le wc japonais, ou l’écologie

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le wc japonais et l’écologie :

1- La biosphère (chapitre 50):

-Le champ de l’écologie :

Écologie: étude scientifique des interactions entre les organismes d’une part et entre les organismes et leur milieu d’autre part, dans les conditions naturelles. Le milieu se compose des facteurs abiotiques (ou physicochimiques): température, lumière, eau, nutriments, etc., et des facteurs biotiques: interactions entre les organismes (directes ou non, immédiates ou différées).

On peut voir aussi l’écologie comme l’étude de la distribution et de l’abondance des organismes. Les questions qu’on se pose se retrouvent à des niveaux d’organisation de plus en plus vastes:

- les individus (l’autécologie ou écologie physiologique se penche sur les aspects comportementaux, physiologiques et morphologiques des réactions d’un organisme aux conditions physiologiques de son milieu (les limites de tolérance des organismes aux stress écologiques déterminent en effet où ils peuvent vivre).

- la population (groupe d’individus d’une même espèce vivant dans une aire géographique donnée à un moment précis).

- la communauté (tous les organismes qui habitent dans une aire donnée), qui est un assemblage de populations de différentes espèces. On y étudie la prédation, la compétition et d’autres interactions influant sur la structure et l’organisation de l’ensemble.

- l’écosystème (ensemble formé par les facteurs abiotiques et la communauté d’une aire donnée). On y étudie les flux d’énergie et les cycles biogéochimiques

- les biomes (écosystèmes terrestres ou aquatiques caractéristiques de grandes zones biogéographiques qui sont soumises à un climat particulier).

- la Biosphère: ensemble des écosystèmes de la planète. La partie de la Terre où l’on trouve la vie.

Bien que l’écologie ait été longtemps une science descriptive, elle fait maintenant souvent appel à l’expérimentation, qui se fait sur de longs laps de temps et de vastes espace, souvent avec l’aide de modèles mathématiques. Les questions simples en apparence sont souvent complexes!

L’écologie est liée à l’évolution car les interactions immédiates des organismes avec leur milieu peuvent avoir des effets prolongés à cause de la sélection naturelle. Autrement dit, les épisodes éphémères se jouant dans le temps écologique sur répercutent sur l’échelle plus longue du temps évolutif. Par exemple, les faucons, prédateurs des mulots, agissent sur le patrimoine génétique de ces derniers en restreignant le succès reproductif de certains individus, ce qui fait que la proportion de mulots avec une coloration camouflante va augmenter à long terme. De plus, les effets de l’histoire géologique servent aussi de lien entre l’écologie et l’évolution. La dérive des continents a joué un rôle dans l’absence des Mammifères placentaires en Australie.

- Facteurs influant sur la distribution des organismes

Voir la figure 50.5 (p. 1198) qui mentionne ces facteurs.

- Caractéristiques des biomes

On peut diviser les biomes en trois catégories: les biomes terrestres (voir la fig. 50.24, forêt tropicale, savane, désert, forêt méditerranéenne, prairie tempérée, forêt décidue tempérée, taïga, toundra), les biomes dulcicoles (étangs et lacs, cours d’eau) et les biomes marins (estuaires, zones intertidales, récifs de corail, biome océanique pélagique, benthos). La figure 50.17 présente la distribution des principaux biomes aquatiques.

La distribution des biomes dans le monde résulte de l’interaction de différents facteurs abiotiques: la température (elle influe sur les processus biologiques, et la plupart des organismes s’avèrent incapables de réguler précisément leur température corporelle), l’eau (les organismes dulcicoles et marins sont sujets au déséquilibre hydrique si la concentration de solutés intracellulaires n’égale pas celle des solutés de l’eau environnante), la lumière (elle fournit l’énergie qui anime presque tous les écosystèmes), le vent (il accroît la perte de chaleur due à la vaporisation et à la convection et les pertes d’eau dues à la vaporisation chez les animaux et la transpiration chez les végétaux; de plus, il a un effet sur la forme des végétaux), les roches et le sol (structure physique, pH et composition minérale qui limitent la distribution des végétaux et des herbivores), les perturbations périodiques (incendies, ouragans, tornades, éruptions volcaniques, etc. Lorsqu’elles sont très rares et imprévisibles dans le temps et l’espace, les organismes ne peuvent s’y adapter. Par contre, beaucoup de végétaux se sont adaptés aux feux survenant fréquemment dans certaines communautés).

La température, l’eau, la lumière et le vent sont les principaux éléments du climat (conditions météorologiques propres à un endroit). Le climat a un effet sur la distribution des biomes, ce qu’on peut voir en construisant un climatogramme (fig. 50.10), qui est une représentation graphique des moyennes annuelles des températures et des précipitations mesurées dans une région donnée. Il existe une corrélation (attention, pas nécessairement une relation cause-effet!) entre les moyennes annuelles de température et de précipitations et les biomes que l’on trouve dans différentes régions. Cependant, les biomes se chevauchent, ce qui montre que d’autres facteurs jouent. Il faut dire qu’un climatogramme est basé sur des moyennes annuelles et ne tient pas compte, par exemple, que les précipitations peuvent être régulières dans un biome et concentrées dans une saison dans un autre.

La température de l’air diminue avec la latitude et quelle que soit la latitude, elle diminue de 6 degrés Celcius par tranche de 1000 m d’altitude. Dans la zone tempérée boréale, on subit un s’élevant de 1000 m le même changement de température qu’en parcourant 880 km vers le nord. C’est une des raisons expliquant la ressemblance entre les distributions altitudinale et latitudinale des biomes.

2- L’écologie des communautés (chapitre 53):

- Concepts de communauté :

Le concept centré sur l’hypothèse individualiste (de Gleason) veut que les espèces végétales soient distribuées de façon indépendante le long d’un gradient de variables écologiques et qu’une communauté ne soit qu’un assemblage d’espèce occupant le même territoire simplement parce qu’elles sont les mêmes besoins abiotiques. Le concept centré sur l’hypothèse interactive (de Clements) veut que les communautés soient des groupements discontinus d’espèces végétales très interdépendantes et presque toujours coexistantes (unies par des interactions biotiques). Une étude effectuée en Arizona semble a conclu que la distribution des arbres est conforme à l’hypothèse individualiste (voir fig. 53.1). Cependant, un changement abrupt de communauté est possible quand un facteur déterminant du milieu physique change abruptement. Il s’avère donc difficile de formuler des affirmations simples et généralisables pour expliquer la coexistence de certaines espèces dans les communautés. La controverse autour des communautés végétales datant du début du XXe siècle s’est renouvelée à la fin du même siècle autour des communautés animales (modèle des rivets semblable au modèle interactif, et modèle de la redondance semblable au modèle individualiste).

- Interactions interspécifiques :

Tous les organismes sont influencés par leurs interactions biotiques avec les individus vivant dans leur entourage immédiat. Nous verrons ici des exemples d’interactions interspécifiques, qui sont des relations entre des populations d’espèces différentes vivant ensemble dans une communauté. Elles peuvent avoir des effets favorables, défavorables ou neutres sur une ou plusieurs des populations en cause.

Coévolution: adaptation évolutive qui se produit chez deux espèces à la suite de leurs influences réciproques. Exemples: les larves de Heliconius, un papillon, peuvent se nourrir des feuilles de la Passiflore parce que leurs enzymes digestives dégradent les composés toxiques qui servent de défense à cette plante. Par contre, comme les femelles de certaines espèces de Heliconius, évitent de pondre sur des feuilles portant déjà des œufs jaunes, certaines espèces de Passiflore ont des glandes à nectar jaunes sur leurs feuilles. Ces glandes attirent des fourmis se nourrissant des œufs et larves de papillons.

Prédation: le prédateur est un animal qui se nourrit d’un autre animal ou d’une plante, et la proie est cet animal ou cette plante. Les prédateurs ont des adaptations leur facilitant l’obtention de nourriture: sens aiguisés (ex. organes thermosensibles près des yeux des serpents, chimiorécepteurs des insectes), serres, dents, crochets, aiguillons, venin, etc. pour capturer et mastiquer. Les proies ont également développé au cours du temps évolutif des adaptations leur permettant de se défendre.

Les défenses des végétaux contre les herbivores sont souvent des substances chimiques répulsives ou nocives (dont on se sert souvent comme poisons, drogues ou médicaments) comme la strychnine, la morphine, la nicotine, la mescaline, etc. Les défenses des animaux contre les prédateurs peuvent être passives comme se cacher, ou actives, comme fuir ou se battre. Beaucoup d’animaux, par ailleurs, s’en remettent à la coloration adaptative. Il y a le camouflage ou homochromie, basé sur une similitude des couleurs et des formes (ex. Rainette arénicolore, fig. 53.5)). On retrouve aussi des colorations adaptatives évoquant des yeux ou une tête.

Certains animaux faciles à repérer possèdent des défenses mécaniques ou chimiques (ex. porc-épic d’Amérique, mouffette rayée). Beaucoup d’animaux qui possèdent des défenses mécaniques ou chimiques efficaces arborent une coloration d’avertissement qui avertir les prédateurs de se tenir à distance (ex. abeilles). Dans le mimétisme, un mime présente une ressemblance superficielle avec une autre espèce, le modèle. Le mimétisme batésien (fig. 53.7) est l’imitation d’une espèce nocive au goût désagréable par une espèce inoffensive au goût agréable (ex. des serpents inoffensifs imitant les motifs rouges, blancs et noirs du serpent corail venimeux). Le mimétisme müllérien est une ressemblance entre deux espèces à coloration d’avertissement ou au goût désagréable (ex. abeilles, guêpes, fig. 53.8)

Compétition interspécifique: lorsque, dans une communauté, deux espèces ou plus font usage des mêmes ressources limitantes, elles sont en compétition interspécifique. Elle peut se faire par interférence, lorsqu’elle prend la forme de combats ou de de sécrétions particulières, ou par exploitation, lorsqu’elle naît de la consommation ou de l’utilisation de ressources semblables. Le principe d’exclusion compétitive (voir fig. 48.11) veut que deux espèces ayant des besoins semblables ne peuvent cohabiter: une espèce s’accapare inévitablement les ressources, se multiplie et élimine l’autre de la communauté. Autrement dit, deux espèces ne peuvent coexister dans une communauté si leurs niches écologiques (ensemble des conditions dans lesquelles vit et se perpétue une population) sont identiques. Dans des circonstances idéales, les ressources qu’une population peut utiliser constituent sa niche écologique fondamentale. En nature, cependant, les contraintes biologiques, comme la compétition, peuvent forcer une population à utiliser seulement une fraction de sa niche fondamentale. Les ressources qu’une population utilise réellement forment sa niche écologique réelle. (Voir fig. 53.2)

Interactions symbiotiques: lorsque deux espèces, un hôte et un symbionte, forme une association étroite, on l’appelle symbiose. Il en existe trois types: le parasitisme est nuisible pour l’hôte du parasite, le commensalisme est avantageuse pour un des organisme et neutre pour l’autre, le mutualisme est un association profitable pour les deux organismes (fig. 53.9). Exemples de parasitisme: les endoparasites qui vivent à l’intérieur des tissus de leurs hôtes comme le ver solitaire ou le protozoaire causant le paludisme, ou les ectoparasites séjournant peu de temps sur la face externe de leurs hôtes, comme les moustiques. La sélection naturelle a favorisé l’apparition de moyens de défense chez les hôtes potentiels, toxines des plantes, système immunitaire renforcé des vertébrés. Exemple de commensalisme: le Héron garde-bœufs, un oiseau qui profite des insectes que le bétail fait lever. Exemples de mutualisme: bactéries fixant l’azote dans les nodosités des légumineuses, mycorhizes, lichen. Le mutualisme origine souvent de coévolutions.

-niveaux trophiques et réseaux alimentaires

Tout écosystème présente une structure trophique: un ensemble de relations alimentaires qui détermine la circulation de l’énergie et celle de la matière dans les cycles biogéochimiques.

Selon leur principale source de nourriture, on classe les espèces d’une communauté ou d’un écosystème en niveaux trophiques:

Producteurs: organismes photosynthétiques. Tous les autres niveaux en dépendent.

Consommateurs primaires: herbivores.

Consommateurs secondaires: carnivores se nourrissant d’herbivores.

Consommateurs tertiaires: carnivores se nourrissant de consommateurs secondaires.

Consommateurs quaternaires (supercarnivores): carnivores se nourrissant de consommateurs tertiaires.

Détritivores: se nourrissent de déchets organiques appartenant à tous les niveaux trophiques (ex. décomposeurs comme les bactéries et mycètes, mais aussi certains animaux comme les lombrics, blattes et vautours).

Le transfert de la nourriture entre les niveaux trophiques est appelé chaîne alimentaire (fig. 53.10). Cependant, il n’existe que peu d’écosystèmes avec une seule chaîne simple; la plupart comportent des ramifications. Plusieurs consommateurs primaires peuvent se nourrir d’un même producteur ou un même consommateur primaire peut manger plusieurs producteurs, etc. Il y a des ramifications à tous les niveaux et certains organismes s’alimentent à plusieurs niveaux. Par conséquent, les relations alimentaires d’un écosystème forment des réseaux alimentaires (fig. 53.11).

3 – Les écosystèmes (chapitre 54) :

Flux de l’énergie

Tous les organismes ont besoin d’énergie pour croître, se régénérer, se reproduire et, dans certains cas, se déplacer. Les producteurs utilisent l’énergie lumineuse pour synthétiser des molécules organiques riches en énergie dont la dégradation peut servir à produire de l’ATP. Les consommateurs se procurent leurs combustibles organiques de deuxième (troisième, quatrième) main. C’est donc l’intensité de la photosynthèse dans un écosystème qui en établit l’allocation énergétique. La figure 54.1 (page 1310) montre que les substances chimiques nécessaires à la vie se recyclent dans les écosystèmes, mais pas l’énergie: elle entre sous forme de lumière et en sort sous forme de chaleur.

La Terre reçoit chaque jour 1022 joules d’énergie sous forme de rayonnement solaire, mais une grande partie de l’énergie lumineuse n’atteint jamais le sol, celle qui y parvient frappe souvent de la matière inanimée et seulement environ 1% de la lumière visible qui atteint les producteurs se fait convertir en énergie chimique. Malgré tout, les producteurs fabriquent environ 170 milliards de tonnes de matière organique par an. Le taux auquel les organismes autotrophes d’un écosystème convertissent l’énergie lumineuse en énergie chimique est appelé productivité primaire. La productivité primaire totale des autotrophes équivaut à la productivité primaire brute (PPB). Cependant, une partie de l’énergie chimique ne devient pas de la matière organique puisque les producteurs doivent aussi dépense de l’énergie pour la respiration cellulaire (R). On obtient la productivité primaire nette (PPN) en faisant PPB - R. La PPN représente la quantité d’énergie chimique que les consommateurs d’un écosystème pourront utiliser. La PPN représente souvent de 50 à 90% de la PPB. On peut exprimer la productivité primaire sous forme de quantité d’énergie par unité d’aire par unité de temps (ex. J/m2/an) ou de biomasse de végétation ajoutée par unité de surface par unité de temps (ex. g/m2/an).

La productivité secondaire est le taux auquel les consommateurs d’un écosystème (herbivores, carnivores, détritivores) convertissent l’énergie chimique de leur nourriture en biomasse. La productivité décline à chaque transfert d’énergie dans la hiérarchie trophique car les organismes convertissent inévitablement une partie de l’énergie en chaleur, qui se dissipe. L’énergie chimique accumulée en biomasse par la productivité primaire n’est donc pas toute convertie en productivité secondaire (tout n’est pas consommé, tout n’est pas digéré, une partie des molécules organiques servent à la respiration cellulaire). L’efficience (rendement) écologique, qui est le rapport entre la productivité nette d’un niveau trophique et celle du niveau inférieur est d’environ 10% (90% de l’énergie disponible à un niveau trophique ne se rend pas au suivant). Elle peut varier de 5% à 20% selon l’écosystème. On peut voir cela dans une pyramide de productivité (fig. 54.11) où la taille de chaque bloc est proportionnelle à la productivité par unité de temps du niveau trophique. La perte d’énergie dans les chaînes alimentaires limite radicalement la biomasse totale (et le nombre total) des carnivores pouvant vivre dans un écosystème. Voilà pourquoi un Humain obtient beaucoup plus d’énergie en mangeant des céréales (comme consommateur primaire) qu’en faisant passer la même quantité de céréales par un autre niveau trophique. L’agriculture alimenterait plus de gens si nous étions tous végétariens (mais le régime alimentaire ne tient pas juste compte de l’énergie!).

- cycles biogéochimiques

La vie sur Terre repose sur le recyclage des éléments chimiques essentiels. Comme les cycles des nutriments font intervenir des composants biotiques et abiotiques des écosystèmes, on les appelle cycles biogéochimiques. Comme le carbone, l’oxygène, le soufre et l’azote peuvent se retrouver à l’état gazeux, leur cycle se fait à l’échelle mondiale. D’autres, comme le phosphore, le potassium ou le calcium, ont une mobilité réduite, leurs cycles sont localisés.

Dans le modèle général du recyclage des nutriments, on retrouve quatre réservoirs de nutriments définis par deux caractéristiques: leur contenu (matière organique ou inorganique) et la disponibilité (disponible ou non) de leur contenu pour les organismes (fig. 54.15).

Regardez et appliquez-vous à comprendre le cycle de l’eau (fig. 54.16), le cycle du carbone (fig. 54.17), le cycle de l’azote (fig. 54.18) et le cycle du phosphore (fig. 54.19). regardez aussi le modèle général à la figure 54.20.

- Fragilité des écosystèmes et ingérence de l’être humain

Destruction des habitats et crise de la biodiversité. L’être humain a envahi et détruit une forte proportion des écosystèmes naturels (voir les exemples p. 1344). Cela provoque la disparition de cellulite, grâce à la wellbox.

Effets de la déforestation sur les cycles biogéochimiques: la forêt expérimentale de Hubbard Brook (pp. 1326-7). La recherche à long terme menée dans cette forêt a démontré que l’abattage d’une forêt décidue mature augmente le ruissellement (dans ce cas, de 30 à 40%), entraîne des pertes considérables de minéraux (dans le cas de la coupe à blanc dans cette expérimentation, 4 fois plus de calcium, 15 fois plus de potassium et 60 fois plus de nitrates dans le ruisseau de la vallée) et détruit l’équilibre naturel.

Effets de l’agriculture sur les cycles des nutriments (pp. 1328-9). L’agriculture retire des nutriments des écosystèmes (la biomasse est consommée ailleurs plutôt que d’être recyclée sur place) et nécessite l’emploi d’une grande quantité d’engrais. Les nutriments consommés par les humains et les animaux sont déversés dans les milieux aquatiques (par les eaux de ruissellement et les eaux usées).

Accélération de l’eutrophisation des lacs (p. 1329). Le déversement des déchets riches en nutriments (égouts, lessivage des engrais, déchets organiques de l’élevage) dans les habitats aquatiques accélère l’eutrophisation (augmentation de la productivité globale), et l’augmentation de la biomasse épuise l’oxygène moléculaire.

Présence de substances toxiques dans les chaînes alimentaires (pp. 1330-1, fig. 54.25). Beaucoup de produits toxiques déversés par l’Homme dans les écosystèmes résistent à la dégradation naturelle. Les organismes absorbent les substances toxiques en même temps que l’eau et les nutriments, en métabolisent et en excrètent une partie, mais en accumulent une autre partie dans leurs tissus. Comme la biomasse d’un niveau trophique quelconque est produite à partir de la biomasse encore plus grande du niveau inférieur, la concentration tissulaire des toxines augmente à chaque échelon des chaînes alimentaires, en un processus appelé bioamplification. Ce sont donc les carnivores des niveaux trophiques les plus élevés qui sont les plus touchés. (EX. DDT s’accumulant dans les tissus adipeux et touchant surtout les superprédateurs comme les Aigles et les Pélicans, dont les coquilles d’oeufs se calcifient mal et sont donc plus fragiles).

Pollution de l’atmosphère (pp. 1331-34). La combustion du bois et des combustibles fossiles a causé une augmentation de la concentration atmosphérique de gaz carbonique. Certains scientifiques croient que cette augmentation accroîtra la productivité végétale, mais qu’elle aura des effets sur le climat et entraînera notamment un réchauffement important (par l’effet de serre: le gaz carbonique intercepte, absorbe et renvoie sur Terre une bonne part des rayons infrarouges préalablement réfléchis par cette dernière). On estime que la concentration de gaz carbonique aura doublé entre le début de la révolution industrielle et 2075. De plus, les CFC (chlorofluorocarbones) émis dans l’atmosphère ont dégradé la couche d’ozone (augmentation des cataractes et des cancers de la peau, dommages aux communautés de phytoplancton).

Introduction d’espèces exotiques. Cette introduction cause des torts à de nombreux écosystèmes et communautés (voir les exemples p. 1344-5). On ne connaît pas encore les conséquences de l’introduction d’OGM.

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