des relations entre les êtres vivants et leur environnement. Le principe d'émergence est le suivant : "Le tout est plus que la somme des parties". Un écosystème est un ensemble formé de communautés d'espèces en relation avec leur environnement. L'écologie des populations est l'étude des fluctuations temporelles des effectifs des populations, sur un temps court (plus que la durée de vie d'un individu, moins que la durée de l'espèce). L'écologie des communautés est l'étude des interactions entre les espèces sur la structure et l'organisation de la communauté à différentes échelles temporelle et spatiale.

Extraits

[...] Règle d'Allen = Réduction de la surface des oreilles, cou, queue et pattes pour les espèces aux climats froids, que chez les mammifères Acclimatation = Adaptations d'un organisme à une variation significative des facteurs écologiques abiotiques propre à son biotope, phénomène progressif (ex : Biochimie, morphologies, cycle de vie ) Cryptophytes = Bourgeons dormants sous la terre (bulbe) Diapause = Métabolisme des insectes ralentit en hiver Adaptations des plantes à la sécheresse : -Sécrétion de cutine -Réduction du nombre de stomates -Réduction de la surface des feuilles -Perte des feuilles durant la saison sèche -Racines profondes Photosynthèse = H2O + CO2 + Lumière → O2 + C6H12O6 (glucose) + Chaleur Point de compensation = Point auquel la plante ne réalise plus la photosynthèse par manque de soleil mais vit sur ses réserves Sciaphile = Plantes aux besoins de lumière faibles Héliophile = Plantes aux grands besoins de lumière Les plantes ont des besoins spécifique du sols : Plantes amphitolérantes = Supportent de larges variations de pH (bleuets) Plantes acidiphiles = Aiment les pH acide Plantes neutrophiles = Aiment les pH neutre (géranium) Plantes basophiles = Aiment les pH basique (reine des près) Plantes nitrophiles = Poussent sur sols riches en ions NO3- (ortie, oseille) Plantes calcicoles = Poussent sur sols calcaire riches en ions Ca+ (buis, sauge) Plantes halophiles = Poussent sur sols salés riches en ions Na+ et Cl- (salicorne, pâquerette) C)Facteurs biotiques Neutralisme = Pas d'influence entre les espèces Coopération = Bénéfiques réciproques entre les espèces Compétition = Désavantage lorsque les 2 espèces sont en présence (lion/hyène) Prédation = Avantage pour le prédateur et désavantage pour la proie lorsque les espèces sont en présence (lion/gazelle) Parasitisme = Parasitisme d'une espèce sur l'autre (vie fixée), désavantage pour l'hôte Commensalisme = La présence ou l'absence de l'individu commensale n'influence pas la vie de l'autre individu tandis que la présence de l'autre individu profite à la survie de l'individu commensale (pigeon/Homme) Synanthropie = Espèce qui vit avec les humains (commensalisme) (pigeon) Symbiose = Les 2 espèces ne peuvent pas survivre séparément (poissons clown/anémone) Amensalisme = Pour l'espèce A la présence de l'espèce B ne change rien tandis que pour B la présence de A lui est péjoratif La compétition : Directe (par interférence) = Les individus se nuisent (agressivité) Indirecte (par exploitation) = Une espèce accapare le ressources aux dépends d'une autre Intraspécifique = Entre individus d'une même espèce au sein d'une population Interspécifique = Entre individus d'espèces différentes au sein d'un peuplement ou d'une communauté Causes → Ressources alimentaires, sites de reproduction, territoires Prédateur = Organisme libre qui se nourrit aux dépends d'un autre Polyphagie = Consommation de nombreux aliments, omnivore (humain) Oligophagie = Se nourrit d'un nombre limité d'aliments spécifiques (lièvre de mer) Monophagie = Consommation exclusive d'un seul type d'aliment (koala) Le parasitisme : Ectoparasite = Fixé à la surface Endoparasite = Fixé à l'intérieur du corps Virulence = Diminution de la valeur sélective (fitness) due à l'infection Le mutualisme : Interaction dans laquelle 2 partenaires trouvent un avantage Peut être obligatoire (symbiose) ou facultatif (coopération) Coopération inter-espèce : Exemple : - Nidification collective de plusieurs espèces d'oiseaux permettant une défense plus efficace contre les prédateurs - Effet rhizosphère : Stimulation de la microflore bactérienne du sol Les niches écologiques Principe d'exclusion compétitive : Lorsque plusieurs espèces utilisent de la même façon des ressources identiques elles ne peuvent pas coexister dans un milieu stable et la plus compétitive exclut l'autre Niche écologique = Place d'une espèce dans le fonctionnement de l'écosystème (lorsque 2 espèces ont la même niche, elles ne peuvent coexister), l'habitat peut être définit comme l'adresse et la niche comme la profession des espèces (leur rôle) Niche théorique/fondamentale = Dérivée des exigences propres à l'espèce (habitat, ressources utilisées) Niche réalisée = Niche réelle en présence d'autres espèces (prédation, compétition) Guilde = Groupe d'espèces appartenant à un même groupe taxonomique ou fonctionnel exploitant des ressources communes de la même manière et en même temps Les interactions interspécifiques modifient la niche fondamentale d'une espèce Le volume de niche de chaque espèce est d'autant plus réduit qu'il y a d'autres espèces Espèce ubiquiste = Peut occuper des niches écologiques variées Espèce endémique = Strictement propre à une air géographique donnée Séparation de niches = Processus qui conduit des espèces en compétition à utiliser des ressources ou des niches différentes, permet la coexistence d'espèces, implique qu'il y ait assez d'espace géographique et écologique Écologie des populations I)Méthodes d'études et caractéristiques des populations A)Distribution des individus d'une espèce Métapopulation = Ensemble de populations d'individus d'une même espèce séparés spatialement mais étant interconnectés par la dispersion Pop A ↕ ↕ Pop B ↔ Pop C Métapopulation Distribution = Dispersion d'une population → Uniforme = Distribution régulière, forte compétition pour une ressource, interactions antagonistes entre individus → Aléatoire = Distribution au hasard, milieux homogènes, espèces peu grégaires (pas en groupe), pas de compétition entre individus → En agrégats = La plus fréquente, milieu hétérogènes, espèces grégaires, attraction entre individus ou attraction des individus pour une ressource commune B)Effet de groupe et effet de masse Effet de groupe = Ensemble des modifications morphologies, physiologiques et comportementales qui apparaissent lorsque plusieurs individus de la même espèce vivent ensemble dans un espace raisonnable avec une quantité de nourriture suffisante (à l'optimum) Avantages de l'effet de groupe : → Limitation de l'effet des prédateurs → Temps de surveillance par individu réduit → Quête alimentaire plus efficace Effet de masse = Néfaste, apparaît lorsque l'espace devient limité, effet réversible C)Estimation de l'abondance des populations Il existe plusieurs méthodes, variants en fonction de l'espèce étudiée Pour la plupart des espèces il est difficile de recenser une population entière → Un échantillonnage est nécessaire Échantillonnage par station → On compte le nombre d'individus observés à un endroit Échantillonnage par itinéraire échantillon → On compte le nombre d'individus sur un itinéraire (méthode des transects) Échantillonnage par parcelle échantillon → On compte le nombre d'individus sur une zone précise (méthode des quadrats) Méthode de capture-marquage-recapture (CMR) capture et marquage d'un nombre d'individus puis on va les relâcher et les recapturer de nouveaux M = Capture et marquage de M individus n = Recapture totales m = Animaux marqué dans la recapture N = Estimation de la population totale N = M*n/m Conditions d'applications de la méthode CMR : Connaissances biologiques, règle d'égale caturabilité, qualité du marquage Il faut en faire plusieurs pour se rapprocher de la valeur réelle de la population Différente méthodes de marquage → Baguage, collier, tatouage, marque Densité d'une population = Effectif d'une population par unité de surface d=N/S D)Structure d'âge Génération = Ensemble des individus nés simultanément ou durant un intervalle de temps donné Cohorte = Ensemble d'individus qui ont vécus simultanément un même événement origine (pas forcément le même âge) Le milieu influence la structure des âges Table de survie : Indique à un moment donné la structure d'âge de la population et le taux de mortalité pour chaque classe d'âge, suppose une population stable, un échantillon représentatif et pas d'erreurs dans la détermination de l'âge Permet d'estimer divers paramètres : Taux intrinsèque d'accroissement naturel, taux net de reproduction R0 (nombre de descendants femelles produits par femelle), durée de génération T (temps pour que la population soit multipliée par R0) Courbe de survie : Pyramide des âges : Représentation graphique du nombre d'individu dans chaque classe d'âge pour les mâles et les femelles Sex-ratio = Nbr mâles / nbr femelles E)Variations d'abondance des populations Colonisations d'un nouveau milieu Variations d'abondances saisonnières ou annuelles II)Modèles et concepts populationnels A)Populations expérimentales Premiers modèles mathématique dans les années 20 : Lotka et Volterra B)Croissance des populations 2 types de croissance : Exponentielle et logistique Exponentielle = Augmente sans fin, pas de limite d'espace ni de ressources (rare, lorsqu'une espèce colonise un nouveau milieu et ne dure qu'un temps) Logistique = S'arrête et se stabilise à un certain nombre d'individus, à la charge biotique (structure d'âge constante, charge biotique maximum constante, intervention de tous les individus dans la reproduction) La croissance d'une population est le résultat de l'action de plusieurs facteurs : Taux de natalité, mortalité, immigration, émigration Charge maximale biotique K = Nombre d'individus maximum dans un milieu donné Au cours du temps la résistance du milieu augmente avec la densité de population Résistance du milieu = K – N / K Lorsque N = K la croissance est nulle Stratégie r = Taux d'accroissement intrinsèque de la population, grande fécondité, espérance de vie courte, petits animaux et micro-organismes Stratégie k = Capacité d'accueil du milieu, population stable, peu de fécondité C)Modèle de compétition Modèle de compétition par Lotka et Volterra 2 espèces en compétition pour une même ressources : Présupposé de base : Croissance logistique, charge biotique du milieu K1 et K2 Coefficient de compétition α (effet inhibiteur de 2 sur et β (effet inhibiteur de 1 sur Espèce 1 : dN1 / dt = r1 * N1 – N1/K1 – α N2/K1) Espèce 2 : dN2 / dt = r2 * N2 – N2/K2 – β N1/K2) Le modèle de Lotka-Voleterra (différent du précédent) Suppose que les populations de proies et de prédateurs croissent de façon exponentielle et que les conditions du milieu sont constantes H = Hôte P = Prédateur dH / dt = a1H et dP / dt = - a2P a1 = coef d'accroissement de l'hôte seul a2 = coef d'accroissement du prédateur seul P diminue lorsqu'il est seul Lorsque les 2 espèces cohabitent le coefficient d'accroissement de H diminue lorsque P augmente Le coefficient d'accroissement de P augmente lorsque H augmente dH / dt = (a1 – b1P) * H et dP / dt = + b2H) * P III)Mécanises de régulation dépendant de la densité Compétition pour les ressources, territorialité, prédation, maladie, accumulation de déchets toxiques, facteurs intrinsèques Écologie évolutive I)Communautés, peuplements et guildes A)Exemples Communauté = Ensemble de populations d'espèces vivants dans un même endroit à un moment donné Exemple : Communauté prairiale Peuplement = Ensemble des populations d'espèces faisant partie du même groupe taxonomique, ayant une écologie semblable et le même habitat Exemple : Peuplement d'oiseaux insectivores Guilde écologique = Espèces qui exploitent les mêmes ressources et de la même manière Exemple : Peuplement de mésanges d'une forêt de conifères B)Diversité Lequel de ces peuplements a la plus forte diversité ? [...]

[...] Richesse spécifique S = Nombre espèces dans un peuplement Indice de Simpson C = Dominance d'une ou plusieurs espèces dans un peuplement Indice de Shannon H = Diversité spécifique et répartition (équitabilité) d'un peuplement Comparaison de peuplements quand N et/ou S diffèrents : Indice d'équitabilité E : Compare la diversité de peuplement ayant des richesse différentes Diversité α, β et γ : Comparaison des richesses spécifiques entre plusieurs sites / habitats / peuplements : Diversité α : Mesure la diversité « intra » pour un habitat donné Diversité locale Diversité β : Mesure la diversité « inter », la différence entre 2 habitats Une diversité β élevée = Peu d'espèces en communs entre plusieurs habitats Bien souvent utilisé pour les gradients, car exprime une hétérogénéité spatiale Diversité γ : Mesure la diversité régionale ou globale à large échelle C'est la somme des espèces de tous les habitats considérés, intègre les diversités α et β II)Structure des communautés A)Influence du milieu Productivité = Quantité de biomasse produite par unité de surface et unité de temps : Productivité primaire (végétale) vs productivité secondaire (animale) Proxys de productivité : Nutriments (teneur en climatiques (température, précipitations, ETP) . [...]

[...] Écologie fondamentale Introduction à l'écologie A)Définitions Écologie = Science des relations entre les êtres vivants et leur environnement Principe d'émergence : tout est plus que la somme des parties'' B)Une science multidisciplinaire Individu → Population → Communauté → Écosystème → Biome → Biosphère Écosystème = Ensemble formé de communautés d'espèces en relation avec leur environnement Écologie des populations = Étude des fluctuations temporelles des effectifs des populations, sur un temps court que durée de vie d'un individu, - que durée de l'espèce) Écologie des communautés = Étude des interactions entre les espèces sur la structure et l'organisation de la communauté à différentes échelles temporelle et spatiale Écologie fonctionnelle = Étude du fonctionnement des écosystèmes, flux d'énergie et de matière Écologie du paysage = Étude des ensembles d'écosystèmes Écologie évolutive = Influence des contraintes de l'environnement sur l'évolution des organismes C)Concept de base Chaque milieu possède une biodiversité caractéristique Population = Dème : Groupe d'individus d'une espèce déterminée vivant sur un territoire défini à un moment donné Peuplement : Ensemble des populations des espèces qui appartiennent à un même groupe taxonomique, qui ont une écologie semblable et qui occupe le même habitat (ex : Oiseaux insectivores) Communauté = Biocénose : Ensemble de populations d'espèces différentes (animales, végétales, microbiennes) vivant à un endroit donné et à un moment donné Un milieu = Facteurs écologiques (abiotiques et biotiques) auxquels les espèces sont sont + ou – bien adaptés (ex : Plantes sous bois adaptés à faible lumière) Biotope (environnement physico-chimique) + biocénose + interactions = ECOSYSTEME Biome = À l'échelle planétaire, ensemble d'écosystèmes similaires (forêt tempérée, savane, désert . [...]

[...] ETP = Évapotranspiration potentielle = Quantité d'eau qui pourrait s'évaporer ou transpirer d'une surface saturée Hétérogénéité du milieu : Plus le milieu est hétérogène plus on retrouve de la biodiversité Variabilité climatique : Plus l'amplitude thermique est grande plus le nombre d'espèces diminue B)Le partage de l'espace, un moyen d'éviter la compétition interspécifique Le partage peut être temporel ou spatial (horizontal ou vertical) C)Structure par taille Exemple : Relation positive entre le spectre de taille des graines consommées et l'épaisseur du bec Séparation des niches Partage des ressources → Échelonnement des tailles Coexistence d'espèces grâce à l'espacement des tailles D)Nanisme et gigantisme insulaire Divergence de la moyenne des tailles entre îles et contient Tendance au gigantisme des petits et au nanisme des grands → Uniformisation des tailles Moindre abondance des ressources sur les îles Favorise la petite taille des grandes espèces Fléchissement des pressions de prédation et de compétition inter-spécifique Augmentation de la taille des consommateurs primaires Le déterminisme de ces modifications est fonction de : -La taille d'origine des organismes par rapport à la superficie de l'île -Le degrés de spécialisation de leur régime alimentaire E)Le déplacement des caractères Processus grâce auquel un caractère morphologique change chez une espèce sous l'influence de pressions de sélections dues à la présence dans le même milieu d'une ou plusieurs espèces similaires F)Rôle de la prédation (et du parasitisme) Prédateurs « integrateurs » : Réduction de la compétition Modèle Janzen : À mesure que l'on s'éloigne du pied de l'arbre : -La densité des graines diminue -La survie augmente (car baisse de la prédation par les vertébrés et insectes) -L'emplacement de la zone de recrutement maximum est fonction de D et S G)Théorie des perturbations Les perturbations ont une incidence sur la diversité des espèces et sur la composition des communautés Initialement on se basait sur la notion d'équilibre naturel et de climax de Clements Climax = -État d'équilibre stable dans le temps -Soumis uniquement à l'influence du climat -Communautés bien caractérisées Perturbation = Altération provoquant d'importants changements de la valeur des facteurs écologiques abiotiques et /ou biotiques → Modifications majeures du fonctionnement d'un écosystème, voir effondrement de l'écosystème → Perte brutale de biomasse Certaines espèces ont besoin de perturbations pour se développer Exemple : Pin tordu, les cônes de pin ne libèrent leurs graines que s'ils sont soumis à une chaleur intense Théories des perturbations intermédiaires : Les perturbations modérées peuvent créer des conditions qui favorisent une plus grande diversité d'espèces que celles de niveau bas ou élevé H)Successions écologiques Écosystème et communautés sont dynamiques (évolution dans le temps) Successions écologiques = Processus dynamique se traduisant par la formation et succession de divers biocénoses au cours du temps, dans un même biotope, suite à une (fin de) perturbation Successions animales = Dépendantes des végétaux 2 types de successions : -Succession primaire : Après une perturbations majeure Importance de la dispersion Importance des plantes dans la pédogenèse -Succession secondaire : Après forte réduction d'un écosystème Régénération plus rapide qu'une succession primaire 3 processus peuvent intervenir : -Facilitation : Les espèces pionnières facilitent les espèces plus tardives en rendant le milieu plus favorable -Inhibition : Les espèces pionnières empêchent l'établissement de leurs successeurs, celles-ci colonisent le milieu en dépit des espèces pionnières mais pas à cause d'elles -Tolérance : Indépendamment des espèces pionnières, les espèces qui succèdent ne sont ni favorisées ni défavorisées III)Écologie évolutive A)Définitions Histoire de vie/trait de vie = Ensemble des caractéristiques qui vont définir la façon dont les individus survivent et se reproduisent Théorie d'histoire de vie = Idée que les ressources étant limitées tous les traits d'histoire de vie ne peuvent pas être maximisés, il faut faire des compromis Écologie évolutive = Étude des traits de vie en relation avec les contraintes du milieu en fonction du temps Exemple : Étude de la taille des individus → Les grandes espèces ont des temps de générations plus longs que les espèces de petites tailles Compromis fécondité/croissance Compromis fécondité/longévité Compromis immunité/croissance B)Stratégies démographies (stratégies r et Équation logistique : r varie en sens inverse de l'effectif N et s'annule lorsque N atteint la charge biotique K Habitats instables et/ou imprévisibles → Investissement élevé dans la reproduction → Sélection r Habitats stables et/ou prévisibles → Investissement dans la maintenance, fécondité faible mais individus plus aptes à la compétition → Sélection K C)Biogéographie insulaire Îles vraies et îles habitats → Relation superficie de l'île/richesse spécifique → Plus l'île est grande et plus il y a d'espèces Théorie de McArthur et Wilson dans les milieux insulaires : Le taux d'immigration est plus grand pour les grandes îles et le taux d'extinction est plus grand pour les petites îles, les îles proches du continent ont une richesse spécifique plus grande que les îles éloignées Peuplement insulaire : Le « syndrome d'insularité » : - d'espèces = espèces + densément peuplées D)Peuplement et coévolution L'adaptation implique 3 processus : Variation, sélection, héritabilité Coévolution = Phénomène d'évolution interdépendante observé entre plusieurs espèces en étroites relations écologiques, sélection réciproque de ces espèces entre elles Exemples : Coévolution plantes/insectes pollinisateurs Le mimétisme batésien : Une espèce inoffensive imite une espèce nocive, évitant ainsi la prédation acteurs : Le modèle, le mime et le dupe) Aposématisme : Produire un message d'avertissement (couleur, phéromones ) Interactions entre espèces dans les communautés Processus écologiques : Compétition, prédation, parasitisme, mutualisme, colonisation, extinction, agrandissement/rétrécissement des niches ↓ Conséquences évolutives : Evolution des traits de vie, stratégies démographiques, déplacement de caractère, coévolution ↓ Génératrices de biodiversité Structure et fonctionnement des écosystèmes I)Structure des biocénoses et des écosystèmes A)Concept d'écosystème Propriétés des écosystèmes : -Biotope -Limites spatiales -Capacités d'autorégulation -Étude des relations entre différents écosystèmes à différentes échelles et de leurs zones de transitions (écotones) = écologie du paysage -Systèmes suivants les lois de la thermodynamique Lois de la conservation de masse d'énergie : Les lois de la physique et de la chimie gouvernent le flux d'énergie et les cycles des éléments chimiques dans les écosystèmes Loi de la conservation de l'énergie : Ni créée, ni détruite, seulement transférée ou transformée Loi de la conservation de masse : La matière n'est ni créée, ni détruite mais transférée dans le milieu abiotique et biotique → Calcul de bilans énergétiques et suivre les flux d'énergies dans les écosystèmes → Mesurer l'efficacité de la conversion énergétique → Mesurer le recyclage, gain ou perte des éléments chimiques Un écosystème présente : Une composition : Espèces qui composent l'écosystème (sa biodiversité) Une structure : Structuration de l'écosystème dans l'espace et dans le temps, réseaux trophiques et interactions entre espèces Des fonctions : Manière dont fonctionne l'écosystème, flux d'énergie et de matière, processus, cycles . [...]

[...] Hypothèse de la reine rouge : L'évolution permanente d'une espèce est nécessaire pour maintenir son aptitude suite aux évolutions des espèces avec lesquelles elle coévolue, la majeure partie de la biodiversité actuelle est produite par des processus coévolutifs qui entraînent des courses évolutives B)Biocénose -Ensemble des espèces peuplant un milieu délimité -Peut avoir des durées et des étendues variables (souche d'arbre, forêt . [...]