La biodiversité et son évolution

Évaluer la biodiversité à différentes échelles spatiales et temporelles représente un enjeu majeur pour comprendre sa dynamique et les conséquences des actions humaines. Les populations évoluent au cours du temps. Des modèles mathématiques probabilistes et des outils statistiques permettent d’étudier les mécanismes évolutifs impliqués.

Il existe sur Terre un grand nombre d’espèces. Les scientifiques estiment cependant qu’une part importante de la biodiversité reste à découvrir. La biodiversité se mesure entre autres par des techniques d’échantillonnage qui permettent d’estimer le nombre d’espèces dans différents écosystèmes. Les composantes de la biodiversité peuvent aussi être décrites par l’abondance (nombre d’individus) d’une population, d’une espèce ou d’un plus grand taxon.

La méthode de capture-marquage-recapture repose sur des calculs effectués sur un échantillon. Si on suppose que la proportion d’individus marqués est identique dans l’échantillon de recapture et dans la population totale, l’effectif de celle-ci s’obtient par le calcul d’une quatrième proportionnelle.

À partir d’un seul échantillon, l’effectif d’une population peut également être estimé à l’aide d’un intervalle de confiance. Une telle estimation est 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 composition génétique des populations d’une espèce change de génération en génération.

Le modèle mathématique de Hardy-Weinberg utilise la théorie des probabilités pour décrire le phénomène aléatoire de transmission des allèles dans une population. 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, de sélection et de dérive). Cette stabilité théorique est connue sous le nom d’équilibre de Hardy-Weinberg.

Les limites du modèle s’expriment dans les écarts entre les fréquences observées sur une population naturelle et les résultats du modèle trouvent leur explication dans les processus réels mis en jeu notamment par les effets de forces évolutives (mutation, sélection, dérive, etc.).

Les activités humaines ont des conséquences sur la biodiversité et ses composantes, dont la variation d’abondance.

L’approche « Une seule santé » consiste à relier la santé humaine, la santé animale et la santé des écosystèmes dans lesquels elles coexistent, ces trois composantes ne pouvant plus être dissociées.

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

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

Activité : la biodiversité spécifique (fichier à télécharger : Biodiversité oiseaux.ods)

Activité : la biodiversité spécifique (avec vidéo d'observation d'oiseaux)

Activité : estimer l'effectif des individus d'une population (site à consulter : Capture - Marquage - Recapture)

Activité : évolution des fréquences génotypiques et alléliques dans les populations (site à consulter : Edu'modèles)

Activité : les écarts au modèle de Hardy-Weinberg

Activité : application du modèle de Hardy-Weinberg

Activité : étude d'une population de cerfs

Activité : calculer l'impact de la fragmentation des habitats

Diaporama : déclin de la biodiversité

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I - La biodiversité spécifique

Il existe sur Terre un grand nombre d’espèces dont seule une faible proportion est effectivement connue. Le nombre d’espèces vivant dans un milieu constitue sa richesse spécifique. L’inventaire de ces espèces et de leurs effectifs rend compte de la biodiversité de cet écosystème :

- L’échantillonnage d’individus dans un milieu permet leur observation et leur identification directe en se basant sur des critères morphologiques. 

- Toutes ces espèces se distinguent également par leur ADN. De nouvelles techniques permettent ainsi d’utiliser l’ADN prélevé dans un milieu et l’identification d’espèces même en l’absence d’observation directe.

II - Estimer l’effectif des individus d’une population

Il existe différentes méthodes permettant d’estimer un effectif d’une population (également appelé abondance), c’est-à-dire le nombre d’individus. La méthode de capture-marquage-recapture (CMR) permet une estimation de l’effectif en se basant sur le principe de proportionnalité : on considère que la proportion d’individus marqués recapturés (m) sur le nombre d’individus recapturés (R) est égale à la proportion d’individus marqués au départ (M) sur le nombre d’individus total de la population (N) :

m/R = M/N

D’un CMR à l’autre, les résultats ne sont pas identiques : il y a une fluctuation d’échantillonnage. En augmentant le nombre et la taille de l’échantillon, l’estimation sera plus fiable et plus précise.

III – Le modèle de Hardy-Weinberg

Le modèle mathématique de Hardy-Weinberg permet d’étudier l’évolution des fréquences alléliques dans certaines conditions :

- une population de grande taille (donc une absence de dérive génétique, ce qui permet d’appliquer la loi des grands nombres : la probabilité de la transmission d'un allèle est égale à sa fréquence) ;

- une absence de mutation (pas d’apparition de nouveaux allèles) ;

- une absence de migration entre populations différentes ;

- une absence de sélection naturelle (pas d'allèle plus avantageux pour l’individu qui les porte) ;

- et une absence de sélection sexuelle (les partenaires se reproduisent au hasard et les gamètes se rencontrent au hasard).

Dans ces conditions, le modèle de Hardy-Weinberg prédit que les fréquences alléliques ne changent pas au cours du temps.

Ce modèle permet de prédire la structure génétique attendue de la population :

Si la population respecte les hypothèses du modèle et en connaissant la fréquence de l’allèle A (= p) et de l’allèle a (= q), on peut alors déterminer les fréquences des génotypes attendues :

- fréquence des homozygotes (A//A) = p²

- fréquence des hétérozygotes (A//a) = 2 x p x q

- fréquence des homozygotes (a//a) = q²

Un écart entre les fréquences génotypiques attendues et observées s’explique par un effet des forces évolutives (sélection naturelle et/ou sexuelle, dérive, mutations et migrations).

III – Les activités humaines et la biodiversité

Par la pollution, l’urbanisation, le réchauffement climatique ou la surexploitation, les activités humaines entraînent la destruction des écosystèmes. L’abondance des espèces peut alors diminuer dramatiquement, ce qui conduit à leur extinction.

La fragmentation des milieux, par exemple par le passage de routes, entraîne une fragmentation des populations. Une abondance plus faible au sein d’une population favorise la dérive génétique, qui résulte en la perte de certains allèles, conduisant à un appauvrissement de la diversité génétique.

La connaissance des écosystèmes et de leur fonctionnement permet de mettre en place des mesures de protection de la biodiversité. Des aires protégées comme les réserves ou les parcs naturels préservent les écosystèmes et leurs espèces. La connaissance de l’abondance des espèces permet de les placer sur la liste des espèces en danger et de les protéger au niveau international.

Définitions

Richesse spécifique : nombre d’espèces d’un milieu.

À venir

Capture - Marquage - Recapture