Évolution et Diversité du Vivant (101-NYA-05) Source Bernadette Féry Automne 2008 Chapitres 50 et...

Évolution et Diversité du Vivant (101-NYA-05)

SourceBernadette Féry

Automne 2008

Chapitres 50 et 52 Campbell, 3 e édition

• INTRODUCTION À L’ÉCOLOGIE

• DISTRIBUTION ET ADAPTATIONS

DES ORGANISMES

• ÉCOLOGIE DES POPULATIONS

Cours 12

http://www.e-secure.fr/

a) Définition de l’écologieb) Le milieu, au sens écologique du termec) Que signifie le terme interactions en écologie ?d) Qu’est-ce qu’un facteur écologique ?e) L’écologie requiert beaucoup de connaissancesf) L’écologie apporte les connaissances nécessaires pour

cerner les problèmes environnementaux, les comprendre et les résoudre

g) L’écologie est une science expérimentale difficileh) L’écologie a progressé grâce à de nouvelles façons de

faire

Partie 1 : Introduction à l’écologie

1. Introduction à l’écologie

Science qui étudie les organismes (leur distribution et leur abondance), les relations qu’ils ont avec leur milieu ainsi que les conséquences de toutes ces interactions.

a) Définition de l’écologie

b) Le milieu, au sens écologique du terme

Le milieu est l’environnement biotique et abiotique des êtres vivants.

Milieu biotique (relatif aux vivants)Relations entre les individus de la même espèce et entre individus d’espèces différentes.

Milieu abiotique (relatif au milieu physico-chimique)Température, eau, lumière, vent et sol.

c) Que signifie le terme interactions en écologie ?

Influences réciproques entre les organismes entre eux et entre les organismes et leur milieu. (4) types d’interactions.

Interaction directe

Les gros arbres diminuent la quantité de lumière au sol disponible pour les autres plantes.

Interaction indirecte

Les excréments des animaux s'incorporent graduellement au sol avec l'aide des bactéries et contribuent ainsi à l'enrichissement du sol afin que les plantes en profitent.

Interaction immédiate

Un renard qui mange une grenouille.

Interactiondifférée

Les faucons influencent le patrimoine génétique des mulots et en conséquence leur évolution car, ils restreignent le succès reproductif de certains individus.

d) Qu’est-ce qu’un facteur écologique ?

C’est un facteur susceptible d'agir sur les organismes vivants en les éliminant, en modifiant leur densité, en les empêchant de se reproduire, etc.

Les facteurs écologiques sont les facteurs biotiques et les facteurs abiotiques.

Facteurs relatifs aux vivants.Relations entre les individus de la même espèce (intraspécifiques) et entre individus d’espèces différentes (interspécifiques).

Facteurs relatifs au milieu physico-chimique.Température, eau, lumière, vent et sol.

e) L’écologie requiert beaucoup de connaissances

En génétique, en évolution, en physiologie, en éthologie, en chimie, en géologie, en physique, en mathématiques…

f) L’écologie apporte les connaissances nécessaires pour cerner les problèmes environnementaux, les comprendre et les résoudre

Érosion des terres par déforestation.Appauvrissement des sols par l’agriculture et l’élevage.Pollutions de l’eau et de l’air.Bioaccumulation des pesticides.Destruction de la couche d’ozone.Déséquilibres par introduction d’espèces exotiques.Etc.

g) L’écologie est une science expérimentale difficile• Les écologistes étudient des êtres vivants sur de vastes

territoires complexes où il est difficile d'isoler une variable à l'étude.

• En plus il faut souvent beaucoup de temps pour vérifier l'effet de cette variable.

h) L’écologie a progressé grâce à de nouvelles façons de faire

• Les modèles mathématiques assistés par ordinateur aident à résoudre, hypothétiquement, des questions d'ordre écologique.

• De même, les expériences en laboratoire et sur le terrain permettent d'extrapoler les résultats à de vastes ensembles.

2. Les facteurs abiotiques conditionnent la distribution des organismes sur la planète

a) Un organisme ne survit que s'il tolère les facteurs abiotiques de son habitat

b) Les facteurs abiotiques varient d’une région à l'autre (dans l’espace) et d'une saison à l'autre (dans le temps)

c) Plus les facteurs abiotiques sont favorables, plus les organismes sont nombreux et variés. Et vice versa.

d) Les organismes ont développé (3) types d'adaptations pour parer aux conditions abiotiques défavorables

3. Chaque facteur abiotique entraîne des adaptations chez les organismes qui veulent y faire face

a) Températureb) Eauc) Lumièred) Vente) Sol

Partie 2 : Distribution et adaptations des organismes sur la planète

2. Les facteurs abiotiques conditionnent la distribution des organismes sur la planète

a) Un organisme ne survit que s'il tolère les facteurs abiotiques de son habitat

Température* — Eau* — Lumière — Vent — Sol

b) Les facteurs abiotiques varient d’une région à l'autre (dans l’espace) et d'une saison à l'autre (dans le temps)

Été versus hiverSaison des pluies versus saison sèche

Équateur chaud et humide versus Pôles froids et secs

* Facteurs qui influencent le plus, la distribution des organismes

c) Plus les facteurs abiotiques sont favorables, plus les organismes sont nombreux et variés. Et vice versa.

En allant de l'équateur vers les pôles, la biodiversité diminue car les conditions abiotiques deviennent difficiles à supporter.

Source

Extrême nord de l'Arctique et extrême sud de l'Antarctique faible biodiversité.Forêts tropicales

(abondance de lumière, de chaleur et d'eau) grande biodiversité.

Régions désertiques (comme le centre du Sahara) faible biodiversité.

http://www.cite-sciences.fr/francais/ala_cite/expo/tempo/planete/portail/glp.html

d) Les organismes ont développé (3) types d'adaptations pour parer aux conditions abiotiques défavorables

Adaptation morphologiqueStructure physique particulière telle la présence de plumes.

Adaptation physiologiqueProcessus interne comme le resserrement des vaisseaux sanguins quand il fait froid.

Adaptation comportementaleAction par l'organisme comme se mettre à l'abri de la pluie.

3. Chaque facteur abiotique entraîne des adaptations chez les organismes qui veulent y faire face

A- Un facteur abiotique : la température

La température est un important facteur de distribution des organismes car elle présente de grandes fluctuations sur la planète selon la latitude et la saison.

Importance de la température pour le vivantL'intervalle de température viable pour une cellule se situe entre 0˚C à 45˚C.En deçà de 0˚C, les cellules gèlent et se rompent et au-delà de 45˚C, les protéines se dénaturent.À l'intérieur de cet intervalle, les réactions chimiques cellulaires sont possibles ; elles s'accélèrent, cependant, avec l'augmentation de température et elles ralentissent s'il fait plus froid.Il existe un intervalle thermique idéal pour chaque espèce.

Deux façons de réagir face à la température

ECTOTHERMES (hétérothermes, poïkilothermes)Invertébrés, poissons, amphibiens et reptiles

1. Régulent leur température. 2. Maintiennent leur température corporelle à un niveau constant tel que

37˚C pour les Mammifères. 3. Sont dits à sang chaud.

ENDOTHERMES (homéothermes)Mammifères et oiseaux

1. Incapables de réguler leur température. 2. Se réchauffent s'il fait plus chaud et se

refroidissent s'il fait plus froid. 3. Sont dits à sang froid.

Adaptations des ectothermesPeau épaisse, présence de graisse… (M)

Lézard qui se chauffe au soleil le jour et se cache dans son terrier la nuit. (C)Insecte qui se tient sur une patte puis sur une autre sous le chaud soleil du désert. (C)

Les iguanes marins des îles Galápagos diminuent leur débit sanguin cutané et leurs pulsations cardiaques lorsqu'ils plongent en mer (pour perdre moins de chaleur). Ils font l'inverse lorsqu'ils se chauffent au soleil. (P)La grenouille des bois ne subit pas l’effet du gel à cause d’un antigel naturel. (P)

Adaptations des endothermesPlumes et poils (M)

Changer d'endroit, migrer, se serrer les uns contre les autres. (C)

Le chien, pour se refroidir,halète, dilate ses vaisseaux sanguins cutanés et transpire. (P)

Le chien, pour se réchauffer, frissonne et resserre ses vaisseaux sanguins cutanés (P)

Exemples d’adaptations pour contrer les effets négatifs d’une température inadéquate

Morphologique = MComportementale = CPhysiologique = P

L’eau est un important facteur de distribution des organismes parce que sa concentration est rarement la même que celle de organismes et qu’elle n’est pas toujours très disponible.

B- Un facteur abiotique : l’eau

La concentration d’une solution est la quantité de soluté (substance dissoute) par unité de solvant (substance qui dissout les solutés : dans les organismes c'est l'eau).

Plus la concentration du soluté augmente dans une solution, plus celle du solvant diminue. Et vice versa. Plus la concentration du soluté diminue, plus celle du solvant augmente.

Concentration — définition

La concentration de l’eau est rarement la même que celle des organismes

Concentration moyenne des liquides biologiques des animaux en milliosmoles de chlore par litre de solution. La concentration moyenne des liquides biologiques des organismes est de 180 mosmol Cl- /L de solution.

ANIMAUX MARINS ANIMAUX DULCICOLES(EAU DOUCE)

ANIMAUXTERRESTRES

EAU DOUCE (35)

EAU DE MER (550)

ReptilesOiseauxMammifères

Invertébrés marins

Poissons cartilagineux(requins et raies)

Poissons osseux marins

Invertébrésdulcicoles

Poissons osseuxdulcicoles

Amphibiens

600

500

400

300

200

100

Conc

entra

tion

en m

illios

mol

es d

e ch

lore

par

litre

de

solu

tion

Inspiré de Mader, p. 489, éd. 1988

. Ainsi, nos globules rouges gonfleraient et éclateraient.

Qu’arrive-t-il lorsque l’organisme est plus concentré que son milieu ?

35 milliosmoles Cl-/l

180

Perd ses solutés, surtout du NaCl

Se gonfle d'eau

Ainsi, nos globules rouges se ratatineraient.

Qu’arrive-t-il lorsque l’organisme est moins concentré que son milieu ?

550 milliosmoles Cl-/l

180

Gagne des solutés, surtout du NaCl

Perd son eau

Ces mouvements du soluté et du solvant tendent à rétablir l'équilibre entre les concentrations (pour chaque situation) mais feraient mourir l'organisme s'il n’y avait pas d’adaptation compensatoire.

Voici quelques adaptations !

Une lamproie (agnathe)

Les compartiments des métazoaires, voir le tableau 1.2, lampetra

Cas des invertébrés marins et des agnathes

Eau de mer460 Na+, 540 Cl-, 10 K+

Total = 1000 mosm / l

Lamproie554 Na+, 532 Cl-, 6.8 K+, 3 uréeTotal = 1002 mosm / l

Pas de déséquilibre hydrique

De même concentration que l'eau de mer «isotonique»

http://www.lifesci.utexas.edu/faculty/sjasper/images/UDL9_27_07c.jpg

http://www2.ulg.ac.be/physioan/chapitre/index.htm

Cas du poisson osseux marin

Eau de mer460 Na+, 540 Cl-, 10 K+


Poisson marin180 Na+, 160 Cl-, 4 K+

Total = 337 mosm / lCapte du sel Perd son eau

Déséquilibres

Boit beaucoup Rejette le sel dans l’environnement par les branchies

Peu d’urinetrès concentrée

Adaptations

Les compartiments des métazoaires, voir le tableau 1.2, paralichthys

Moins concentré que l’eau de mer «hypotonique»


Cas du poisson osseux dulcicole (eau douce)

Eau douce (moyenne des rivières d’Amérique du Nord)0.39 Na+, 0.23 Cl-, 0.004 K+

Total = < 5 mosm / l

Poisson d’eau douce142 Na+, 107 Cl-, 2 K+


Perd son sel Capte de l’eau

Capte le sel de son environnement par les branchies

Abondante urine très diluée

Plus concentré que l’eau douce «hypertonique»

Déséquilibres

Adaptations

Les compartiments des métazoaires, voir le tableau 1.2, carassius

Ne boit pas


Cas des poissons cartilagineux (requins et raies)L’accumulation d’urée dans leurs tissus (sans être intoxiqués) les rend plus concentrés que l'eau de mer, donc hypertoniques. Par contre leur concentration en NaCl est moins élevée que celle de l’eau de mer.

Eau de mer460 Na+, 540 Cl-, 10 K+


Requin263 Na+, 249 Cl-, 4.3 K+, 357 uréeTotal = 1007 mosm / l

Beaucoup beaucoup d’urine très diluée.

Rejet de sel par la glande rectale.

Les compartiments des métazoaires, voir le tableau 1.2, Squalus

Capte de l’eauDéséquilibres Capte du sel

Adaptations

Ne boit pas


Mammifères marinsMoins concentrés que l’eau de mer = hypotoniques

DéséquilibresSe déshydratent et gagnent du sel

Adaptations1. Boivent de l'eau de mer.2. Concentrent fortement leur urine.

Cas des mammifères marins

Oiseaux marinsMoins concentrés que l’eau de mer = hypotoniques

Déséquilibres Se déshydratent et gagnent du sel

Adaptations1. Boivent de l'eau de mer.2. Excrètent l’excès de sel par

leurs glandes nasales.

Campbell (3eéd.) — Figure 44.7 : 1008

Glandes nasales

Narines

Cas des oiseaux marins

Face à la rareté de l’eau il faut des adaptations qui permettent de maximiser son utilisation et de minimiser ses pertes.

HumainRat

Vaporisation 36% Urine 60%60%Fèces 4%

Boissons 60%60%Aliments 30% Eau métabolique 10%10%

Vaporisation 73% Urine 23%23%Fèces 4%

Boissons 0%0%Aliments 10% Eau métabolique 90%90%

Perte d’eau par jour

Apport d’eau par jour

1. Ses anses de Henlé sont très longues de sorte qu’il perd très peu d’eau dans son urine.

2. Son métabolisme lui fournit presque tous ses besoins en eau.

Cas du rat-kangourou (vit dans le désert)

Anse de Henlé

Un néphron (une unité du rein)

Sang

L’eau n’est pas toujours très disponible

La lumière est un important facteur de distribution des organismes aquatiques qui font de la photosynthèse car elle est rapidement absorbée dans l’eau. Chaque mètre d'eau absorbe 45% de la lumière rouge et 2% de la lumière bleue. À une certaine profondeur, il n’y a plus de lumière.

C- La lumière

Allez voir quelques algues rouges

Adaptations pour contrer les effets négatifs d’un manque de lumièreLes algues rouges ont des pigments qui leur permettent de capter la lumière bleue, la longueur d'onde la plus pénétrante dans l'eau.On les trouve jusqu’à 265 mètres de profondeur.

Spectre des ondes lumineuses visibles

http://www.solpugid.com/cabiota/stenogramme_interrupta.htm

http://www.interface-z.com/publications/cours27nov/index.htm

Le vent est un facteur mineur de distribution des organismes sauf s'il est intense et régulier.

D- Le vent

1. Le vent refroidit les organismes. Le vent accentue les effets de la température froide car il accroît la perte de chaleur par vaporisation.

2. Le vent assèche les organismes. Le vent accentue les effets d'un manque d'eau car il accroît les pertes d'eau en augmentant la transpiration.

Effets négatifs du vent sur les organismes

Adaptations des arbres pour contrer le vent

Les bourgeons situés au vent se développent moins bien et les branches cassent. Les bourgeons situés sous le vent sont mieux protégés et se développent mieux. La dissymétrie observée n'est donc pas un mouvement dû au vent comme celui d'un drapeau mais une dissymétrie du développement.


Le sol est un facteur abiotique qui influence la distribution des végétaux et par conséquent, celle des animaux via la chaîne alimentaire.

E- Le sol

• Le sol fournit l'eau et les sels minéraux (phosphates, nitrates…) nécessaires à la photosynthèse des végétaux.

• La structure physique du sol (argile, sable ...) et son pH déterminent le type de végétal qui s’installe.

• La nature du sol conditionne les types d'organismes qui peuvent s'y fixer ou s'y enfouir.

Importance du sol

SOL CALCAIRE

AdaptationsUn sol sableux sera habité d’animaux fouisseurs comme les pétoncles. Un sol rocheux sera recouvert d’algues capables de se cramponner.

SOL LOURD ET ARGILEUX

http://www.plantagenetplantes.com/conseils.php



4. Le regroupement des organismes de la même espèce forme une population.

5. Le plus grand objectif de l’écologie des populations 6. Les caractéristiques d’une population : densité et distribution7. La démographie (et les facteurs démographiques)8. La sélection naturelle favorise les meilleurs cycles biologiques9. Le modèles d’accroissement démographique exponentiel10. Le modèles d’accroissement démographique logistique11. Modèle logistique et espèces dites à sélection « r » ou « k»12. Les facteurs qui régularisent la taille des populations13. L’abondance d’une population est régulée par une interaction

complexe d’influences biotiques et abiotiques14. La population humaine s’approche-t-elle de sa capacité limite ?

Partie 3 : Écologie des populations

4. Le regroupement des organismes de la même espèce forme une population.

Une population est un groupe d’individus de la même espèce qui occupent simultanément le même territoire, qui consomment les mêmes ressources et qui sont influencés par les mêmes facteurs écologiques.

5. Le plus grand objectif de l’écologie des populations

Quels sont les endroits où se rencontrent les organismes ? Quels sont les facteurs qui déterminent le nombre de ces individus dans ces endroits ?

Étudier la distribution et l'abondance des organismes.


6. Les caractéristiques d’une population : densité et dispersion

A- Une densité (1ière caractéristique des populations)

La densité est le nombre d'individus par unité de surface (15 chevreuils /km 2 sur l’île d’Anticosti) ou de volume (5 daphnies /10 mL d’eau).

Mesures de la densité

On peut compter tous les individus mais cela est rarement possible. Par exemple, compter les étoiles de mer dans un étang à marée basse ou compter les caribous d’un troupeau, à vol d’avion.

Recensement aérien de Buffles africains


http://membres.lycos.fr/mjeanf/cerf.htm

Les écologistes utilisent des techniques d’échantillonnage pour estimer la densité et la taille des populations.

Source

Par comptage direct des organismes dans des parcellesPour estimer la taille d’une population de chênes blancs dans la totalité d’une zone, on peut compter le nombre d’arbres qui se trouvent dans plusieurs échantillons de 10 m x 100 m, choisis au hasard puis extrapoler les résultats à l’ensemble du territoire.

http://www.gma.org/vital_signs/activities/boot_dance.html

1. Mise en place de pièges.2. Capture des animaux, marquage et libération des animaux.3. Attente de quelques jours ou semaines pour que les animaux se

mélangent avec les autres.4. Remise en place de pièges.5. Recapture.

Population totale N

Nombre d’animaux capturés et marqués la première fois

Nombre total d’animaux capturés la seconde fois

Nombre d’animaux capturés la seconde fois et qui étaient marqués

= *

Par la technique capture et recapture

Cette technique suppose que tous les individus ont la même chance d’être capturés et que, par conséquent, le nombre d’individus capturés est un indicateur de la population totale.

Source

http://www.aqua-logiq.fr/Savoir_faire_2.html

Cette taille peut se maintenir (naissances = mortalité), augmenter (plus de naissances) ou diminuer (plus de mortalité).

La densité d'une population n’est pas une propriété statique mais plutôt le résultat dynamique d’une interaction entre les ajouts d’individus (natalité et immigration) et leur retrait (mortalité et émigration). Ainsi, la taille numérique d’une population varie dans le temps.


Complétez ce schéma.

L’étude de la variation de taille d’une population fait l’objet de la dynamique des populations.

B- Un mode de dispersion (2e caractéristique des populations)

• À l’intérieur de l’aire de distribution géographique, la densité de population peut présenter des variations locales considérables. Ces variations renseignent les écologistes sur les interactions sociales et le milieu physique.

• Trois modes de dispersion des individus à l'intérieur des limites géographiques de la population : en agrégats, uniforme et aléatoire.

Les individus forment des groupes. Mode le plus courant.

DISPERSION EN AGRÉGATS

Campbell (3eéd.) — figure 52.3 et 52.03 ax : 1236

À cause des ressources concentrées dans des parcelles (végétaux)

À cause du comportement sexuel et social (animaux)

Des manchots se disputent chacun un petit emplacement.

À cause de la concurrence pour l’eau et les sels minéraux (végétaux), le territoire ou une autre ressource (animaux).

DISPERSION UNIFORME

Campbell (3eéd.) — figure 52.3 : 1236

DISPERSION ALÉATOIRE

Les graines de pissenlit se posent au hasard avant de germer.

À cause de l’absence d'attirance ou de répulsion entre les organismes. Mode de distribution plutôt rare.

Les arbres espèce sont souvent distribués de façon aléatoire dans les forêts tropicales humides.

Répartition égale sur le territoire

Répartition au hasard sur le territoire

7. La démographie

La démographie est l’étude de la taille des populations ainsi que de leurs variations au fil du temps. Les facteurs démographiques sont les facteurs qui influencent la taille future d’une population.

Le taux de survie est un facteur démographique important

Correspond à la capacité à survivre, et donc à la tendance à mourir, d'une certaine cohorte (groupe d'individus du même âge) en fonction de l'âge.

Exprimé de deux façons par les démographes : Courbes de survie

Table de survie

Tables de survie

Campbell (3eéd.) —Tableau 52.1 : 1237

Table de survie d’une cohorte d’écureuils, en Californie

Femelles MâlesÂge Nombre

d’individus vivants au début de l’intervalle

Proportion de survivants au début de l’intervalle

Nombre de morts pendant l’intervalle

Taux de mortalité

Nombre d’individus vivants au début de l’intervalle

Proportion de survivants au début de l’intervalle

Nombre de morts pendant l’intervalle

Taux de mortalité

0-11-22-33-44-55-66-77-88-9

9-10

4592521276735199541

1,000,5490,2770,1460,0760,0410,02

0,0110,0090,002

207125603216104131

0,450,500,470,480,460,530,440,200,75

1

475248108341120

1,000,5220,2270,0720,0230,004

227140742390

0,480,560,690,680,82

1

Courbes de survie des m‰les et femelles d'ˇcureuils Spermophilus belding

1

10

100

1000

0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10åge en annˇes

No

mb

re d

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rviv

ants

(ˇ

chel

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ith

miq

ue)

Courbe de survie

Campbell (3eéd.) —Figure 52.4 : 1237

La courbe de survie représente graphiquement une partie des données d’une table de survie : le nombre de survivants de la cohorte en fonction de l’âge. Pour établir la courbe il faut multiplier la proportion de survivants de chaque classe d’âge par une cohorte hypothétique de 1000 individus.

Femelles

Mâles

1,00 * 1000 = 10000,549 * 1000 = 5490,277 * 1000 = 2770,146 * 1000 = 1460,076 * 1000 = 760,041 * 1000 = 410,02 * 1000 = 200,011 * 1000 = 110,009 * 1000 = 90,002 * 1000 = 2

1,00 * 1000 = 10000,522 * 1000 = 5220,227 * 1000 = 22270,072 * 1000 = 1720,023 * 1000 = 230,004 * 1000 = 4

Type II.Mortalité constante oiseaux, hydres, écureuils

Type I.Plus de mortalité en fin de vie humains, gros mammifères

Type III.Plus de mortalité en fin de vie en début de vie huîtres, poissons


1 000

100

10 1

0 50 100

Courbe de type I

Courbe de type II

Courbe de type III

De façon générale, il y a trois types de courbes de survie. Cependant, de nombreuses espèces ont des courbes mixtes. Par exemple, les oiseaux ont une courbe de type III en début de vie puis une courbe de type II par la suite.

Le taux de reproduction est un facteur démographique important

Correspond à la capacité d’engendrer des descendants. Les écologistes qui étudient les espèces à reproduction sexuée ne s’occupent que des femelles car ce sont elles qui produisent les rejetons. Les démographes expriment le taux de reproduction à l’aide de tables de fécondité.

Table de fécondité

Recensement, par âge, des taux de fécondité des femelles d’une cohorte d’écureuils.

Âge Proportion de femelles ayant une portée

Nombre moyen d’individus par portée(mâles et femelles)

Nombre moyen de femelles par portée

Nombre moyen de rejetons femelles

0-11-22-33-44-55-66-77-88-9

9-10

0,000,650,920,900,951,001,001,001,001,00

0,003,304,054,905,454,153,403,853,853,15

0,001,652,032,452,732,081,701,931,93 1,58

0,001,071,872,212,592,081,701,931,931,58

Campbell (3eéd.) —Tableau 52.2 : 1238

Les tables de fécondité varient beaucoup selon les espèces. Les chênes laissent tomber des milliers de glands pendant des dizaines ou des centaines d’années alors que les écureuils ont deux à six petits pendant moins de 10 ans.

• Correspond à l’ensemble des caractéristiques qui influent sur la reproduction et la survie de l'organisme (jalonné par la naissance, la reproduction et la mort).

• Détermine le potentiel biotique ou potentiel de reproduction (capacité à survivre et à se reproduire).

Le potentiel biotique sera d’autant plus grand que :

1. Le temps de génération est court (temps entre la naissance et la première reproduction).

2. La taille des portées est grande (beaucoup de rejetons dans la portée).

3. Les épisodes de reproduction sont nombreux.

Le taux de reproduction est fonction du cycle biologique ou cycle de vie de l’espèce

8. La sélection naturelle favorise les meilleurs cycles biologiques, ceux qui assurent la survie maximale de l’organisme ainsi que la reproduction maximale de l’espèce (via un potentiel biotique maximal)

Le saumon du Pacifique (Oncorhynchus kisutch) est sémelpare. Il revient en eau douce pour se reproduire puis meurt après la fraie.

La sémelparité [sémel (une fois) parité (engendrer)] est le cycle où l’individu produit un très grand nombre de rejetons en une seule fois puis meurt.

Image Campbell : 1239 (3eéd.) — Figure 52.6

L’Agave (Agave shawii) profite d’une rare année où il pleut pour se reproduire puis elle meurt.

Cycle sémelpare

http://www.zoo.utoronto.ca/manuesteve/cohospawning1-9.jpg

http://www.zoo.utoronto.ca/manuesteve/cohospawning1-9.jpg

Le lézard vert (Lacerta bilineata) est itéropare. Il pond quelques gros œufs chaque année, dès lâge de deux ans.

L’itéparité [Itéro (répéter) parité (engendrer)] est le cycle où l’individu se reproduit de nombreuses fois.

La sélection naturelle favorise les cycles sémelpares dans les milieux où les conditions sont variables ou imprévisibles. La production d’un grand nombre de rejetons augmente la probabilité de survie d’au moins quelques-uns d’entre eux. La sélection a donc favorisé la reproduction de l’espèce au détriment de l’individu.

La sélection naturelle favorise les cycles itéropares dans les milieux où les conditions sont stables. La production d’un petit nombre de rejetons relativement gros et bien nourris augmente leur chance de survie mais aussi augmente la chance de survie des parents car cela leur demande moins d’énergie. La sélection favorise donc la reproduction de l’espèce mais aussi celle de l’individu.

Cycle itéropare

Il y a un compromis à faire entre la reproduction et la survie. Aucun organisme ne peut produire autant de rejetons qu’une espèce sémelpare et les nourrir aussi bien qu’une espèce itéropare. Les organismes ont une allocation énergétique limitée. (On ne peut pas tout faire.)


Taux de survie des faucons crécerelles en fonction de la taille de leurs couvées

Mâles Femelles

Nombre de rejetons moins élevé

Couvées normales

Nombre de rejetons plus élevé

En preuve, lorsque la reproduction augmente la survie baisse.

100

80

60

40

20

0

Les cycles biologiques sont des compromis

8. Le modèles d’accroissement démographique exponentiel (Malthus)

1. Décrit l'accroissement d'une population vivant dans un milieu idéal (milieu possédant toutes les ressources nécessaires : nourriture, gîte et couvert, en quantité).

3. Prédit que si rien ne freine la croissance d'une population (le milieu est idéal), celle-ci s'accroît de plus en plus vite : plus les individus sont nombreux, plus ils produisent de rejetons et plus il y a de rejetons, plus ils se reproduisent faisant augmenter la population encore plus.

4. Produit une courbe en J (courbe exponentielle) : courbe qui débute un peu lentement car la population est peu nombreuse au début mais qui devient rapidement abrupte.

5. Modèle qui reflète le potentiel biotique de la population ; les membres se reproduisent « à pleine capacité » .

Taille

de

la p

opul

atio

n (N

)L’accroissement est plus lent au départ car la population est petite.

L’accroissement est de plus en plus rapide car il dépend autant de rr que de N.

Temps (t)

Équation exprimant le modèle exponentiel

=

Taux maximal d’accroissement pour l’espèce = taux intrinsèque d’accroissement = potentiel biotique

r maximumr maximum

Variation de la taille de la population pendant une période très courte

d N d t

Nombre d’individus dans la population au début de la période

N

• Soit une population hypothétique vivant dans un milieu idéal. • La taille de la population augmente chaque fois qu’un organisme naît

et diminue chaque fois qu’un organisme meurt.

Démonstration de l’équation décrivant le modèle exponentiel

N = nombre d’individus dans la population

Variation de la taille de la population (pendant la période étudiée)

Nombre absolu de naissances pendant la période

Nombre absolu de morts pendant la période= -

∆ N = B (birth) - M (mortality)∆ t Nombre de naissances Nombre de morts

= (b - m ) N

= r max N

dN = b (taux de natalité) * N - m (taux de mortalité) * N dt

Noté pour un très court instant r max= taux intrinsèque

d'accroissement maximum de la population

Peut avoir une valeur positive (plus de naissances), nulle (naissances = morts) ou négative (plus de morts)

• Soit une population hypothétique composée de 1000 individus vivant dans un milieu idéal.

• Il y a 34 naissances et 16 morts par année.

• Quel est son taux d’accroissement intrinsèque ?

r max = (b - m) = 34/ 1000 - 16/ 1000 = 18 / 1000 = 0,018

Problème no 1 Problème no 2

• Soit une population hypothétique composée de 1500 individus.

• Son taux de natalité est de 0,37 et son taux de mortalité est de 0,25.

• Combien y aura-t-il de naissances et de morts durant l’année ?

B (naissances) = b N = 0,37 * 1500 = 555 naissances

M (morts) = m N = 0,25 * 1500 = 375 morts

Comparaison de l'accroissement exponentielle de deux populations dont les valeurs de r maximum sont de 1 et 0,5

r = 1,0

r = 0,5


La population d’éléphants augmenta de façon exponentielle pendant environ 60 ans après les mesures pour les protéger de la chasse. Actuellement des mesures sont prises pour limiter leur population car ils n’ont plus rien à manger à cause de leur trop grand nombre.


Nombre de générationsTaille

de

la p

opul

atio

n (N

)Croissance exponentielle de la population d’éléphants du Kruger National Park (Afrique du Sud )

1900 1920 1940 1960 1980

Taille

de

la p

opul

atio

n (N

)

La croissance exponentielle ne se produit pas habituellement dans la nature ni au laboratoire

La croissance exponentielle peut se produire durant certaines périodes et dans certaines conditions

1. Des espèces exotiques s'introduisent dans un nouveau milieu où les prédateurs et les compétiteurs sont absents. L'étourneau sansonnet et le moineau domestique ont subi, une fois introduits en Amérique du Nord, des explosions de populations.

2. Une espèce pionnière — comme le pissenlit (espèce ayant de grandes capacités de reproduction et de dispersion) s'introduit dans un champ abandonné.

3. Des bactéries envahissent le tube digestif d'un nouveau-né.

4. Des champignons envahissent un cadavre animal ou végétal.

1. Aucune population ne peut croître indéfiniment parce que l'environnement (abiotique et biotique) limite son potentiel biotique en provoquant une diminution des taux de natalité et une augmentation des taux de mortalité.

2. Les conditions environnementales qui limitent le potentiel biotique d'une population sont regroupées sous le terme de résistance du milieu (nourriture, température, refuges, relations avec les autres espèces, relations à l'intérieur de l'espèce, maladies, parasites …)

3. Le nombre maximal d'individus d'une population stable qui peut vivre dans un milieu au cours d'une période relativement longue est la capacité limite du milieu.

9. Le modèles d’accroissement démographique logistique (Pierre-François Verhulst)

1. Décrit l'accroissement d'une population vivant dans un milieu réel (milieu possédant une quantité limitée de ressources et qui peut ne supporter qu’un certain nombre d’individus (capacité limite du milieu ou K).

2. Prédit qu'une population (dans son milieu réel) s'accroît de moins en moins vite au fur et à mesure qu'elle s'approche de la capacité limite (k) pour finir par se stabiliser autour de celle-ci.

3. Produit une courbe en S (courbe sigmoïde) : courbe qui débute un peu lentement car la population est peu nombreuse au début, qui s'accélère ensuite (petite période exponentielle) mais qui ralentit ensuite puis se stabilise à cause de la résistance du milieu qui devient de plus en plus grande au fur et à mesure que la taille augmente.

4. Modèle qui reflète la capacité du milieu à freiner la croissance d’une population.

Taille

de

la p

opul

atio

n (N

)

L’accroissement est plus lent au départ car la population est petite.

Temps (t)

La croissance ralentit. Une petite période de

croissance exponentielle.

La croissance cesse.

CAPACITÉ LIMITE (k)

Équation exprimant le modèle logistique

= r max

Tauxintrin-sèque d’accrois-sement maximum

d N d t

Variation de taille de la popula-tion

N

Taille de la popula-tion au début de la pério-de

K - NK

•Facteur de réduction de r maximum

•Pourcentage de la population maximale qui peut encore s’ajouter.

Accroissement démographique logistique d’une population où r maximum = 0,05 par individu et par année et où K = 1000 individus

Taille de la popu-lation

N

Taux intrinsèque d’accrois-sement maximum r max

Facteur qui diminue r max

K - N K

Taux d’accrois-sement «corrigé»

r max K - N K

Taux d’accroissement démographique (variation de taille de la population durant la période)∆N = r max K - N N K

201002505007501000

0,050,050,050,050,050,05

0,98 (1000- 20/ 1000)0,900,750,500,250,00

0,049 (0,05 * 0,98) 0,0450,0380,0240,0130,000

+ 1 (0,049 * 20) + 5+ 9+ 13+ 9 0

Campbell (3eéd.) — Tableau 52.3 : 1243

Arrondir !


L’accroissement d’une population de paramécies dans de petites cultures aux conditions constantes est quasi conforme au modèle logistique .

Le modèle logistique s’applique aux populations naturelles

Temps (jours)Ta

ille d

e la

pop

ulat

ion

(N)

Comparaison de l’accroissement de la population précédente avec une population semblable dans un milieu idéal

Croissance exponentielle

Croissance logistique

Nombre de générations

Taille

de

la p

opul

atio

n (N

)


La résistance du milieu limite le potentiel biotique !

Tout ajout d'individu n'a pas le même effet négatif sur le taux d'accroissement d'une population. La survie et la reproduction des petites populations est plus difficile.

Effet Allee Exemples• Les oiseaux de mer ont besoin d'une

stimulation sociale pour se reproduire.• Lorsque les rhinocéros sont rares, ils

ont de la difficulté à se trouver pour se reproduire.

Le modèle logistique s’applique aux populations naturelles mais avec certaines limites

Dans de nombreuses populations, la taille peut dépasser la capacité limite durant un certain temps puis diminuer ensuite (oscillation autour de la courbe).

Oscillations autour de la courbeExempleLes daphnies en culture ont dépassé la capacité limite du milieu.

Le modèle prévoit que les populations atteignent la capacité limite du milieu, mais bien souvent elles demeurent en deçà du seuil à cause des facteurs abiotiques du milieu.

Effet du milieuExemple Les Bruants chanteurs de la Colombie-britannique sont tués par le froid avant de subir une véritable explosion démographique.

Taille

de

la p

opul

atio

n (N

)

Nom

bre

de fe

mel

les)

Temps (jours)

Temps (années)

11. Modèle logistique et espèces dites à sélection « r » ou « k»

1. Espèces généralement de petite taille.2. Se développent rapidement en produisant un grand nombre de rejetons en

une seule reproduction.3. Faible survie des rejetons avec population plutôt fluctuante.4. Leur taux d'accroissement tend vers r max car elles sont généralement loin de

la capacité limite du milieu. Dites à sélection r.5. Parfois qualifiées d’espèces opportunistes.

Espèces pionnières qui colonisent de nouveaux milieux aux conditions difficiles mais aussi espèces qui subissent une intense prédation

Lemmus lemmusLemming de Norvège

PissenlitCampbell (3eéd.) — Figure 52.8 : 1240

Taille

de

la p

opul

atio

n (N

)Temps (t)

Espèces de grande taille dont les rejetons ont beaucoup de chances de survie parce qu’ils privilégient de soins parentaux ou de conditions gagnantes (par exemple, un petit nombre de très grosses graines ayant de grandes réserves qui favorisent la survie des jeunes plants).

1. Espèces généralement de grande taille.2. Se développent lentement produisant, à répétition, un petit

nombre de rejetons vigoureux.3. Bonne survie des rejetons avec population plutôt stable.4. Leur taux d'accroissement tend vers 0 car les effectifs sont

près de la capacité limite du milieu. Dites à sélection K. 5. Parfois qualifiées d’espèces spécialistes.

Pan paniscusBonobo ou chimpanzé pygmée


Cocotier (Cocos nucifera)

En Australie, les populations d’insectes du genre Thrips se nourrissent de fleurs et s’accroissent rapidement au printemps. Cependant, elles diminuent abruptement avant d’atteindre la capacité limite du milieu au cours de l’été sec, moment où la plupart des fleurs meurent.

Facteurs indépendants de la densité

12. Les facteurs qui régularisent la taille des populations

Facteurs qui contrôlent la taille d’une population et dont l’effet s’exerce avec la même intensité, peu importe la densité de cette population.Facteurs relatifs à l’environnement ou facteurs abiotiques : changements saisonniers, incendies, ouragans ...

L’écologiste des populations végétales, John Harper, a découvert que la mortalité de la vulpie à glume Vulpia fasciculata est principalement imputable à des facteurs physiques qui tuent une même proportion d’individus, peu importe la densité de la population. Source

Tous les facteurs qui abaissent la natalité d’une population tout en élevant sa mortalité.

Source

Facteurs dépendants de la densité

Plus il y a d'individus, plus il y a de : de compétition (pour le territoire, la nourriture, les femelles …), de prédation (cela devient rentable énergétiquement pour les prédateurs de s'attaquer à des proies nombreuses), de maladies (la promiscuité favorise la transmission des maladies et des parasites) et de stress psychologique (affecte les taux de survie et de reproduction).

Facteurs qui contrôlent la taille d’une population et dont l’effet s’amplifie avec l’augmentation de la densité de cette population.Facteurs relatifs aux êtres vivants ou facteurs biotiques (compétition, prédation, transmission des maladies, stress psychologique… ).

Campbell : 1246 (3eéd.) — Figure 52.15

La production des graines diminue avec l’augmentation de leur densité.

Cas du Grand Plantain

La taille des couvées diminue avec l’augmentation de leur densité.

Cas du Bruant chanteur

Campbell : 1246 (3eéd.) — Figure 52.15

Baisse de la féconditéCertaines populations deviennent de moins en moins fécondes au fur à mesure que leur densité augmente car il y a plus de compétition pour les nutriments et les autres ressources.

Densité de la population de femellesTa

ille m

oyen

ne d

e la

cou

vée

Nom

bre

moy

en d

e gr

aine

s pa

r ind

ividu

repr

oduc

teur

(éch

elle

loga

rithm

ique

)

Densité de la population de plantain

Les «Fous» sans territoire ne se reproduisent pas.

Il marque son territoire.


La territorialitéDe nombreux vertébrés et quelques invertébrés limitent leur population en s'appropriant un espace physique. Le territoire est la ressource qui fait l’objet de compétition.

Cas du Guépard Cas du Fou de Bassan


La masse moyenne des plants diminue avec l’augmentation de leur densité (moins de nutriments).

Baisse de la vigueur et de la survieCertaines populations démontrent une baisse de vigueur et de survie lorsque leur densité augmente. Par exemple, les nutriments deviennent plus rares et les maladies se transmettent plus facilement.

Cas de l’Amaranthe

Les infections fongiques des Végétaux sont plus graves lorsque leur densité est grande.

Pourriture grise de la vigne (Photo Anne-Sophie Walker © INRA)

Cas du GNOU

Augmentation de la prédationUne population plus dense subit plus de prédation car cela est rentable (énergétiquement parlant) pour leurs prédateurs.

Source

Pas encore des Gnous à manger

Cas de la Souris à pattes blanches

Les facteurs intrinsèques de stressCertaines populations démontrent un syndrome intrinsèque de stress lorsque leur densité augmente.

Lorsque la population atteint une taille de 30 à 40 individus, sur une petite parcelle, un syndrome de stress se développe. Des changements hormonaux (cortisol) retardent la mâturation sexuelle, atrophient les organes génitaux et affaiblissent le système immunitaire. La population tombe de façon dramatique.

Moins de vers atteignent la maturité sexuelle avec l’augmentation de densité (par cannibalisme des œufs).

Cas des vers de farine

Peromyscus leucopus Photo by Roger W. Barbour


13. L’abondance d’une population est régulée par une interaction complexe d’influences biotiques et abiotiques

Des fluctuations irrégulières

Orignaux de l'île Royale du lac Supérieur


Toutes les populations présentent à long terme des fluctuations importantes de leurs effectifs en raison d’une interaction complexe d’influences biotiques (facteurs dépendants de la densité) et abiotiques (facteurs indépendants de la densité) qui se superposent.

Baisse due à la prédation par le loup gris (73-83)

Baisse due à un hiver rigoureux (95-96)

1960 1970 1980 1990 2000

2 500

2 000

1 500

1 000

500


Crabe dormeur de Californie

1950 1960 1970 1980 1990

730 000

100 000

10 000

Capt

ure

com

mer

ciale

(kg)

Éche

lle lo

garit

hmiq

ueFluctuations causées par :

• le cannibalisme qui augmente avec la densité

• les courants océaniques imprévisibles qui entraînent les larves trop loin au large

Des fluctuations régulières : les cycles démographiques

Plusieurs populations connaissent des cycles d’augmentation et de diminution d’une remarquable régularité.

Cycle de 10 ans du lièvre et du lynx

160

120

80

40

01850 1875 1900 1925

Lièvre d’Amérique

Lynx du Canada


Taille

des

pop

ulat

ions

de

lièvr

es

(en

milli

ers)

Taille

des

pop

ulat

ions

de

lynx

(en

milli

ers)

9

6

3

0

Ce cycle serait un effet combiné de la prédation excessive par le lynx mais aussi par d’autres prédateurs qui se tournent les uns contre les autres quand la nourriture est rare et, d’un manque de nourriture pour le lièvre en hiver.

14. La population humaine s’approche-t-elle de sa capacité limite ?


Peste

6543210

Le rythme d’accroissement de la population mondiale diminue. Selon les modèles actuels, on prévoit que le taux d’accroissement global dépassera à peine 0,4% en 2050.

Comment expliquer cela à l’aide de l’équation logistique ?

1,16% en 2003

1950 1975 2000 2025 2050 Campbell (3eéd.) — Figure 52.23 : 1250

Capacité limite de la TerreEn 1679, Anton Van Leeuwenhoek évalua que la capacité limite de la Terre était de 13,4 milliards de personnes. À l’heure d’aujourd’hui ces chiffres semblent très valables car les écologistes, actuellement, l’estime à 10 ou 15 milliards (p. 1253).

0

Milliards

Années

Rythme d’accroissement r max K - N K 2,19% d’augmentation de la

population mondiale en 1962

Transition démographique

Certaines populations humaines sont relativement stables malgré un taux de natalité élevé car elles ont un taux de mortalité très élevé. Ce sont des pays pauvres, avec peu de soins de santé et de programmes éducatifs.

Lorsque les pays se développent économiquement, les taux de natalité s’abaissent ainsi que les taux de mortalité. Les populations demeurent stables également.

Le passage d’un état démographique à un autre — transition démographique — prend de nombreuses années.

La Suède a effectué sa transition démographique en 150 ans, entre 1810 et 1960.Le MexiqueLe Mexique effectue actuellement sa transition démographique. Elle prendra environ 150 ans aussi et se terminera un peu après 2050.

Natalité

Mortalité

1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050

MexiqueSuèdeNatalité

Mortalité


La pyramide des âges (structure d'âge d’une population)

La pyramide des âges indique le pourcentage d’individus d’une population dans chacun des groupes d’âges.

• Révèle l'histoire récente des naissances et des décès.

• N’est pas statique car elle se modifie selon la démographie de la population.

• Très utile pour les démographes (et pour les gouvernements lorsqu’ils décident des grandes orientations du pays) car elle permet de prévoir la taille future d’une population (et donc ses besoins en santé, en éducation, en emplois…).

90 et plus85 à 89 ans80 à 84 ans75 à 79 ans70 à 74 ans65 à 69 ans60 à 64 ans55 à 59 ans50 à 54 ans45 à 49 ans40 à 44 ans35 à 39 ans30 à 34 ans25 à 29 ans20 à 24 ans15 à 19 ans10 à 14 ans5 à 9 ans0 à 4 ans

Milliers de personnes

350 000300 000250 000200 000150 000100 00050 000

50 000100 000150 000200 000250 000300 000350 000

Population du Québec, 1 juillet 2008

Femmes Hommes

Taille future prévisible de trois populations

Accroissement rapideAfghanistan

Accroissement lentÉtats-Unis

Décroissance Italie

Hommes Femmes

8 6 4 2 0 2 4 6 8

85+

80-8475-7970-7465-6960-6455-5950-5445-4940-4435-3930-3425-2920-2415-1910-14 5-9 0-4


8 6 4 2 0 2 4 6 88 6 4 2 0 2 4 6 8% de la population totale % de la population totale % de la population totale

85+

80-8475-7970-7465-6960-6455-5950-5445-4940-4435-3930-3425-2920-2415-1910-14 5-9 0-4

85+

80-8475-7970-7465-6960-6455-5950-5445-4940-4435-3930-3425-2920-2415-1910-14 5-9 0-4

Comment savoir si nous ne consommons pas plus que ce que la Terre peut nous donner ? On peut tenter de mesurer son empreinte écologique.

L’empreinte écologiqueL’empreinte écologique est une estimation de la superficie dont la Terre a besoin pour subvenir aux besoins d’une population selon son mode de vie.

Capacité écologique disponible (ha par personne)

Empreinte écologique (ha par personne)

0 2 4 6 8 10 12 14 16

1614

1210

8

6

4

2 0

États-Unis

AllemagnePays-BasRoyaume-UniEspagne

Japon

Norvège

SuèdeCanada

Australie

Nouvelle-Zélande


Déficit

SurplusChineInde

Les besoins écologiques des populations humaines

De la nourriture, de l’espace, des ressources renouvelables ou non telles l’eau, les combustibles fossiles et les métaux mais aussi, disposer de ses déchets (versus la capacité de la planète à les recycler). Chacun de ces besoins peut entraîner de la compétition (des luttes de pouvoir et des guerres) entre les populations des pays s’ils ne sont plus comblés !

Empreintes écologiques de quelques pays (1997)

FIN

Parties 1 et 2 :Révision du chapitre 50 : p.1198, concept 50.2

Partie 3 :Révision du chapitre 52 : pp. 1254 et 1255 Retour sur les concepts du chapitre 52 : 52.1, 52.3 à 52.6 Autoévaluations du chapitre 52 : 1 à 10

Évolution et Diversité du Vivant (101-NYA-05) Source Bernadette Féry Automne 2008 Chapitres 50 et...

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