Ecologie générale: Ecologie appliquée

(1)

Ecologie générale: Ecologie appliquée

Maxime Pauwels

Maxime.Pauwels@univ-lille1.fr Batiment SN2, RdC, bureau 004

http://www.fondationbiodiversite.fr

(2)

Gestion de l'environ-

nement

Positionnement dans l'écologie scientifique (et dans l'UE)

Ecologie appliquée

Ecologie

Ecologie appliquée

(3)

Gestion de l'environ-

nement

Positionnement dans l'écologie scientifique (et dans l'UE)

Ecologie

Ecologie appliquée

Les sciences appliquées sont les sciences visant en premier lieu à la réalisation d'un objectif pratique, notamment par l'application des enseignements tirés des sciences fondamentales, qui elles visent en premier lieu à progresser dans la connaissance.

appliquée

(4)

Gestion de l'environ-

nement

Ecologie

Ecologie appliquée

Positionnement dans l'écologie scientifique

Environnement: ensemble des êtres et des processus susceptibles d'être affectés par les activités d'un

système humain quelconque (d'une entreprise ou d'un groupe social jusqu'à l'humanité dans son ensemble) Problèmes environnementaux: tous les effets non intentionnels de ces activités , qui changent l'état du monde pour le système concerné

(R. Larrère, 2010)

(5)

Positionnement dans l'écologie sensu lato

Gestion de l'environ-

nement

Militantisme

écologiste

Ecologie

(6)

Prologue : Ecologies et écologie scientifique

Militantisme

écologiste

(7)

Gestion de l'environ-

nement

Ecologie politique Militantisme

écologiste

Ecologie

(8)

Ecologie

politique

(9)

S C I E N C E

Ecologie scientifique

Gestion de l'environ-

nement

Ecologie politique Militantisme

écologiste

(10)

Définition: Ecologies et écologie scientifique

Ecologie scientifique

Mouvements d'un individu de thon rouge du Nord (Thunnus thynnus) montrant une fidélité à la mer Méditerrannée pour la zone de frai

(11)

Fromentin and Powers, 2005, Fish and Fisheries Définition: Ecologies et écologie scientifique

Rooker et al., 2007, Reviews in Fisheries Science

Ecologie

scientifique

(12)

Evolution des prises entre 1950 et 2007 Source: ICCAT

Commission internationale pour la conservation des Thonidés de l’Atlantique

Ecologie

scientifique

(13)

Evolution des stock d'adultes reproducteurs Source: ICCAT

Commission internationale pour la conservation des Thonidés de l’Atlantique

Ecologie

scientifique

(14)

Définition: les écologies en intéraction

Militantisme

écologiste Ecologie politique Ecologie

scientifique

Gestion de l'environ-

nement

(15)

Plan du cours

Biodiversité et Biologie de la Conservation (3 séances) Agroécosystèmes (1 séance)

http://www.fondationbiodiversite.fr

(16)

Plan du cours

II. Evolution de la biodiversité

• dynamique naturelle/anthropique

• causes de l'érosion actuelle de la biodiversité III. Conservation de la biodiversité

• quoi conserver?

• comment conserver?

Biodiversité et Biologie de la Conservation (3 séances) I. Qu'est-ce que la biodiversité?

• un concept récent

• trois niveaux de définition

• caractérisation

(17)

Plan du cours

I. Qu'est-ce que la biodiversité?

• un concept récent

• trois niveaux de définition

• caractérisation

II. Evolution de la biodiversité

• dynamique naturelle/anthropique

• causes de l'érosion actuelle de la biodiversité III. Conservation de la biodiversité

• quoi conserver?

• comment conserver?

Biodiversité et Biologie de la Conservation (3 séances)

(18)

Plan du cours

I. Qu'est-ce que la biodiversité?

• un concept récent

• trois niveaux de définition

• caractérisation

II. Evolution de la biodiversité

• dynamique naturelle/anthropique

• causes de l'érosion actuelle de la biodiversité III. Conservation de la biodiversité

• quoi conserver?

• comment conserver?

Biodiversité et Biologie de la Conservation (3 séances)

(19)

Définitions\ Origine du mot

Du concept de Nature à celui de Biodiversité

1986: 1^st National Forum on Biodiversity, Washington

Forum organisé par la US National Academy of Sciences

Contraction de biological diversity en biodiversity par Walter Rosen 1988: Publication des Actes du colloque par E. O. Wilson et F. M. Peter

1^ère publication où le mot apparaît Avant: "Nature"

1948: Fondation de l'Union International pour la Protection de la Nature (UIPN →UICN) J. Huxley¹: "on peut entendre par «protection de la nature» la sauvegarde de l

'ensemble du monde vivant, milieu naturel de l'Homme."

1: biologiste anglais directeur général de l'UNESCO, préambule du texte fondateur

1960: La Société impériale zoologique d'acclimatation, fondée en 1854 par I. Geoffroy Saint-Hilaire et co-fondatrice de l'UICN est rebaptisée Société Nationale de

Protection de la Nature (SNPN)

1992: Adoption de la Convention sur la Diversité Biologique ou Convention sur la Biodiversité (CBD) lors du Sommet de la Terre à Rio de Janeiro

(20)

Définitions\ Diversité biologique ou Biodiversité

Convention sur la biodiversité adoptée lors du Sommet de la Terre, Conférence des Nations unies sur l’environnement et le développement, Rio de Janeiro (1992)

http://www.cbd.int

(21)

Hervé Le Guyader, La biodiversité : un concept flou ou une réalité scientifique?, Courrier de l’environnement de l’INRA n°55, février 2008

Définitions\ Diversité biologique ou Biodiversité

(22)

Plan du cours

I. Définition de la biodiversité

• un concept récent

• trois niveaux de définition

• caractérisation

II. Evolution de la biodiversité

• dynamique naturelle/anthropique

• causes de l'érosion actuelle de la biodiversité III. Conservation de la biodiversité

• quoi conserver?

• comment conserver?

Biodiversité et Biologie de la Conservation (3 séances)

(23)

Définitions \ la diversité spécifique

L'Arche de Noé, Paul de Vos (1569-1678)

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Paul_de_Vos,_Ark_van_Noah.jpg

La diversité spécifique (diversité en espèces)

(24)

Définitions \ la diversité spécifique , diversité fonctionnelle

La diversité fonctionnelle

Représentation schématique des interactions et flux dans les écosystèmes. Les

écosystèmes abritent des communautés d’espèces qui interagissent entre elles de différentes façons. On représente ici les principaux types d’interactions directes soit négatives (prédation, herbivorie), soit positives (symbiose), ou indirectes, soit négatives (compétition), soit positives (facilitation).

http://www.sfecologie.org/regards/2010/10/08/regards-3-mouquet/

(25)

Définitions \ la diversité écologique

La diversité spécifique et fonctionnelle

La diversité écosystèmique ou écologique

(26)

26

D’après Physical Geography of the Global Environment, 2nd Edition, by H. J. De Blij, et al; Paperback.

La diversité écologique

(27)

la forêt de Soignes en Belgique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Forêts_tempéré es_d'arbres_à_feuilles_caduques

La savane herbeuse au pied de l'Ol Doinyo Lengaï en Tanzanie. (Afrique de l'Est)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Savane

Tundra http://www.bio.miami.edu/dana/dox/tundra.html

(28)

Définitions \ la diversité génétique

La diversité spécifique et fonctionnelle

La diversité écosystèmique ou écologique

La diversité génétique

(29)

Polymorphisme de couleur des fleurs chez la consoude officinale Symphytum officinale

La diversité génétique à l'intérieur des espèces

Polymorphisme de couleur des ailes ou mélanisme chez la phalène du bouleau Biston betularia

(30)

Polymorphisme de la couleur du pelage ou mélanisme chez le léopard/panthère Panthera pardus

(31)

http://www.agirpourlabiodiversite.fr/spip.php?article345

http://www.ciref.fr/Caracterisation-des-ressources-genetiques.html

Fragaria x ananassa Bos taurus

(32)

Dans une espèce donnée, tous les individus ne se ressemblent pas. Il existe notamment entre individus conspécifiques des différences dans la séquence nucléotidique de l'ADN.

On parle de polymorphisme génétique.

Locus codant pour un caractère observable ("gène")

Polymorphisme phénotypique¹

Polymorphisme moléculaire

Locus non codant pour un caractère observable

La diversité génétique: c'est, au sein d'une espèce donnée, le niveau de polymorphisme génétique que l'on peut identifier :

• à un (ensemble de) caractère(s) ou phénotype(s) (polymorphisme phénotypique)

• à un (ensemble de) locus génétique(s) (polymorphisme moléculaire)

1. Dans une vision simpliste de la génétique, un caractère est strictement déterminé par un ou plusieurs gènes.

S'il y a du polymorphisme à un caractère, on s'attend à ce qu'il y en ait au(x) gènes correspondant. C'est souvent oublier le rôle majeur de l'environnement.

Définitions: la diversité génétique

(33)

Phénotype = Caractéristique observable d’un individu

Pisum sativum

http://fr.wikipedia.org/wiki/Gregor_Mendel

Les différences de plumage d'un Guiraca bleu, de haut en bas, un mâle reproducteur, un mâle non reproducteur, une femelle (plumage de base)

http://fr.academic.ru/dic.nsf/frwiki/1347559 Définitions: la diversité génétique \ Polymorphisme phénotypique

(34)

Phénotype = Caractéristique observable d’un individu

Pisum sativum

http://fr.wikipedia.org/wiki/Gregor_Mendel

Phénotypes qualitatifs: à variation discontinue ("discrète"), nombre réduit d'états, déterminisme génétique généralement simple

Phénotypes quantitatifs: à variation continue, grand nombre d'états, déterminisme génétique généralement complexe

Définitions: la diversité génétique \ Polymorphisme phénotypique qualitatif et quantitatif

(35)

(Depaulis, Brazier et Veuille, 1995) Définitions \ la diversité génétique\ Polymorphisme moléculaire

(36)

http://www.cstl.nist.gov/div831/strbase/fbicore.htm Position chromosomique des 13

locus microsatellite CODIS (Combined DNA Index System)

empreinte génétique ou profil génétique

différent pour chaque individu

Définitions \ la diversité génétique\ Polymorphisme moléculaire \ Génotypage

(37)

Plan du cours

I. Définition de la biodiversité

• un concept récent

• trois niveaux de définition

• caractérisation

II. Evolution de la biodiversité

• dynamique naturelle/anthropique

• causes de l'érosion actuelle de la biodiversité III. Conservation de la biodiversité

• quoi conserver?

• comment conserver?

Biodiversité et Biologie de la Conservation (3 séances)

(38)

Santo 2006: expédition scientifique destinée à dresser l'inventaire de la flore et de la faune des milieux terrestres et marins d'une grande île montagneuse du Pacifique Sud : Espiritu Santo (ou Santo), au Vanuatu. Plus d'une centaine de spécialistes venus d'une quinzaine de pays impliqués sur le terrain sur une période de 5 mois entre août et décembre 2006.

http://www.ird.fr/recherche/santo2006

http://acces.inrp.fr/santo/donnees/biodivmarine/breves/histoire_crabes/

Caractérisation \ la diversité spécifique \ Inventaire d'espèces

(39)

Caractérisation \ la diversité spécifique \ Inventaire des espèces \ Effort d'échantillonage

Le nombre de taxa observés augmente avec l’effort d’échantillonnage (surface, temps) puis atteint une asymptote

Rechercher l’asymptote

(40)

Caractérisation \ la diversité spécifique \ distribution géographique

Variations de richesse spécifique chez les papillons de jardins en 2006 à l’échelle nationale

http://www2.mnhn.fr/cersp/spip.php?rubrique23

(41)

Carte 1. La diversité des papillons diurnes en Suisse. Carte 2. La diversité des plantes vasculaires en Suisse.

Carte 3. La diversité des oiseaux nicheurs en Suisse Carte 4. Les Hotspots de Suisse Caractérisation \ la diversité spécifique \ distribution géographique

http://www.biodiversitymonitoring.ch/francais/nachrichten/0712_artenvielfalt.php

(42)

Caractérisation \ la diversité spécifique \ distribution géographique \ notion de Hotspot

http://www.biodiversityhotspots.org/xp/hotspots/Pages/default.aspx

Hotspot:

• zone qui renferme au moins 1500 espèces de plantes vasculaires endémiques, c’est à dire qui n’existent que dans un lieu donné (plus de 0,5% de la biodiversité mondiale)

• zone dans laquelle au moins 70% de l’habitat a été perdu

Plus de 50% de plantes vasculaires et 42% des espèces de vertébrés (sauf les espèces marines) sont endémiques sur ces 34 « points chauds » représentant environ 16% de surface émergée de la planète

(43)

Caractérisation \ la diversité spécifique \ Définition et Estimation

C'est la diversité des espèces dans un écosystème ou un site donné.

Pour son estimation, on tient compte:

• du nombre d'espèces (richesse spécifique, S)

• de l'abondance relative des différentes espèces (effectif de chacun des espèces rapporté à l'effectif total)

∑

^⎜⎜_⎝^⎛^⎜_⎝^⎛ ^⎟_⎠^⎞^× ^⎜_⎝^⎛ ^⎟_⎠^⎞^⎟⎟_⎠^⎞

− ^m

= i

i s i

N n N

= n I

1

log2

Indice de Shannon-Weaver

n_i: effectif de l'espèce i

N: nombre total d'individus échantillonnés

n° espèce effectif (n_i) proportion (p_i=n_i/N) ln (p_i) p_ix ln (p_i)

1 1832 0.1006 -3.31 -0.33

2 1796 0.0986 -3.34 -0.33

3 1754 0.0963 -3.38 -0.33

4 1852 0.1017 -3.30 -0.34

5 1809 0.0993 -3.33 -0.33

6 1799 0.0987 -3.34 -0.33

7 1913 0.1050 -3.25 -0.34

8 1824 0.1001 -3.32 -0.33

9 1777 0.0975 -3.36 -0.33

10 1863 0.1023 -3.29 -0.34

Total (N) 18219 3.32

n° espèce effectif (n_i) proportion (p_i=n_i/N) ln (p_i) p_ix ln (p_i)

1 18000 0.9880 -0.02 -0.02

2 25 0.0014 -9.51 -0.01

3 31 0.0017 -9.20 -0.02

4 28 0.0015 -9.35 -0.01

5 18 0.0010 -9.98 -0.01

6 24 0.0013 -9.57 -0.01

7 28 0.0015 -9.35 -0.01

8 26 0.0014 -9.45 -0.01

9 19 0.0010 -9.91 -0.01

10 20 0.0011 -9.83 -0.01

Total (N) 18219 0.13

(44)

Le concept d'espèce biologique: suivant la définition d’Ernst Mayr (1942), une espèce est un groupe de populations naturelles au sein duquel les individus peuvent, réellement ou potentiellement, échanger du matériel génétique ; toute espèce est séparée des autres par des mécanismes d’isolement reproductif.

http://www.inra.fr/la_science_et_vous/dossiers_scientifiques/biodiversite

Le recensement des espèces est un travail délicat et difficile, aujourd’hui bien complété par les analyses génétiques Une forme différente = même

espèce, sous-espèce, ou nouvelle espèce ?

Définitions \ la diversité spécifique \ le concept d'espèce

(45)

Définitions\ La diversité spécifique \ Inventaire des espèces \ La part d'inconnu

En 2003-2004, une étude de la faune de la voûte forestière de 19 arbres au Panama a montré que sur les 950 espèces de coléoptères présentes, 80% étaient inconnues !

(46)

Æ Les espèces les plus visibles ou les moins mobiles sont mieux recensées que les autres (c’est-à-dire les vertébrés et les plantes)

Définitions \ la diversité spécifique \ les espèces inconnues

(47)

47

D’après Physical Geography of the Global Environment, 2nd Edition, by H. J. De Blij, et al; Paperback.

Caractérisation \ la diversité écologique

(48)

48 Caractérisation \ la diversité écologique\ Organisation hiérarchique des écosystèmes

(49)

http://www.sigale.nordpasdecalais.fr 49 Caractérisation \ la diversité écologique\ Organisation hiérarchique des écosystèmes

(50)

50

Hêtraie

Précipitations>700 mm Ouest NPdC

Chênaie

Précipitations <700 mm, ou sol lourd Est NPdC + Boulonnais etc

Caractérisation \ la diversité écologique\ Organisation hiérarchique des écosystèmes

(51)

51

En pratique : peu de forêts

http://www.sigale.nordpasdecalais.fr

(52)

52

Bocage de l’Avesnois

http://pageperso.aol.fr/Jlfranchomme/Photos+SVT.htm

Pelouse calcicole à Orchis morio (Orchis bouffon)

www.orchid-nord.com

En remplacement des forêts, des paysages variés parfois d’importance patrimoniale élevée

(53)

Exemples:

•Tous les éléphants d'un parc national donné

•Tous les chênes d'un massif forestier donné (pollen à large dispersion anémogame)

•Tous les individus d'une espèce de parasite intestinal, présents chez un seul individu hôte

groupes géographiques d'individus susceptibles de se reproduire entre eux

unité évolutive de l'espèce

Définitions \ la diversité génétique\ Ecologie et Génétique des Populations

(54)

Information génétique portée par des locus présentant plusieurs états alléliques distincts

Polymorphisme floral chez les Gueules-de-loup (Antirrhinum majus)

groupes géographiques d'individus susceptibles de se reproduire entre eux

unité évolutive de l'espèce

Individu Population Espèce Définitions \ la diversité génétique\ Ecologie et Génétique des Populations

(55)

Indice de diversité génétique H_S = 1- Σ_i p_i²

H_S = Σ_i,j 2p_ip_j

Variant génétique

Allèle Fréquence dans la population p = 6/27 = 0.22

p = 5/27 = 0.185 p = 5/27 = 0.185 p = 5/27 = 0.185 p = 6/27 = 0.22

H_S = 1- (2x0.22² + 3x0.185²)

H_S = 6x2x0.22x0.185 + 2x0.22x0.22 + 2x0.185x0.185 H_S = 0.798

Caractérisation \ la diversité génétique\ Niveau de Polymorphisme moléculaire aux locus microsatellite

(56)

Distribution de la diversité génétique dans les populations de chêne (Petit et al, 2003) En noir: écart négatif par rapport à la moyenne sur toutes populations

En blanc: écart positif par rapport à la moyenne sur toutes populations Le diamètre des cercles sont proportionnels à l'écart

Chêne (Quercus sp.)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Quercus_sp_mosaic_leaves_fruits.jpg Caractérisation \ la diversité génétique\ Niveau de Polymorphisme moléculaire aux locus microsatellite

(57)

A B

C

Phylogénie simplifiée d’Ursus arctos construite à partir de l’analyse de l’ADN mitochondrial (gène du cytochrome B).

(Taberlet & Bouvet, 1994).

Caractérisation \ la diversité génétique\ Ecologie et Génétique des Populations