La biodiversité et son évolution

Sur notre planète, elle est fabuleuse.
En effet, il existe sur Terre un grand nombre d’espèces dont seule une faible proportion est effectivement connue. Les composantes de cette biodiversité peuvent être décrites;nbsp&:

• par l’abondance (nombre d’individus) d’une population ;
• par l’abondance d’une espèce ;
• par l’abondance d’un plus grand taxon (par exemple : les insectes).

La biodiversité se mesure par des techniques d’échantillonnage (des spécimens ou de leur ADN).
Ces techniques permettent d’estimer le nombre d’espèces, c'est-à-dire la richesse spécifique, dans différents milieux ainsi que le nombre d’individus représentant chaque espèce.
L’échantillonnage permet d’évaluer cette biodiversité bien qu’il ne soit pas envisageable d’en observer tous les éléments.

Il faut tout d’abord choisir le plan d’échantillonnage : cela consiste à choisir de quelle manière les données seront recueillies sur le terrain. Les deux principaux types d'échantillonnage sont :

• l’échantillonnage aléatoire simple (au hasard) : on prélève au hasard et de façon indépendante «n» unités d’une population de «N» éléments ;
  

• l’échantillonnage systématique : on répartit les échantillons de manière régulière (tous les «x» mètres par exemple). On utilise un quadrillage pour le réaliser.
  

Il existe deux types de méthodes d'échantillonnage :

• la méthode relative qui indique la présence ou non d’une espèce ou encore l’abondance d’une espèce par rapport à une autre ;
• la méthode absolue qui permet de calculer la densité d’une espèce (nombre d’individus par unité de surface).

Pour échantillonner, on peut par exemple récolter les petits animaux d’un milieu grâce à des filets ou des pièges (lumineux, à phéromones…).

Si l’on réalise un échantillonnage absolu, il faut que la collecte soit minutieuse : à la main, grâce à l’aspiration de tous les individus de la zone, grâce à la cage d’émergence (elle permet de récolter les individus volants qui émergent du sol ou de l’eau) ou encore grâce à l’appareil de Berlèse.

Les animaux qui vivent dans le sol fuient la lumière et la chaleur. Ils traversent alors le tamis et tombent dans un récipient rempli d’alcool. ll est alors possible de les récupérer, les identifier et les compter.

Grâce aux échantillonnages et aux mathématiques (statistiques) on peut quantifier l'effectif d’une population (ou d’un taxon). La méthode sera vue en partie 1. C.

Un des buts des explorations scientifiques du XX^e siècle était d’évaluer et recenser des biodiversités inconnues et/ou en danger. Récolter des spécimens permettait ensuite à toute la communauté scientifique de les étudier dans des conditions de laboratoire, avec les outils appropriés.
Les campagnes antarctiques françaises sont un exemple d’exploration scientifique.
En 1961, Jean-Claude Hureau, chercheur au MNHN (muséum nationale d’histoire naturelle), mène les premiers travaux d’échantillonnage dans les mers australes et territoires antarctiques sur les poissons osseux antarctiques.
Ces travaux ont repris récemment avec d’autres équipes du MNHN et une coopération internationale.

Expédition scientifique en Antarctique

Une des dernières expéditions, nommée Mers Australes, avait pour objectif de récolter les espèces vivantes d’un secteur géographique encore inexploré.
Au cours de cette mission, la biodiversité a été échantillonnée grâce à des chaluts qui remontent à la surface toute la faune et la flore vivant près et sur les fonds océaniques. Des caméras ont permis d’observer la biodiversité à distance.

Il existe plusieurs méthodes permettant d’estimer un effectif à partir d’échantillons. L’outil mathématiques est utilisé.

La méthode de « capture-marquage-recapture » (CMR) repose sur des calculs effectués sur un échantillon. Cette méthode est couramment utilisée en écologie pour estimer la taille d'une population animale.

On veut estimer la taille N d’une population. On capture M individus dans cette population. On marque ces M individus puis on les relâche dans leur milieu.
On note p la proportion d’individus marqués dans la population totale : .

Plus tard, on capture un échantillon de n individus et on compte le nombre m d’individus marqués dans cet échantillon.
On note f la proportion d’individus marqués dans l’échantillon capturé : .

On suppose que le nombre d'individus marqués dans l’échantillon (seconde capture) est proportionnel au nombre total d’individus marqués dans la population totale.
Les proportions d’individus marqués sont ainsi les mêmes dans l’échantillon et dans la population totale.
f = p donc : .
L’effectif de la population totale s’obtient par le calcul d’une quatrième proportionnelle :

Avec : M = total d’individus capturés la 1ère fois et marqués ; N = population totale (notre inconnue) ; m = nombre d’individus marqués recapturés ; n = nombre total d’individus recapturés.

En mathématiques, lorsque l’on étudie un caractère sur plusieurs échantillons de même taille d’une même population, on peut observer que les résultats ne sont pas identiques selon les échantillons. Ce phénomène s’appelle la fluctuation d’échantillonnage.

Quand la taille de l’échantillon augmente, la fluctuation diminue. Plus la taille de l’échantillon est grande, plus la distribution des fréquences est resserrée, proche de la valeur théorique des fréquences de l’expérience aléatoire.

À partir d’un seul échantillon, l’effectif d’une population (N) peut être estimé à l’aide d’un intervalle de confiance.
Un théorème de mathématiques permet de quantifier le niveau de confiance que l’on peut accorder à l’estimation de N en fonction de la taille de n.
Pour de grandes valeurs de n, un intervalle de confiance : I_c de p, au niveau de confiance de 95%, peut être donné par la formule :

Rappel : .

Cela veut dire que si on répète un grand nombre de fois la capture d’un échantillon de taille n, alors dans au moins 95% des cas, p appartient à l’intervalle de confiance.
Connaître l’intervalle de confiance I_c permet d’encadrer la valeur de p, puis celle de N, avec un niveau de confiance de 95%.

L’estimation de N est donc toujours assortie d’un niveau de confiance strictement inférieur à 100% en raison de la fluctuation des échantillons.
Pour un niveau de confiance donné, l’estimation est d’autant plus précise que la taille de l’échantillon est grande.

La loi de Hardy-Weinberg, découverte de manière indépendante au début du XXème siècle par deux scientifiques : Hardy et Weinberg, décrit les relations entre les fréquences génotypiques et les fréquences alléliques.
Au cours de l’évolution biologique, la composition génétique des populations d’une espèce change de génération en génération.
Appliquons le modèle mathématique de Hardy-Weinberg, qui utilise la théorie des probabilités, pour décrire le phénomène aléatoire de transmission des allèles dans une population.

Prenons l’exemple de deux types d’allèles, notés A et a, d’un même gène.
Lors de la formation d’un nouvel organisme, ce dernier reçoit, pour chaque gène, deux versions ou allèles, chaque allèle provenant d’un des deux parents.
La combinaison de ces allèles forme son génotype qui peut être A//A, a//a ou A//a.
Pour simplifier l’étude, on retient les hypothèses suivantes :

• la population est de grande taille ;
• le choix du partenaire sexuel se fait au hasard au sein de la population (panmixie) ;
• il n’y a pas de migration possible ;
• il n’y a pas de mutation génétique ;
• il n’y a pas de sélection naturelle ;
• les générations sont séparées (pas d’union possible entre des individus de générations différentes).

Nous allons étudier l’évolution du génotype et des allèles d’une génération à la suivante.
On étudie l’évolution des proportions des trois génotypes et des deux allèles.
On note :

• p_n la proportion de génotypes A//A de la génération n ;
• q_n la proportion de génotypes A//a ;
• r_n la proportion de génotypes a//a.

Pour tout entier naturel n, les trois nombres p_n, q_n, r_n sont donc compris entre 0 et 1 et vérifient p_n + q_n + r_n = 1.
On note également :

• A_n la proportion d’allèles A de la génération n ;
• a_n la proportion d’allèles a de la génération n.

Pour tout naturel, les deux nombres A_n et a_n sont donc compris entre 0 et 1 et vérifient a_n + A_n = 1.
La transmission des allèles de la génération n à la génération n + 1 peut être représentée par un tableau.

Le génotype A//A à la génération n + 1 ne peut provenir que de deux allèles A et A de la génération n.
La probabilité du génotype A//A à la génération n + 1 est donc le produit des probabilités de chaque allèle A à la génération n.
p_n + 1= A_n × A_n = A_n²
Pour la même raison : r_n + 1= a_n²
Et q_n + 1= 2A_n × a_n

Soit N le nombre total d’individus à la génération n. Chaque individu possédant deux allèles pour le caractère, alors le nombre total d’allèles à la génération n est 2N.
La proportion d’individus A//A à la génération n étant égale à p_n , il y a donc p_n × N individus A//A, ce qui correspond à 2 × p_n × N allèles A (puisque chaque individu possède 2 allèles A).
La proportion d’individus A//a étant égale à q_n, il y a donc q_n × N individus A//a, ce qui correspond à q_n × N allèles A (puisque chaque individu possède 1 seul allèle A).
Le nombre total d’allèles A à la génération n est donc égal à :
2 × p_n × N + q_n × N.

D’où la proportion A_n d’allèles A parmi la totalité des 2N allèles :

En raisonnant de même pour a_n :

On a finalement :

D’où les relations entre les proportions génotypiques de la génération n et de la génération n + 1 :

Selon le modèle de Hardy-Weinberg, les probabilités des génotypes sont constantes à partir de la seconde génération.

En assimilant les probabilités à des fréquences pour des effectifs de grande taille (loi des grands nombres), le modèle prédit que la structure génétique d’une population de grand effectif est stable d’une génération à l’autre sous certaines conditions (absence de migration, de mutation génétique et de sélection naturelle).

Cette stabilité théorique est connue sous le nom d’équilibre de Hardy-Weinberg.

Selon l’équilibre de Hardy-Weinberg, dans une population de taille infinie, en l’absence de sélection naturelle et de mutation génétique, les fréquences alléliques sont stables au cours des générations.
Mais dans une population de taille finie, elles vont varier de manière aléatoire.
Lors de la formation des gamètes, il y a une variabilité du tirage aléatoire des allèles.
En effet, lors de la séparation des chromosomes homologues, il y a une répartition au hasard des chromosomes dans chaque gamète.
Si un individu n’a qu’un seul descendant, il lui transmet un seul des deux allèles de chacun de ses gènes. Pour qu’il puisse transmettre la totalité de ses allèles, il faudrait que son nombre de descendants tende vers l’infini.
A l’échelle de la population, certains allèles vont donc être moins transmis que d’autres, de manière aléatoire. Certains allèles peuvent même ne pas être transmis du tout et ainsi disparaître. D’autres, au contraire, vont s’imposer. Ce phénomène est caractéristique de la dérive génétique.

La dérive génétique est un mécanisme aléatoire qui modifie la fréquence des allèles d’un gène dans la population en l’augmentant ou en la diminuant.

On peut simuler à l’aide d’un logiciel l’évolution de la fréquence allélique A sur une population de faible effectif ou de grand effectif sur 100 générations (Cf logiciel en ligne).

Paramètres de la modélisation :

• 2 allèles : A et B
• Fréquence initiale de l’allèle A : 50%
• Effectif : 25
• Nombre de générations : 100
• 4 simulations : 4 courbes de couleur différente

Capture d'écran d'un logiciel de simulation permettant de montrer l'impact de la dérive génétique sur une population de faible effectif
Source : https://www.pedagogie.ac-nice.fr/
Version HTML5/JS : Raphaël, Auteur : Philippe Cosentino

On constate que les courbes, qui représentent la variation de la fréquence de l’allèle A sur 100 générations, sont très différentes les unes des autres. Chaque courbe évolue de manière aléatoire.
Par ailleurs, l’évolution de la fréquence allélique A est rapide.

Paramètres de la modélisation :

• 2 allèles : A et B
  
• Fréquence initiale de l’allèle A : 50%
• Effectif : 10000
• Nombre de générations : 100
• 4 simulations : 4 courbes de couleur différente

Capture d'écran d'un logiciel de simulation permettant de montrer l'impact de la dérive génétique sur une population de grand effectif
Source : https://www.pedagogie.ac-nice.fr/
Version HTML5/JS : Raphaël, Auteur : Philippe Cosentino

On constate que chaque courbe évolue globalement de la même manière. La fréquence de l’allèle A sur 100 générations, dans une population de 10000 individus, s'éloigne peu de 50%.

Le phénomène de dérive génétique est d’autant plus marqué que l’effectif de la population est faible et conduit à une perte de diversité génétique de la population.

Si on ajoute au phénomène de dérive génétique, les possibles mutations génétiques dues au hasard et le phénomène de sélection naturelle, les écarts entre les fréquences alléliques observées sur une population naturelle et les résultats du modèle de Hardy-Weinberg s’expliquent.

Les micro-plastiques (fragments < 5 mm) flottent dans nos océans. Ils peuvent provenir de la fragmentation des macro-plastiques.
Ce type de pollution est peu visible, et les fragments peuvent persister jusqu’à 1000 ans dans le milieu marin. Ils libèrent donc longtemps dans l’eau les substances chimiques nocives qui les composent (additifs, polymères du plastique, etc.).
Certains êtres vivants sont confrontés directement à la pollution aux micro-plastiques. Par exemple, une baleine filtre 70000 litres d’eau chaque fois qu’elle ouvre la bouche.
Les micro-plastiques sont aussi ingérés par les premiers maillons de la chaîne alimentaire (plancton, petits poissons, organismes filtreurs) et les contaminent.
Ces derniers étant mangés par de plus gros organismes, la contamination se fait via les chaînes alimentaires car les micro-plastiques et leurs substances toxiques ne se dégradent pas et s’accumulent. Ce phénomène se nomme la bioaccumulation.

La concentration en substances toxiques en fin de chaîne est souvent plus élevée que dans le milieu.
N’oublions pas que l’homme est au bout de cette chaîne alimentaire et que cette contamination aux substances toxiques contenues dans les micro-plastiques pourrait avoir des conséquences néfastes sur notre santé.

Les macro-déchets ont eux un impact direct et visible. Environ un million d’oiseaux marins et 100;nbsp&000 tortues et mammifères marins meurent chaque année de cette pollution.
Ils succombent souvent après avoir ingéré des éléments plastiques en les confondant avec des proies ( exemple; : la tortue qui confond le sac plastique avec une méduse).
La pollution causée par les différentes formes du plastique a donc une influence négative sur la biodiversité.

Bornéo, une île d'Asie du sud-est est un des derniers endroits au monde où vivent encore des orangs-outans à l'état sauvage (actuellement ils ne sont plus que 70 000 à 100 000 individus).
Les orangs-outans de Bornéo figurent sur la liste rouge des espèces menacées d’extinction.

Femelle orang-outan et son petit, île de Bornéo

Une étude a démontré que 148 500 orangs-outans ont disparu entre 1999 et 2015.
La moitié aurait été décimée à cause de la déforestation et l’expansion des cultures du palmier à huile.
Ces activités humaines participent à la destruction de l’écosystème dans lequel évolue les orangs outans.
25 % des forêts du territoire de Bornéo auraient disparu depuis 1980.
Par conséquent, leur habitat étant détruit, les orang-outans fuient, ne trouvent plus leur nourriture et peuvent mourir.

Schwaner de l’ouest et de l’est sont des zones ayant subi une forte déforestation depuis 1999. Les populations d’orangs-outans de ces zones ont fortement diminué depuis 1999. Le déclin va se poursuivre si l’homme ne modifie pas ses actions.
Par certaines de ses actions, l’homme a donc un impact négatif sur la biodiversité.

La surexploitation correspond au prélèvement d’une ressource qui dépasse sa capacité à se régénérer naturellement.
La surpêche et la chasse excessive d’animaux sauvages sont deux exemples de surexploitation de la faune.
Le pangolin, petit mammifère très prisé pour ses écailles qui auraient des vertus médicinales en médecine chinoise, est aujourd’hui l’animal le plus braconné au monde. Plus d’un million ont été tués ces dix dernières années.
Victimes de surexploitation, les 7 espèces de pangolin sont en danger et inscrites sur la liste rouge des espèces menacées d’extinction.

Pangolin à la recherche de fourmis

Selon les scientifiques, la disparition des pangolins modifierait l’écosystème des forêts tropicales, en augmentant les populations de fourmis et de termites dont ils se nourrissent.

Les activités humaines, via la pollution, la destruction des écosystèmes, les combustions et leurs impacts climatiques, la surexploitation d’espèces, ont des conséquences sur la biodiversité et ses composantes (dont la variation d’abondance) et conduisent à l’extinction d’espèces.

La Tanzanie est très visitée pour ses parcs nationaux qui regroupent une grande diversité spécifique.

Il y a notamment 2 parcs proches l’un de l’autre : le parc du Serengeti et le parc de Ngorongoro (cratère d’un ancien volcan) qui abritent chacun une population de lions.

Lionceaux dans le Parc National du Serengeti en Tanzanie

Safari dans le Parc National du Ngorongoro en Tanzanie

Les lions du cratère Ngorongoro forment une population d’une centaine d’individus, tous issus à l’origine de la population voisine du parc du Serengeti.

Les lions du parc de Serengeti forment une population d’environ 3000 individus. Ils vivent isolés dans leur écosystème. Il n’y a aucun échange avec les lions du parc de Serengeti.

En 1962 une grave maladie décime une bonne partie de la population des lions du cratère du Ngorongoro. Seuls une dizaine d’individus survivent. La diversité génétique chute inévitablement.

En 1975, la population retrouve sa taille initiale. Cependant des études scientifiques ont constaté que la diversité génétique continuait de diminuer.

En 1990, on mesure les fréquences des allèles de 4 gènes chez les lions du Seregeti et chez ceux du Ngorongoro.

Grâce à des échantillons de sang, les chercheurs ont estimé, pour 3 gènes, le nombre d’allèles présents dans chaque population et la fréquence de ces allèles.

On constate que la diversité génétique des lions du parc du Ngorongoro est beaucoup plus faible que celle du parc du Serengeti.

Pourtant les 2 milieux de vie sont quasi identiques (donc pas de pression exercée par le milieu : pas de sélection naturelle).

Ces différences de diversité génétique s'expliquent seulement par le phénomène de dérive génétique.

La fragmentation d’une population en plusieurs échantillons de plus faibles effectifs entraîne par dérive génétique un appauvrissement de la diversité génétique d’une population.

La connaissance et la gestion d’un écosystème permettent d’y préserver la biodiversité.

La réintroduction d’espèces animales ou végétales dans leur milieu naturel est une des stratégies mises en œuvre par la biologie de la conservation. Elle a pour objectif de restaurer les populations ayant disparu de leur milieu naturel.

Exemple
Le gypaète barbu est un grand rapace des régions montagneuses d’Europe. Il a disparu des Alpes au XX^e siècle à cause de la forte pression humaine (chasse, empoisonnement, dégradation de son milieu, etc.).

Gypaète barbu

Gypaète barbu en vol

En 1978, un projet de réintroduction voit le jour. Grâce au programme d’élevage mis en place dans plusieurs parcs zoologiques, entre 1986 et 2012, 186 oiseaux nés en captivité ont été réintroduits dans les Alpes.
Aujourd’hui, l’espèce parvient à se reproduire dans son milieu naturel. Plus de 140 gypaètes seraient présents dans les Alpes.

Suite au déclin rapide d’une population, la mise en place d’un plan de renforcement a pour but d’éviter l’extinction de l’espèce.

Exemple
Dans les Pyrénées, la population d’ours bruns a fortement chuté depuis le début du XX^e siècle, à cause des actions humaines (chasse, destruction de son habitat…). En 1992, seuls une dizaine d’ours vivaient encore dans les Pyrénées occidentales.

Ours brun dans les montages pyrénéennes

A partir de 1996, un plan de renforcement est mis en place. On relâche de nombreux ours dans les Pyrénées.
Actuellement, on a recensé une quarantaine d’ours bruns. Mais cette population est très fragile. On estime qu’il faudrait au moins atteindre 50 ours bruns pour que la population soit viable.

Pour protéger les populations à faible effectif, d’autres mesures de protection sont prises :

• lutter contre le braconnage ;
• protéger l’habitat ;
• communiquer avec les populations pour expliquer l'intérêt de protéger l’espèce.

Exemple
Le chimpanzé est une espèce protégée car sa population a chuté depuis le début du XX^e siècle.
Le chimpanzé vit en communauté dans les savanes, les zones boisées, herbeuses et les forêts humides.

Chimpanzé dans la forêt en RDC

Au début du XX^e siècle, ses effectifs s’élevaient à près de 2 millions. Aujourd’hui, ils ne dépassent pas les 500 000 individus. L’espèce est classée sur la liste des espèces « en danger ». Son déclin est causé par la dégradation de son habitat (déforestation pour permettre l’exploitation minière, l’agriculture, l’aménagement du territoire) et par le braconnage (en Afrique, sa viande est consommée).
Une étude menée au Congo a montré que les prélèvements de chimpanzé dépassent de 5 à 7 % l’augmentation annuelle de la population.
Pour protéger les chimpanzés, des associations mettent en œuvre de nombreuses actions comme le renforcement et la gestion des zones protégées ou encore l’éducation et la communication avec les populations pour limiter le braconnage.

Est-il possible d’inverser le processus de dégradation des écosystèmes tout en gérant les services qu’ils fournissent ? C’est un grand défi ! Mais réalisable.

La connaissance et la gestion d’un écosystème permettent d’y préserver la biodiversité.