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Origine et évolution de la biodiversité

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Des outils pour quantifier la biodiversité

  • La quantification de toute la biodiversité est impossible. Pour pallier ce problème, la solution passe par l’étude d’échantillons représentatifs d’une population.
  • L’échantillonnage aléatoire simple consiste à prélever des individus de façon aléatoire dans une population donnée : à l’échelle des écosystèmes, quelques échantillons seront prélevés de manière aléatoire dans divers lieux, à divers moments, dans diverses conditions. Ces données seront par la suite exploitées par des mathématiciens.
  • La méthode de « capture-marquage-recapture »
  • Le but de cette méthode est d’estimer un effectif, car un recensement exhaustif de chaque individu est impossible :
  • d’abord on effectue une capture d’individus (on les compte et on les marque) ;
  • puis on relâche ces individus ;
  • on effectue ensuite une deuxième capture d’individus (on les compte et on les marque) : certains individus précédemment marqués seront présents dans ce nouvel échantillon ;
  • on considère alors que la proportion des individus marqués lors du premier échantillonnage parmi la population totale est égale à la proportion des individus marqués parmi ceux capturés lors du deuxième échantillonnage.
  • En appliquant la méthode de la quatrième proportionnelle, on estime l’abondance d’une population.
  • On parle de fluctuation d’échantillonnage quand la proportion d’individus marqués lors de la recapture varie d’un échantillon à l’autre.
  • Comme ce sont des valeurs estimées, il faut connaître la marge d’erreur : l’intervalle de confiance va tenir compte de cette variable. Ce dernier est calculé grâce à la propriété suivante, où nn correspond à la taille de l’échantillon et ff à la fréquence du caractère étudié : [f1n ;f+1n]\left[f-\dfrac 1{\sqrt n}\ ;\, f+\dfrac 1{\sqrt n}\right].
  • Plus l’échantillon est grand, plus l’estimation est précise.
  • La richesse spécifique
  • L’échantillonnage va permettre d’étudier la diversité d’espèces au sein d’un écosystème : c’est ce que l’on appelle la richesse spécifique.
  • Par moment la richesse sera telle qu’il sera préférable d’étudier la richesse par taxon.

Évolution de la structure génétique d’une population

  • La théorie de Hardy-Weinberg se propose de faire un suivi génétique d’une population, en s’intéressant aux variations des fréquences alléliques au cours des générations.
  • Cette théorie est basée sur des populations qui ne seraient pas soumises à des forces évolutives et qui auraient des effectifs infinis.
  • Lors de la reproduction sexuée, les allèles des parents vont être brassés : chez les êtres humains ils existent sous la forme de deux copies, l’une maternelle et l’autre paternelle.
  • Ces copies définissent un génotype.
  • Ainsi, nous pouvons définir, pour la génération nn, avec nn entier naturel :
  • AnA_n, la fréquence de l’allèle AA ;
  • ana_n, la fréquence de l’allèle aa ;
  • unu_n, la fréquence du génotype A/AA/A ;
  • vnv_n, la fréquence du génotype A/aA/a ;
  • wnw_n, la fréquence du génotype a/aa/a.
  • Et nous avons, pour toute génération nn :

{An=un+12vn (relation 1)an=12vn+wn (relation 2)\begin{cases} An = un + \dfrac 12 vn \footnotesize{\textcolor{#A9A9A9}{\text{ (relation 1)}}} \ an = \dfrac 12 vn + wn \footnotesize{\textcolor{#A9A9A9}{\text{ (relation 2)}}} \end{cases}

  • Et nous avons aussi les relations entre les générations nn et n+1n+1 :

{un+1=(An)2 (relation 3)vn+1=2×An×an (relation 4)wn+1=(an)2 (relation 5){un+1=(un+12×vn)2vn+1=2×(un+12×vn)×(12×vn+wn)wn+1=(12×vn+wn)2\begin{aligned} &\begin{cases} u{n+1}=(An)^2 \footnotesize{\textcolor{#A9A9A9}{\text{ (relation 3)}}} \ v{n+1}=2\times An\times an \footnotesize{\textcolor{#A9A9A9}{\text{ (relation 4)}}} \ w{n+1}=(an)^2 \footnotesize{\textcolor{#A9A9A9}{\text{ (relation 5)}}} \end{cases} \ &\Leftrightarrow \ &\begin{cases} u{n+1}=\left( un + \dfrac 12\times vn\right)^2 \ v{n+1}=2\times \left(un + \dfrac 12\times vn\right)\times \left(\dfrac 12\times vn+wn\right) \ w{n+1}=\left(\dfrac 12\times vn+wn\right)^2 \end{cases} \end{aligned}

  • Nous venons d’exprimer ce que l’on appelle, en mathématiques, des suites définies par des relations de récurrence, qui nous permettent, si nous connaissons les données de la génération 00, de calculer, de terme en terme, celles de toute génération nn, avec nn entier naturel non nul.
  • Nous notons ces suites entre parenthèses : (An)(An), (an)(an), (un)(un), (vn)(vn) et (wn)(w_n).
  • Le modèle de Hardy-Weinberg 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 et de sélection).
  • Ainsi, avec pp la fréquence de l’allèle AA et qq celle de l’allèle aa, la distribution des génotypes est donnée par la relation :

p2+2pq+q2=1p^2+2pq+q^2=1

  • Où :
  • p2p^2 est la fréquence du génotype homozygote A/AA/A ;
  • q2q^2 est la fréquence du génotype homozygote a/aa/a ;
  • 2pq2pq est la fréquence du génotype hétérozygote A/aA/a.
  • En théorie, le modèle de Hardy-Weinberg conduit à la mise en place de populations statistiquement prévisibles. Dans la réalité, des forces évolutives externes vont modifier cet équilibre.
  • L’importance des mutations
  • Au cours des générations successives, l’accumulation des mutations sera à l’origine de l’accumulation de nouveaux caractères, ce qui finira par générer de nouvelles espèces.
  • Donc, les mutations vont modifier aléatoirement l’équilibre de Hardy-Weinberg.
  • La sélection naturelle
  • Lorsqu’un allèle défavorable est généré par une mutation, il devrait progressivement disparaître de la population, les individus porteurs ayant moins de chances de survivre que les autres : c’est ce que l’on appelle la sélection naturelle.
  • La dérive génétique
  • L’équilibre de Hardy-Weinberg part du principe que la taille de la population est infinie, ce qui n’est pas le cas dans la réalité, de plus des populations peuvent être fragmentées !
  • Lorsque la taille du groupe est fortement réduite, le modèle mathématique n’est plus valable.
  • Ainsi, dans des groupes à petits effectifs, on constate que la fréquence des allèles et donc la fréquence des individus n’est plus prévisible : c’est ce que l’on appelle la dérive génétique.

Influences de l’être humain

  • On estime que 25%25\,\% des espèces sont menacées d’extinction à cause de l’activité humaine.
  • La bonne connaissance de la biodiversité, qui passe par notre capacité à la comptabiliser et suivre son évolution, est indispensable à la mise en place de politiques de préservation.
  • La fragmentation d’un écosystème
  • En Amazonie, des surfaces boisées sont régulièrement coupées. De nouveaux ensembles d’arbres, isolés les uns des autres, finissent par apparaître : on dit que l’écoystème initial a été fragmenté.
  • Sur le long terme, la fragmentation d’un écosystème va accélérer la dérive génétique, car le nombre d’individus initial sera fortement réduit : l’équilibre de Hardy-Weinberg sera déstabilisé.
  • Les comportements à risque pour la biodiversité
  • Il existe de nombreux autres comportements à risque pour la biodiversité, parmi lesquels :
  • les échanges internationaux qui favorisent le déplacement d’espèces invasives ;
  • l’usage excessif des carburants fossiles à l’origine du réchauffement climatique ;
  • l’usage des pesticides qui éliminent sans distinction tous les insectes.
  • L’humain et la protection des écosystèmes
  • Il existe des solutions pour limiter l’impact de l’humain sur la biodiversité, parmi lesquelles :
  • la réintroduction de certaines espèces dans leurs anciens écosystèmes pour réguler naturellement leur population ;
  • la construction d’écoponts (passages réservés aux animaux au-dessus d’une autoroute) ou de crapauducs (tunnels souterrains pour les petits animaux) pour éviter une fragmentation excessive ;
  • le développement de l’agriculture biologique plus respectueuse de la biodiversité que l’agriculture intensive ;
  • l’exploitation raisonnée des êtres vivants ;
  • l’usage d’énergies propres, telles que l’éolien ou le solaire, qui produisent moins de CO2\text{CO}_2, gaz à effet de serre à l’origine du réchauffement climatique.