Fig. 1 - La forêt tropicale.La Terre abrite un vaste éventail de plantes, d'animaux et de micro-organismes différents qui se battent pour survivre dans des conditions toutes plus variées les unes que les autres, allant des forêts tropicales denses aux déserts arides de l'Afrique subsaharienne. La biodiversité englobe la multitude d'écosystèmes dans le monde et la diversité au sein des différentes espèces qui y résident. Une plus grande biodiversité mondiale est bénéfique pour l’espèce humaine, car plus d'un tiers de la population mondiale dépend de la biodiversité marine ou côtière pour son emploi et sa survie. Elle assure au monde une sécurité alimentaire durable, et fournit également des informations vitales pour la recherche médicale (25 % des médicaments utilisés dans la médecine moderne sont dérivés de plantes de la forêt tropicale !).
La biodiversité des écosystèmes
La biodiversité mesure la variation des différentes espèces et du patrimoine génétique. Une plus grande biodiversité (un large éventail d'espèces, d'habitats et de réservoirs génétiques différents) se traduit par des communautés et des écosystèmes prospères. La biodiversité a un impact bénéfique sur la santé de la planète, car de nombreuses espèces et habitats dépendent d'autres espèces pour prospérer. Les écosystèmes, les espèces et les individus constituent les trois échelles de la biodiversité.
Écosystème : un système dynamique, relativement autonome, qui comprend plusieurs communautés (facteurs biotiques) et leur environnement (facteurs abiotiques). Il existe deux grands types d'écosystèmes : les écosystèmes aquatiques et les écosystèmes terrestres. La biodiversité des écosystèmes, quant à elle, concerne la variation des habitats disponibles dans une certaine zone ainsi que des espèces qui y vivent.
Ne pas confondre écosystème et communauté ! Une communauté est un groupe d'organismes qui vivent dans le même habitat et qui interagissent entre eux. Les communautés sont souvent confondues avec les écosystèmes : un écosystème décrit la communauté ainsi que l'environnement physique et chimique dans lequel les organismes résident.
Passons maintenant en revue quelques sujets principaux en lien avec la biodiversité.
La biodiversité spécifique
La biodiversité spécifique (également diversité spécifique, ou diversité des espèces) représente le nombre d'espèces différentes dans une communauté, ainsi que la concentration et la propagation de ces espèces. Une plus grande diversité d'espèces aide les écosystèmes à survivre aux changements environnementaux inattendus et à être mieux équipés pour faire face à l'introduction d'une nouvelle espèce de prédateurs ou de parasites porteurs de maladies. La richesse en espèces (ou richesse spécifique) est une mesure de la diversité des espèces, mais elle n'indique que le nombre d'espèces différentes dans une zone donnée. Il faudrait également mesurer la densité et la répartition de la population de chaque espèce pour avoir une idée des relations entre les différentes espèces et du fonctionnement de l'écosystème.
La richesse spécifique désigne le nombre d'espèces différentes présentes dans une zone donnée à un moment donné.
Diversité génétique : variation et taille du réservoir génétique (ou pool génétique) dans une communauté.
L'élévation du niveau des mers, l'acidification et l'augmentation de la salinité de l'eau liés au réchauffement climatique endommagent les habitats utilisés pour la reproduction ainsi que la croissance des juvéniles, ce qui oblige ces espèces à migrer.
Indice de diversité des espèces
L'indice de diversité mesure le nombre d'espèces différentes dans une communauté (la biodiversité spécifique) et la façon dont elles contribuent à la survie des autres espèces qui vivent avec elles dans cette communauté par le biais de diverses relations mutuellement bénéfiques et nuisibles.
La formule pour mesurer l'indice de diversité est la suivante :
Où :
D : indice de diversité
N : nombre total d'organismes de toutes les espèces
n : nombre total d'organismes d'une espèce
Σ : somme pour chaque espèce
La crise de la biodiversité
De nombreuses menaces anthropiques et naturelles pèsent sur la biodiversité, notamment la modification des habitats, les catastrophes naturelles, les espèces envahissantes, l'apport excessif de nutriments, la pollution et le changement climatique, pour en nommer quelques unes.
Anthropique : lié à l'activité humaine.
La modification des habitats
Les habitats dont dépendent les espèces peuvent changer de manière soudaine ou progressive, en raison de causes naturelles ou d'impacts humains. Les changements saisonniers affectent souvent l'habitat en raison de la modification du taux de précipitation, provoquant des inondations ou des sécheresses, et la migration de proies ou d'espèces entretenant des relations mutuellement bénéfiques.
Fig. 2 - Un récif corallien partiellement blanchi.Un exemple intéressant de relation mutuellement bénéfique entre les organismes d'un écosystème est la relation symbiotique entre les polypes coralliens qui constituent l'exosquelette calcaire du récif corallien et les zooxanthelles (algues dinoflagellées) qui y sont fixées. Les zooxanthelles, qui contiennent un pigment coloré, fournissent aux polypes coralliens les nutriments essentiels à la construction de la structure du récif. Le stress thermique lié à l'augmentation de la température de l’eau lors de périodes anormalement chaudes amène les polypes coralliens à expulser les zooxanthelles, ce qui décolore le corail et fragilise son exosquelette. Ce phénomène est appelé le blanchiment du corail.
Fig. 3 - La déforestation, un enjeu mondial.
La déforestation est un autre phénomène anthropique qui menace la biodiversité. L'extraction de bois, la création de champs et de pâturages ainsi que la construction de routes et de villes nouvelles sont toutes des activités humaines qui empiètent sur les forêts du monde entier, réduisant les habitats disponibles pour d'innombrables espèces et privent l'espèce humaine de ressources potentielles qui n'ont pas encore été découvertes, y compris de nouveaux médicaments. Selon les Nations Unies, le taux mondial de déforestation était estimé à 10 millions d'hectares entre 2015 et 2020 (Source : ONU Info, 2020).
De plus, l'exploitation minière, les processus agricoles et bien d'autres activités humaines ont toutes un impact considérable sur les écosystèmes du monde entier en détruisant les habitats qui y sont associés.
Les catastrophes naturelles
Les catastrophes naturelles telles que les tremblements de terre, les ouragans, les feux de forêt, les tsunamis ou les éruptions volcaniques, ainsi que des événements liés au changement climatique, peuvent survenir dans de nombreuses régions du monde. L'événement de Tongouska de 1908, une explosion de météorite dans l'atmosphère, est la plus grande catastrophe naturelle enregistrée à ce jour. Heureusement, ayant eu lieu dans une partie du monde relativement inhabitée, celle-ci n'a causé que peu de pertes humaines. Bien que l'explosion atmosphérique de cette météorite n'ait pas créé de cratère, l'image ci-dessous illustre une des conséquences de l'impact direct d'une météorite avec la Terre.
Fig. 4 - Cratère d'impact de météorite en Arizona, États-Unis.
Extinction massive : événement catastrophique au cours duquel un grand nombre et une grande variété d'espèces disparaissent. Un exemple de phénomène d'extinction est l'extinction du Crétacé-Paléogène, lorsque la totalité de la population de dinosaures de la planète s'est éteinte.
Les espèces envahissantes
Les espèces étrangères introduites dans une communauté peuvent avoir des effets néfastes sur les autres espèces présentes dans l'écosystème. Cela peut être lié à une concurrence supplémentaire pour la nourriture, à un nouveau prédateur ou même à l’introduction de maladies.
Fig. 5 - Le lapin européen.
Un exemple en est le lapin européen introduit en 1800 en Australie. En raison du manque de prédateurs, cette espèce a connu une explosion démographique très rapide. Ce petit mammifère étant très vorace, son introduction a causé des dégâts considérables aux cultures agricoles. De ce fait, il a été décidé de relâcher intentionnellement un virus appelé myxome pour tenter de contrôler la population. Toutefois, en raison du phénomène de résistance génétique, ceci n'a eu d'effet que de manière temporaire. Des programmes de recherche sont en cours pour tenter de trouver une solution à ce problème.
Espèce endémique : à l'opposé d'une espèce envahissante, il s'agit d'une espèce naturellement liée à une zone géographique donnée.
Les espèces clés sont des espèces qui ont un effet considérable sur le reste de la communauté par rapport à leur nombre.
L'apport excessif de nutriments
L'utilisation accrue d'engrais par les exploitations agricoles peut réduire la biodiversité dans les champs environnants. Le ruissellement de l'azote et du phosphore peut également provoquer l'eutrophisation des rivières voisines, ce qui est néfaste pour la plupart des espèces sauvages.
L'eutrophisation est l'augmentation excessive de la teneur en nutriments dans des masses d'eau. Cette augmentation entraîne la prolifération de certaines populations de plantes aquatiques, ce qui entraîne une consommation anormalement élevée de l'oxygène dissous dans l'eau et met en danger les animaux qui en dépendent, tels que les poissons.
La pollution
L'azote atmosphérique peut également endommager les rivières et les lacs en entraînant une eutrophisation ; le soufre peut entraîner un excès d'acide dans les lacs ; l'ozone endommage les feuilles des plantes ; et les composés de métaux lourds émis par les voitures peuvent s'accumuler dans les plantes et les animaux.
Les prédateurs supérieurs sont parmi les animaux les moins vulnérables, mais ils peuvent être gravement affectés par les microplastiques ! Ils se situent au sommet de la chaîne alimentaire et reçoivent donc des microplastiques de tous les niveaux trophiques par ingestion directe et transfert trophique. Ces microplastiques peuvent potentiellement avoir un impact sur le comportement et les hormones des animaux, réduisant ainsi leur capacité de survie et augmentant le taux de mortalité des espèces.
Taux naturel d'extinction : le nombre attendu d'espèces qui disparaissent au cours d'une certaine période en raison de causes naturelles ; l'interaction humaine a considérablement augmenté ce taux.
Trophique : en lien avec l'alimentation.
Savais-tu que le lavage des vêtements synthétiques et le rejet de l'eau de lavage dans la nature constitue une source majeure mais méconnue de pollution par les microplastiques (dans ce cas, appelés microfibres) dans le monde ?
Fig. 6 - Les conséquences de la pollution des océans par les matières plastiques.
Le changement climatique
Fig. 7 - L'ours polaire est directement menacé par la fonte de la banquise.Le changement climatique a un impact négatif sur la température et les phénomènes météorologiques. Cela peut donc potentiellement réduire la biodiversité des écosystèmes par le biais des sécheresses, des incendies de forêt, de la fonte des banquises, de diverses catastrophes naturelles, et peut même pousser certains animaux à migrer loin de leurs habitats originels à la recherche de zones plus fraîches. Depuis le siècle dernier, les glaciers et de grandes zones de banquise connaissent une fonte accélérée due au réchauffement climatique causé par l'augmentation du taux de gaz carbonique et d'autres gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Ce phénomène cause l'augmentation du niveau des océans ainsi que la perte d'habitat pour de nombreuses espèces endémiques à ces zones de banquise.
La biodiversité et son évolution
Il est important de maintenir la biodiversité afin que les espèces et les habitats de ces communautés puissent prospérer, car ils dépendent les uns des autres. Cependant, la biodiversité influence le monde de bien d'autres manières :
Le maintien de la biodiversité préserve également la beauté du monde qui nous entoure. Moralement, les humains devraient mieux protéger la planète sur laquelle ils vivent.
Sur le plan économique et scientifique, les écosystèmes peuvent être bénéfiques pour le monde entier. Les plantes, les champignons et les bactéries ont été à l'origine de nombreuses découvertes, et la faune et les parcs nationaux sont des attractions touristiques dans de nombreux pays.
La biodiversité est utile à l'agriculture, car la plupart des cultures qui poussent dans les fermes ont une très faible diversité génétique et sont sensibles aux maladies. Les cultures sauvages environnantes apportent une diversité génétique grâce à des allèles résistants aux maladies qui sont partagés lors de croisements.
En raison des menaces qui pèsent sur la biodiversité et qui ont été évoquées précédemment, la biodiversité diminue dans les communautés du monde entier. L'espèce humaine peut contribuer à remédier à cette situation de différentes manières :
Adopter un mode de vie durable - nous pouvons contribuer à lutter contre le changement climatique en adoptant un mode de vie plus durable, en réduisant la conduite automobile et en améliorant l'efficacité énergétique de nos habitations. En réduisant notre empreinte carbone, nous contribuons également à limiter le réchauffement de la planète.
La recherche sur la biodiversité
Mesure de diversité
Fig. 8 - Une molécule d'ADN.
L'ADN de diverses espèces peut être extrait, puis analysé par ordinateur pour déterminer la séquence précise des nucléotides.
Étude de la diversité de l'ADN et de l'ARN
L'extraction de l'ADN est facilitée par le fait que chaque nucléotide est marqué par une bande de couleur fluorescente différente - l'adénine est verte, la thymine est rouge, la cytosine est bleue et la guanine est jaune. Nous pouvons ensuite comparer les séquences génétiques de différents animaux et voir à quel point ils sont proches les uns des autres. En effet :
des ensembles similaires de séquences génétiques nous indiquent que les animaux sont étroitement liés ;
un pourcentage plus élevé de similarité entre les séquences d'ADN correspond à une relation plus étroite entre les organismes ;
les animaux ayant les mêmes ancêtres évolutifs ont partagé la même séquence génétique, mais les mutations au fil du temps ont modifié cette séquence petit à petit ;
deux organismes ayant des séquences génétiques similaires ont dû évoluer assez récemment pour former de nouvelles espèces ;
l'analyse de l'ADN est donc extrêmement utile pour découvrir l'histoire de l'évolution des organismes et les relations qui existent entre eux ;
l'étude de l'ADN mitochondrial est très bénéfique pour les scientifiques, car les croisements sont minimes dans l'ADN Mt, de sorte que les schémas évolutifs sont beaucoup plus clairs ;
l'ARN mitochondrial est souvent utilisé dans l'analyse de l'ADN car il est très facile à extraire et peut être utilisé pour produire un brin d'ADN complémentaire (ADNc), identique au brin matrice original de l'ADN. Cet ADNc peut ensuite être utilisé pour produire un autre brin complémentaire identique au brin codant de l'ADN d'origine.
Le rôle des caractéristiques observables sur la diversité
La méthode originelle de comparaison des espèces consiste à observer leurs caractéristiques. Cette méthode n'est pas très fiable car les différences génétiques ne peuvent être que supposées à l'aide de cette technique, car nous savons maintenant que les animaux présentent des caractéristiques spécifiques grâce à plusieurs gènes et allèles différents de ces gènes. Même l'environnement dans lequel ils vivent peut avoir un impact sur ces caractéristiques au fil du temps. Le principal problème est que de nombreuses espèces présentent des caractéristiques similaires, de sorte que des recherches supplémentaires doivent être menées pour les différencier.
Voici quelques exemples de ces caractéristiques :
nombre et type de membres ;
nombre de pétales, de feuilles, de graines et de branches ;
fourrure/peaux/ailes/antennes ;
motifs sur le corps/tige/pétales/feuilles ;
couleur ;
l'habitat dans lequel ils résident ;
modèles d'émigration ;
les habitudes alimentaires.
Étude de la séquence des acides aminés
L'analyse des séquences d'acides aminés d'une même protéine chez différents animaux peut nous montrer à quel point ils sont proches. Ces différences de séquence d'acides aminés font que la protéine fonctionne différemment, ce qui peut être vital pour la survie de l'espèce.
Les mutations peuvent conduire à une meilleure adaptation de l'espèce à son environnement (survie du plus apte). Et plus deux séquences d'acides aminés entre deux animaux sont similaires, plus ils sont proches.
Les résultats obtenus à partir de l'extraction d'acides aminés sont beaucoup plus utiles que ceux de l'extraction d'ADN, car il existe 20 acides aminés différents contre seulement quatre bases différentes, et les sections non codantes de l'ADN peuvent donner des résultats insignifiants.
Enquête quantitative utilisée pour le calcul de la biodiversité
L'investigation quantitative permet de recueillir et d'analyser des données numériques, présentées sous forme de graphiques et de tableaux, puis observées ou soumises à divers tests statistiques afin de tester des relations, de formuler des hypothèses et de faire des prédictions pour des populations plus importantes.
Hypothèses
Il existe trois types d'hypothèses : nulle, unilatérale (une queue) et bilatérale (deux queues).
✔ L'hypothèse nulle prédit qu'il n'y aura pas de différence entre les populations spécifiques. Toute différence est due à une erreur expérimentale ou d'échantillonnage.
✔ Une hypothèse unilatérale prédit que les résultats vont dans une seule direction, le résultat est soit plus grand, soit plus petit.
✔ Une hypothèse bilatérale prédit qu'il y aura un effet d'une variable ; cependant, elle ne précise pas si l'effet est, par exemple, supérieur ou inférieur.
Prenons l'exemple hypothétique des bancs de mousse. La question de recherche est la suivante : l'étude vise à déterminer si les bancs de mousse des forêts lituaniennes sont en déclin ou en expansion au fil du temps.
Quelles sont donc les hypothèses ?
Hypothèse nulle : il n'y a pas de changement dans la superficie des lits de mousse (ce qui signifie qu'il n'y a ni expansion ni déclin).
Hypothèse unilatérale : les lits de mousses s'étendent dans le temps.
Hypothèse bilatérale : la superficie des lits de mousse va changer.
Le test du chi carré de Pearson est utilisé pour déduire une différence significative entre les valeurs attendues et les valeurs observées d'un ensemble de données catégorielles.
Types de recherche quantitative
La recherche corrélationnelle consiste à comparer les variables que tu étudies afin de discerner toute relation entre elles.
La recherche descriptive produit un résumé global des variables étudiées plutôt qu'une analyse approfondie.
Dans la recherche expérimentale, les hypothèses et les relations de cause à effet entre les variables sont testées systématiquement.
La recherche causale-comparative est utilisée pour voir si une relation de cause à effet existe entre deux variables.
Recherche qualitative
La recherche qualitative concerne les données non numériques, telles que les entretiens, les documents et les observations. Les résultats de la recherche qualitative sont utilisés pour mieux comprendre les opinions, les relations, les comportements et les états psychologiques des gens.
Avantages de la recherche quantitative par rapport à la recherche qualitative :
- Comparaison - des études peuvent être menées sur divers échantillons, puis les résultats peuvent être comparés pour tester les relations entre différents groupes.
- Réplication exacte - des expériences identiques peuvent être réalisées grâce à la nature très structurée de la recherche quantitative, ce qui augmente la fiabilité des résultats.
- Grands échantillons - les données peuvent être collectées à partir de grands échantillons dans la recherche quantitative. En revanche, la collecte de grands échantillons dans la recherche qualitative est plus difficile car les résultats sont plus subjectifs et plus longs.
- Analyse statistique - l'utilisation de procédures avérées de test d'hypothèses et de diverses formules d'analyse statistique nous permet de mieux comprendre la relation entre les variables.
Biodiversité - Points clés
- La biodiversité est la mesure de l'abondance et de la répartition des différentes espèces, ainsi que de la taille de leur patrimoine génétique et des habitats dont elles disposent.
- Une plus grande biodiversité est importante pour le maintien des écosystèmes dans le monde entier et a un impact positif sur l'environnement et la population humaine.
- La biodiversité, pourtant essentielle à la survie de l'espèce humaine, est menacée au niveau mondial par une multitude d'activités anthropiques.
- La diversité entre les espèces peut être étudiée par le calcul de l'indice de diversité, l'étude des caractéristiques observables, la séquence d'ADN et les séquences d'acides aminés.
- La recherche quantitative consiste à recueillir des données numériques qui sont ensuite analysées et introduites dans des tableaux et des graphiques afin de déduire s'il existe une relation entre les variables.
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