Écologie : chapitre 10 : Mesure de le Biodiversité - Concept de Disparité

Quelle est l’origine du terme biodiversité ?

Le terme biodiversité est une contraction de diversité biologique. Il désigne la variabilité des organismes vivants de toute origine, incluant les écosystèmes terrestres, marins, aquatiques, et les complexes écologiques dont ils font partie.

La biodiversité comprend : la diversité au sein des espèces, entre les espèces, entre les écosystèmes.

Donne un exemple de diversité génétique.

Les populations de Littorina littorea (pourpre des rochers) présentent différentes couleurs de coquille selon l’exposition au soleil. Ces différences reflètent une variabilité génétique.

Quels sont les trois niveaux de la biodiversité ?

Diversité génétique : variabilité des des gènes et des allèles au sein d’une espèce ou d’une population. Elle permet : l’adaptation aux conditions environnementales, la résistance aux changements (climat, pollution, maladies), l’évolution des populations.

Diversité spécifique (taxonomique) : nombre d’espèces présentes dans un milieu donné. Elle peut être mesurée à différents niveaux taxonomiques : espèce, genre, famille,ordre.

Diversité écosystémique : diversité des habitats, des structures spatiales des écosystèmes et des interactions écologiques. Elle reflète la diversité des milieux dans une région.

Les trois niveaux sont hiérarchiquement liés :

• diversité génétique → influence l’évolution des espèces

• diversité spécifique → structure les communautés

• diversité écosystémique → conditionne la survie des espèces.

La perte d’un niveau peut affecter les autres.

Quels processus influencent la diversité génétique ?

Plusieurs processus évolutifs modifient la diversité génétique :

• mutations

• sélection naturelle

• dérive génétique

• migrations

• effet fondateur

• goulot d’étranglement (bottleneck).

Donne un exemple de diversité spécifique chez les mammifères.

Chez les mammifères :

• l’ordre le plus diversifié est celui des rongeurs,

• la famille la plus riche est celle des Muridés (rats, souris, gerbilles).

Donne un exemple de diversité écosystémique.

Dans l’estuaire de la Loire, on trouve plusieurs habitats : vasières, marais, prairies humides, roselières…

Cette mosaïque d’habitats illustre la diversité écosystémique.

Quelles sont les trois facettes de la diversité spécifique ?

Richesse spécifique (S) :

La richesse spécifique est le nombre total d’espèces présentes dans une communauté.

Elle est souvent notée S.

Exemple :

• site A = 8 espèces

• site B = 5 espèces

Le site A est plus riche.

Uniformité (équitabilité) :

L’uniformité mesure la répartition relative des individus entre les espèces.

• forte uniformité → espèces équilibrées

• faible uniformité → une espèce dominante.

Disparité :

La disparité correspond aux différences morphologiques ou fonctionnelles entre les espèces. Elle reflète la diversité des rôles écologiques dans une communauté.

Quelle est la différence entre diversité et disparité ?

Diversité : nombre et répartition des espèces

Disparité : différences morphologiques et fonctionnelles entre espèces

Que représentent les variables utilisées dans les indices de diversité ?

Dans les formules : pi = ni/N

• ni = nombre d’individus de l’espèce i

• N = nombre total d’individus

• pi = proportion relative de l’espèce i

Indice de Simpson

L’indice de Simpson mesure la probabilité que deux individus tirés au hasard appartiennent à la même espèce.

L’indice de Simpson est particulièrement sensible aux espèces dominantes et relativement peu sensible aux espèces rares. Il est donc bien adapté pour analyser des communautés où certaines espèces dominantes jouent un rôle écologique important.

Interprétation :

• D proche de 1 → faible diversité (domination d’une espèce dans la communauté)

• D proche de 0 → forte diversité.

Pourquoi utilise-t-on souvent la version corrigée de l’indice de Simpson ?

Pour faciliter l’interprétation écologique, on utilise souvent la forme corrigée de l’indice de Simpson, appelée diversité de Simpson corrigée : ES = 1 − D. Dans ce cas, la valeur augmente avec la diversité biologique.

Une valeur proche de 1 indique une communauté très diversifiée et équilibrée, tandis qu’une valeur proche de 0 indique une faible diversité et une forte dominance d’une espèce.

Indice de Shannon

L’indice de Shannon combine la richesse spécifique et l’uniformité des abondances.

L’indice de Shannon est très utilisé car il est sensible à la fois à la richesse spécifique et à la présence d’espèces rares. Il capture mieux la diversité globale d’une communauté et détecte les variations dans la distribution des espèces rares.

Interprétation :

L’indice de Shannon varie généralement entre 0 et environ 3 ou plus dans les communautés très diversifiées.

• Une valeur proche de 0 indique qu’une seule espèce domine la communauté.

• Des valeurs entre 1 et 2 correspondent généralement à une diversité modérée.

• Des valeurs supérieures à 3 indiquent une diversité élevée et une répartition relativement uniforme des individus entre les espèces.

Qu’est-ce que l’indice d’équitabilité de Pielou ?

L’indice de Pielou mesure l’équitabilité, c’est-à-dire l’équilibre dans la distribution des individus entre les différentes espèces d’une communauté. Il est calculé à partir de l’indice de Shannon et de la richesse spécifique selon la formule :

E = H/log(S)

où H' est l’indice de Shannon et S le nombre total d’espèces.

Interprétation :

L’indice de Pielou varie entre 0 et 1 :

• Une valeur proche de 1 indique que les individus sont répartis de manière très équilibrée entre les espèces, ce qui correspond à une forte uniformité.

• Une valeur proche de 0 indique qu’une ou quelques espèces dominent la communauté, ce qui correspond à une faible équitabilité.

Qu’est-ce que la diversité α ?

La diversité alpha (α) correspond à la diversité locale d’un site. Elle est généralement mesurée par la richesse spécifique, c’est-à-dire le nombre d’espèces présentes dans une zone donnée.

Exemple : nombre d’espèces dans une mare.

Qu’est-ce qu’une courbe d’accumulation d’espèces ?

La courbe d’accumulation d’espèces représente la relation entre l’effort d’échantillonnage et le nombre d’espèces observées. Lorsque l’on augmente le nombre de relevés, de transects ou de quadrats, le nombre d’espèces recensées augmente progressivement jusqu’à atteindre un plateau. Ce plateau correspond à une estimation du nombre réel d’espèces présentes dans le milieu étudié.

Qu’est-ce que la diversité β ?

La diversité bêta (β) mesure la différence de composition en espèces entre plusieurs sites.

Elle mesure le taux de remplacement des espèces entre deux habitats ou sites différents et reflète le turnover des espèces.

Une diversité bêta élevée signifie que les deux sites partagent peu d’espèces en commun.

Que signifie une diversité bêta élevée ?

Une diversité bêta élevée signifie que les communautés locales partagent peu d’espèces en commun. Autrement dit, il existe un fort renouvellement d’espèces entre les sites. Cela indique une forte hétérogénéité écologique à l’échelle régionale. À l’inverse, une diversité bêta faible signifie que les sites sont très similaires dans leur composition spécifique.

Indice de similarité de Jaccard

I = Nc / (N1 + N2 − Nc)

où :

• Nc = nombre d’espèces communes aux deux sites,

• N1 = nombre total d’espèces du site 1,

• N2 = nombre total d’espèces du site 2.

Cet indice mesure le degré de similarité entre deux communautés biologiques.

Interprétation :

L’indice de Jaccard varie entre 0 et 1 :

• Une valeur proche de 1 signifie que les deux communautés sont très similaires et partagent la plupart de leurs espèces.

• Une valeur proche de 0 signifie que les deux communautés ont peu ou pas d’espèces en commun, ce qui indique un fort renouvellement des espèces entre les sites.

Exemple : étude de gradient bathymétrique chez les poissons récifaux

Objectif : évaluer comment la composition spécifique des communautés de poissons récifaux varie avec la profondeur. Les poissons ont été recensés dans plusieurs tranches de profondeur :

• 0–30 m (zone superficielle)

• 30–60 m (mésophotique supérieur)

• 60–90 m (mésophotique moyen)

• 90–150 m (mésophotique inférieur)

La composition spécifique de chaque strate a ensuite été comparée au moyen de l’indice de Jaccard.

Les résultats montrent que la dissimilarité entre communautés augmente fortement avec la profondeur. Les communautés de poissons présentes en surface (0–30 m) sont très différentes de celles observées à plus de 90 m, avec des indices de similarité faibles et des dissimilarités proches de 1. Même les strates adjacentes présentent un recouvrement spécifique limité.

Cette étude montre que les communautés profondes ne sont pas simplement des prolongements des communautés de surface. Chaque strate de profondeur possède sa propre composition spécifique.

Qu’est-ce que la diversité γ ?

La diversité gamma (γ) correspond à la diversité totale observée à l’échelle d’un paysage, d’une région ou d’un ensemble d’écosystèmes. Elle représente la richesse spécifique globale en combinant toutes les espèces présentes dans les différents habitats de la région étudiée.

Exemple : diversité totale de toutes les mares d’une région.

Exemple de diversité gamma

Prenons trois forêts :

• Forêt A : espèces A et B

• Forêt B : espèces A et C

• Forêt C : espèces B et D

Chaque forêt possède une diversité alpha égale à 2.
Mais si l’on considère l’ensemble des trois forêts, on observe les espèces A, B, C et D, soit une diversité gamma égale à 4.
La moyenne des diversités alpha est 2, donc la diversité bêta vaut 4 / 2 = 2. Cela montre qu’il existe un renouvellement important des espèces entre les sites.

Quelle condition est nécessaire pour comparer correctement deux indices de diversité entre sites ?

Pour comparer des indices de diversité entre différents sites, les milieux doivent être écologiquement comparables. Cela signifie que l’on doit comparer des habitats similaires (par exemple deux récifs coralliens, deux prairies ou deux rivières). Si les habitats sont trop différents, les variations de diversité observées peuvent simplement refléter des différences naturelles entre écosystèmes et non des perturbations ou des changements écologiques. De plus, l’effort d’échantillonnage doit être identique pour éviter des biais méthodologiques.

Qu’est-ce que le gradient latitudinal de biodiversité ?

Le gradient latitudinal de biodiversité décrit le fait que la richesse spécifique est généralement maximale dans les régions tropicales proches de l’équateur et diminue progressivement vers les pôles. Ce schéma est observé chez de nombreux groupes biologiques, notamment les poissons, les amphibiens, les oiseaux, les insectes et les plantes.

Qu’est-ce que le gradient altitudinal de biodiversité ?

Le gradient altitudinal correspond à la variation de la richesse spécifique en fonction de l’altitude. Dans la plupart des cas, la diversité diminue avec l’augmentation de l’altitude en raison des conditions climatiques plus extrêmes. Toutefois, certaines espèces endémiques de montagne peuvent présenter un pic de diversité à haute altitude grâce à leur adaptation à ces environnements particuliers.

Comment l’hétérogénéité de l’habitat influence-t-elle la biodiversité ?

L’hétérogénéité de l’habitat augmente la diversité biologique en créant une grande variété de niches écologiques. Plus un habitat est complexe sur le plan structurel, plus il offre de micro-habitats différents permettant à de nombreuses espèces de coexister. Par exemple, les récifs coralliens, les moulières ou les herbiers marins présentent une forte complexité tridimensionnelle qui favorise une grande diversité d’espèces.

Quels facteurs influencent la diversité alpha ?

La diversité alpha est principalement influencée par les caractéristiques locales du milieu, notamment :

• la taille de l’habitat,

• la complexité structurelle,

• la disponibilité en ressources,

• les conditions abiotiques locales (température, humidité, lumière, substrat).

En général, plus un habitat est complexe et hétérogène à petite échelle, plus la diversité alpha tend à être élevée.

Quels facteurs influencent la diversité bêta ?

La diversité bêta dépend surtout du degré d’hétérogénéité entre les habitats ou les sites. Plus les milieux diffèrent en termes de structure, de conditions physiques, de profondeur, de salinité ou de végétation, plus le renouvellement des espèces entre ces sites sera important. La diversité bêta augmente donc lorsque les communautés sont soumises à des environnements contrastés.

Quels facteurs influencent la diversité gamma ?

La diversité gamma dépend de la diversité des habitats à l’échelle régionale, mais aussi de la connectivité entre ces habitats. L’isolement ou la fragmentation peuvent réduire la diversité gamma en limitant la dispersion des espèces. À l’inverse, un paysage vaste, varié et bien connecté favorise une diversité gamma élevée.

Qu’est-ce que la disparité morpho-fonctionnelle ?

La disparité morpho-fonctionnelle mesure la variabilité des formes et des fonctions biologiques entre les espèces d’un groupe, indépendamment de leur identité taxonomique. Elle ne se limite donc pas au nombre d’espèces, mais prend en compte les différences de morphologie, d’architecture corporelle, de comportement ou de rôle écologique. Elle est particulièrement utile en écologie fonctionnelle et en paléontologie.

Quelle est la différence entre diversité spécifique et disparité ?

La diversité spécifique mesure le nombre d’espèces présentes dans une communauté et éventuellement leur répartition relative. La disparité, en revanche, mesure la diversité des formes, des traits et des fonctions de ces espèces. Deux communautés peuvent donc avoir la même richesse spécifique, mais une disparité très différente si les espèces y occupent des rôles écologiques plus ou moins variés.

Pourquoi la disparité est-elle utile lorsque la taxonomie est incertaine ?

La disparité est utile lorsque l’identification précise des espèces est difficile ou impossible, par exemple en paléontologie ou dans des groupes très mal connus. En étudiant directement les formes, les tailles, les structures anatomiques ou les traits fonctionnels, on peut quantifier la diversité écologique sans dépendre du nom exact des espèces.

Quelle est la différence entre disparité intraspécifique et interspécifique ?

La disparité intraspécifique correspond à la variabilité phénotypique observée au sein d’une même espèce, par exemple différentes formes de bec chez des populations d’oiseaux.

La disparité interspécifique correspond à la variabilité morphologique ou fonctionnelle entre plusieurs espèces d’une même communauté ou d’un même groupe taxonomique. C’est cette seconde forme qui est généralement utilisée pour étudier la structure fonctionnelle des écosystèmes.

Qu’est-ce qu’un morpho-espace ?

Un morpho-espace est une représentation abstraite dans laquelle les espèces sont positionnées selon leurs caractéristiques morphologiques ou fonctionnelles. Chaque axe du graphique correspond à un trait mesuré (par exemple taille, forme, angle, rapport de dimensions). Ce type d’outil permet de visualiser la variété des formes existantes dans un groupe biologique et de mesurer leur disparité.

Le morpho-espace permet d’aller au-delà du simple comptage des espèces en analysant la diversité des formes réellement présentes dans un groupe. Il permet de distinguer les formes effectivement réalisées des formes seulement théoriquement possibles.

Exemples de morpho-espaces

Les méduses : plusieurs dimensions morphologiques ont été mesurées, comme le diamètre de la cloche et le rapport entre diamètre et hauteur. Les résultats montrent que les méduses actuelles n’occupent qu’une petite partie du morpho-espace théoriquement possible. Cela signifie que toutes les combinaisons morphologiques imaginables n’existent pas dans la nature, probablement à cause de contraintes fonctionnelles, développementales ou écologiques.

Les arbres : un morpho-espace tridimensionnel peut être construit à partir de variables comme la fréquence de branchage, l’angle d’écartement des branches et l’orientation des ramifications. Chaque point dans cet espace représente une espèce d’arbre avec son architecture particulière.

Que montre l’étude morphologique des mâchoires chez les poissons récifaux fossiles et actuels ?

L’étude des mâchoires, notamment de la longueur relative de la mandibule et du bras de levier de fermeture, montre qu’au cours du temps les poissons récifaux ont évolué vers des mandibules plus courtes et des morsures plus puissantes. Cela traduit l’apparition de nouvelles stratégies trophiques, notamment la capacité de broyer le corail ou des substrats durs, comme chez les poissons-perroquets.

L’étude du prémaxillaire, qui forme un cône d’aspiration lors de l’ouverture de la bouche, montre qu’au cours du temps certains poissons ont développé une meilleure capacité d’aspiration. Cela les rend plus efficaces pour capturer des proies mobiles.

Une augmentation de la disparité morphologique indique que les espèces occupent des rôles écologiques de plus en plus différenciés. Cela reflète une diversification fonctionnelle de la communauté.