1 effets des organismes sur leur environnement ird, umr 137 s. barot

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Effets des organismes sur leur environnement

IRD, UMR 137 S. Barot

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Notions d’ingénieur des écosystèmes

Les différents types d’ingénieur des écosystèmes

La boucle de rétroaction ingénieurs- environnement

Etude par la modélisation

Evolution des activités d’ingénieur

Plan

LV 335, Effets de organismes , Barot

Conclusion

Interaction avec les autres organismes

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Notion d’ingénieur des écosystèmes


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L’écologie c’est longtemps surtout occupé de relations entre espèces

Il est évident que l’environnement influence les organismes


L’inverse est aussi vrai!

Proie

Prédateur

Hôte

Parasite

Organisme

Environnement

5


Relations trophiques /

Relations non trophiques

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Analogie avec les activités humaines


Ingénieurs des écosystèmes (Jones 1994)

Idée que la plupart des organismes modifient leur environnement

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Organisme ingénieur = organismes modifiant les propriétés physico-chimique de son milieu sans agir

directement sur un autre organisme

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Interactions indirectes avec d’autres organismes

L’effet de l’ingénieur n’est pas forcément proportionnel à sa taille ou à la densité d’individus

Conséquences


Ingénieur

Environnement

Organisme 1

Organisme 2

Organisme n

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Les différents types d’ingénieur des écosystèmes


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Autogénique : qui modifie le milieu par sa simple présence physique

Allogénique : qui modifie le milieu par son action, des échanges avec le milieu …

Allogénique / autogénique


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Autotrophe / hétérotrophe

Cas des plantes

Cas des autotrophes et des hétérotrophes saprophages


Cas des saprophages

Eau Selsminéraux

Zone de déplétion

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Eau, sels minéraux Matière organique morte

Utilisation d’une ressource non-vivante


Effets physico-chimiques sur le milieu

Compétition avec les autres organismes

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Beaucoup de champignons

Beaucoup de macroorganismes des sols

Une grande variété d’organismes saprophages


Beaucoup de bactéries

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Compétition avec les autres saprophages Modifie la MO, fournissant par là de la nourriture pour d’autres saprophages

De nombreux effets


Change le milieu en dégradant la MO

Recyclage des nutriments

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Les plantes absorbent des nutriments minéraux (en particulier l’azote nécessaire pour les protéines)

Recyclage des nutriments


La décomposition libère ces nutriments

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Les écosystèmes sont des systèmes ouverts


Des organismes augmentent les entrées de nutriments

Des organismes augmentent les sorties de nutriments

Bactéries fixatrices d’azote Dénitrification

Organismes augmentant le lessivage

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Tous les effets des plantes


Microclimat (lumière, température, vent)

Création d’habitat (canopée, racines)

Apport local de MO (litière + racines + exsudats)

Possible influence sur les entrées et sorties de nutriments

Diminution locale de la disponibilité en eau et nutriments

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Cas particulier


Importance de la spatialisation

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Nombreux cas de végétation structurée


Bandes de végétation ligneuse en zone tropicale

Bosquets en zone tropicale

Ligneux formant des ‘‘haies’’ dans les zones de tourbière

Rietkerk et al. 2004 TrEE

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Déplacement de la bande de végétation

Cas de la brousse tigrée

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Création d’habitat: exemple des récifs coralliens


Le corail, les éponges et les algues construisent un support physique = habitat

Grande barrière de corail (Australie)

En plus des effets trophiques (corail comme base du réseau trophique) Protègent des vague. Nurseries. Support.

Abritent une très grande biodiversité

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Le fruit d’une association symbiotique


Un cnidaire = polype, se nourrit de zooplancton

Une algue unicellulaire symbiotique = Zooxanthelles Fournit de la MO Recycle les déchets azotés des polypes Participe à la précipitation du calcaire en fixant le CO2

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Un écosystème menacé mondialement


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Notion d’espèce clef

Espèce qui par son rôle trophique, ou d’ingénieur influencent de nombreuses

espèces de l’écosystème ou ses propriétés fondamentales (production primaire...)

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Cas des vers de terre


Vivent et se déplacent dans le sol

Nourriture?Matière organique du solLitière

Galerie

Plusieurs Groupes fonctionnels

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Consomme tout le sol en quelques années

Modifie la structure du sol (taille et stabilité des agrégats). Stabilité physique Pénétration des autres organismes

Galerie Augmente l’infiltration de l’eau Temps à augmenter le lessivage

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Incorporation de la MO

Fragmentation de la MO

Assimilation d’une partie de la MO ingérée

Stimulation d’une partie de la microflore

Participation à la décomposition de la MO

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Effets sélectifs sur la microflore (par exemple stimulation de bactérie dénitrifiantes, en général décroissance de la biomasse microbienne)

Structure l’habitat de tous les organismes du sol

Augmente en général la croissance des plantes Mécanismes?

Effet sur les autres organismes

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Isoptères (Ordre)

E des sols, Barot

Cas des termites

Très nombreuses surtout dans les régions tropicales

Mode de vie social comme les fourmis Existence de différentes castes

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Termites

E des sols, Barot

Aspect ingénieur Galerie Placage Termitières Buttes Récolte d’argile

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E des sols, Barot

Termites Effet sur le recyclage de la MO Consomment essentiellement de la matière organique végétale morte

Termites humivores Termites lignivores

Termites récoltant des restes d’herbacées

Comment digérer la cellulose et la lignine?

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E des sols, Barot

Termites Assimilation de la MO Symbioses avec des protozoaires intestinaux (qui contiennent des bactéries!)

Termites champignonnistes

Recyclage des nutrimentsCréation de taches de fertilité

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Structure spatiale d’une savane (Lamto)

Barot et al. Ecology 1999

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Mise en évidence d’une stratégie particulière d’exploitation du sol

Sous bosquet (sans Rônier)Hors bosquet

Densité racinaire (kg /m3)

Pro

fond

eur

(cm

)

Mordelet, Barot, Abbadie, Plant and Soil 1996

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La boucle de rétroaction ingénieurs-

environnement


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Notion de boucle de rétroaction


Cas d’une rétroaction positive

Cas d’un rétroaction négative

Organisme

Environnement

Changements qualitatifs et quantitatifs

Effet positif ou négatif ?

Organisme

Environnement+ -

tEnv

t et

Ing

Organisme

Environnement+

tEnv

t et

Ing

+

Est-ce la seule dynamique possible?

Est-ce réaliste?

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Cas de la rétroaction positive


Exemples?

L’activité de l’organisme ingénieur favorise l’ingénieur (croissance, survie, fécondité …)

Cas des plantes fixatrices d’azote

Cas des bactéries saprophages

Enzymes

Nutriments

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Cas de la rétroaction positive


L’organisme ingénieur construit sa propre niche

Cela peut lui permettre de coloniser des environnements ou sinon il ne pourrait pas survivre

Cela peut lui permettre de gagner la compétition contre d’autres organismes

39

Cas de la rétroaction négative


Exemples?

L’activité de l’organisme ingénieur défavorise l’ingénieur (croissance, survie, fécondité …)

Tous les cas où la modification des propriétés physico-chimique diminuent la disponibilité d’une ressource

Eau Selsminéraux

Zone de déplétion

Cas des vers de terre

Rétroaction négative = mécanisme de régulation = phénomène de densité dépendance indirecte

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Étude par la modélisation


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Des dynamiques complexes


Cas d’un rétroaction positive

Organisme

Environnement

Changements qualitatifs et quantitatifs

Effet positif ou négatif

tEnv

t et

Ing

tEnv

t et

Ing

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Pourquoi construire un modèle mathématique?


Faire des prédictions générales

Comprendre les phénomènes observés sur le terrain ou au laboratoire

Expérimentation

Modélisation

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Modèle moyen


2 équations

1 ( ) ( )E t E t C I t DE t

1I t I t I t a bE t I t

E : état de l’environnement I : densité d’ingénieurs

C : effet des ingénieurs sur l’environnement

D: retour naturel de l’environnement à son état normala : taux d’accroissement pour E=0 et I=0 b : effet de l’environnement sur le taux d’accroissement : densité-dépendance négative

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Exemple de résultats (on choisit des valeurs numériques pour les paramètres)


200 400 600 800 1000

10

15

20

25

30

35

200 400 600 800 1000

20

40

60

Environnement Ingénieurs

tt10

20

30

20

40

60

Qu’observe-t-on?Les ingénieurs se maintiennent

La dynamique provoque une variabilité temporelle

La dynamique est cyclique

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Mécanisme


t

Ingé

nieu

rs

t

Env

ironn

emen

t

Synergie IngénieurEnvironnement

Retour de l’environnement

Densité dépendancenégative

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Analyse mathématique


Il existe des méthodes adéquates

Différents comportement possible Dynamique périodique Dynamique chaotique Extinction Équilibre

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Analyse mathématique


Il existe des méthodes adéquates

Différents comportement possible Dynamique périodique Dynamique chaotique Extinction Équilibre

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Dynamique spatiale


Un ingénieur transforme localement son environnement

Un ingénieur transforme dépend de son environnement local

Dispersion de l’ingénieur

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Un programme de simulation


Densité moyenne et état moyen constant de l’environnement constants

Apparition d’hétérogénéité spatiale

Variabilité temporelle locale (dans chaque case)

Apparition d’une structure spatiale

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Conclusions sur les 2 modèles


La boucle de rétroaction ingénieur- environnement aboutit probablement à des dynamiques complexes

Elle conduit probablement à de la variabilité spatiale et temporelle de l’environnement et des densités d’ingénieurs

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Évolution des activités d’ingénieur


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Dans le cas d’une rétroaction positive


L’ingénieur tire bénéfice de son activité d’ingénieur Des gènes déterminent ces activités d’ingénieurs Les activités d’ingénieur peuvent être sélectionnées par l’évolution

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Notion de phénotype étendu (R. Dawkins)


Environnement comme phénotype extérieur = étendu

Gènes

PhénotypeProtéines Sélection

Gènes

PhénotypeProtéines Sélection

Environnement

Activitésd’ingénieur

Rétroaction

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Cas d’une activité d’ingénieurs bénéficiant à tous les individus


La production d’enzyme doit avoir un coup

Enzymes

Nutriments

Bactérie ne transformant pas son environnement

Bactérie transformant son environnement

Comment la production d’enzymes peut-elle être sélectionnée?

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Interactions avec les autres organismes


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Les modifications environnementalestouchent potentiellement toutes les espèces


Ingénieur

Environnement

Organisme 1

Organisme 2

Organisme n

Effet indirect des activités d’ingénieur

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Types d’interaction indirecte


Création d’habitat

Fournit/utilise une ressource une ressource

Modifie l’habitat

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Effet de la variabilité et de l’hétérogénéité


Les ingénieurs créent de la variabilité spatiale et temporelles

Cela pourrait augmenter la biodiversité?

Créent de nombreuses niches

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Inclure les ingénieurs dans les réseaux d’interaction?


Un réseau trophique aquatique

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Les ingénieurs comme espèce clef?


Influence très grande sur les autres espèces

Espèces à protéger

Influence les propriétés de l’écosystème

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Conclusion


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Interaction intime entre biotique et abiotique

Utiliser les ingénieurs en ingénierie écologique?

Problème évolutif

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