La biodiversité existe à différentes échelles : à l'échelle des écosystèmes, à l'échelle des espèces et au sein même d'une espèce (diversité génétique). Elle évolue en permanence, de façon naturelle ou du fait des activités humaines. On classe les espèces en fonction des caractères qu'elles partagent. Ainsi, il est possible d'identifier des taxons (ensemble regroupant des espèces issues d'un même ancêtre commun et partageant différents caractères), comme celui des vertébrés. Deux mécanismes principaux influencent l'évolution de la fréquence des allèles au sein des populations : la dérive génétique et la sélection naturelle.
La biodiversité
Les différentes échelles de la biodiversité
La surface de la Terre présente une grande variété d'organismes vivants et de lieux de vie. Cette biodiversité s'observe à différents niveaux.
Biodiversité
La biodiversité désigne la diversité biologique, c'est-à-dire la diversité de l'ensemble des formes du vivant.
Un étang peut héberger une forte biodiversité s'il y a par exemple des poissons, des insectes et des mammifères qui s'y côtoient.
La biodiversité des écosystèmes
La biodiversité s'observe d'abord au niveau des écosystèmes. En effet, presque tous les milieux abritent la vie, même ceux que l'on considère comme hostiles, c'est-à-dire avec des conditions difficiles (peu de lumière, peu d'oxygène, sécheresse extrême, etc.).
Chaque écosystème présente des caractéristiques particulières, et il existe beaucoup d'écosystèmes très variés. Chaque être vivant résidant dans un milieu donné est adapté aux conditions de vie particulières de ce milieu.
Écosystème
Un écosystème est un ensemble constitué d'un milieu qui a des caractéristiques particulières, et de tous les êtres vivants qui y habitent. L'écosystème représente l'ensemble des liens (échanges d'énergie et de matière) entre les individus habitant le milieu, mais également les échanges avec le milieu lui-même.
Une forêt, ou encore un lac, sont des écosystèmes naturels.
Les champs cultivés sont des écosystèmes créés par l'Homme.
La biodiversité des espèces, ou biodiversité spécifique
Il existe une très grande variété d'organismes sur notre planète : animaux, végétaux ou bactéries. Pour évaluer cette biodiversité, il est nécessaire de dénombrer toutes les espèces de l'écosystème étudié et leurs effectifs.
Espèce
Une espèce est un ensemble d'individus qui ont des caractères communs. Chez les êtres vivants, on considère souvent comme étant une espèce un ensemble d'individus qui peuvent se reproduire entre eux et dont la descendance est fertile.
Actuellement, environ 1,75 million d'espèces vivantes ont été recensées. Cependant, on estime qu'il y en a encore beaucoup plus à découvrir, en particulier parmi les bactéries. Des estimations récentes situent la biodiversité réelle à environ 8,7 millions d'espèces, mais il est tout de même difficile d'évaluer précisément cette biodiversité.
La biodiversité génétique, ou biodiversité intraspécifique
La biodiversité s'observe aussi au sein même des espèces : on parle de biodiversité intraspécifique. En effet, les individus présentent tous des petites variations de leur patrimoine génétique. Cela est dû au fait que de nombreux gènes sont présents sous forme de plusieurs allèles. Les individus d'une même espèce se distinguent donc les uns des autres par la possession de tel ou tel allèle pour un même gène, ce qui leur confère un phénotype différent. Les mutations permettent l'apparition de nouveaux allèles et donc d'augmenter cette variabilité.
Phénotype
Le phénotype correspond à tous les caractères observables et mesurables chez un individu.
L'évolution de la biodiversité
La biodiversité présente sur Terre est modifiée en permanence. Certaines espèces apparaissent par transformation des espèces existantes et d'autres disparaissent.
L'inventaire de la biodiversité actuelle ne représente donc qu'une partie de la biodiversité qui a existé sur la Terre. La durée d'existence moyenne d'une espèce vivante est estimée à environ 1 million d'années et près de 98% des espèces qui ont vécu sur Terre sont aujourd'hui éteintes. On retrouve des traces de ces espèces sous la forme de fossiles présents dans les roches sédimentaires.
Le peuplement de la Terre se modifie donc au cours du temps. Les extinctions des espèces ont lieu de façon continue, et plus massivement lors des crises biologiques (disparition de 80% des espèces en quelques milliers ou millions d'années). Ces dernières sont généralement causées par des modifications naturelles majeures des conditions de vie des êtres vivants, comme lors d'une éruption volcanique importante ou lors de la chute d'une grosse météorite.
Crise biologique
On appelle crise biologique une période assez courte durant laquelle, à l'échelle du globe, un grand nombre d'espèces animales et végétales disparaissent simultanément. On parle aussi d'extinction massive.
Une crise biologique est en général due à des catastrophes naturelles à grande échelle.
La crise Crétacé - Tertiaire s'est déroulée il y a 65 millions d'années et a vu, entre autres, la disparition des dinosaures.
De plus, bien qu'il ait toujours existé un rythme d'extinction naturelle, l'Homme, depuis qu'il se développe fortement, cause une augmentation très importante du rythme d'extinction des espèces, ce qui fait de l'époque moderne une période de crise biologique.
Rythme d'extinction naturelle
Le rythme d'extinction naturelle est le nombre d'espèces qui s'éteignent chaque année en l'absence de l'action de l'Homme.
On considère que la limite de rythme d'extinction qui permet de conserver la vie sur Terre est d'environ dix extinctions par millions d'espèces et par an. Ce taux est dix à cent fois le taux considéré comme naturel.
Les causes de l'impact de l'Homme sur la biodiversité sont multiples :
- La destruction des espaces naturels, riches en espèces végétales et animales dont on détruit le milieu de vie. Ces espaces se trouvent morcelés.
- Les polluants chimiques émis, comme les pesticides, souvent toxiques pour les êtres vivants.
- Le changement climatique, qui modifie les conditions du milieu et donc les conditions de vie des espèces
- La surexploitation des ressources vivantes
L'Homme a pris conscience de cette perte de biodiversité et des problèmes qu'elle engendre. Par exemple, la biodiversité est précieuse car elle est une source immense de progrès pour l'humanité.
Les espèces végétales sont sources de molécules pharmaceutiques utiles pour l'Homme. Il cherche donc des solutions pour conserver la biodiversité en protégeant certains sites.
La parenté
Les liens de parenté
Au cours de l'évolution, les individus subissent des mutations, ce qui peut aboutir à de nouvelles espèces. Ces dernières possèdent des caractères communs et d'autres différents. Il est possible de définir leur ancêtre commun qui est un organisme hypothétique possédant les mêmes caractéristiques que ces deux espèces.
Les organismes vivants sont donc liés entre eux par des ancêtres communs hypothétiques, il existe des liens de parenté entre les êtres vivants. On peut ainsi classer les espèces par groupes (ou taxons) en fonction des caractères qu'elles présentent. En comparant les groupes entre eux on peut alors définir des caractères qu'ils partagent et ceux qui les séparent. On constitue ainsi des matrices de caractères traduisant des liens de parenté entre les espèces et les groupes.
On peut ensuite représenter ces liens de parenté sous la forme de groupes emboîtés, mettant en évidence les caractères communs des êtres vivants :
Représentation sous forme de groupes emboîtés des caractères partagés par différents groupes d'animaux, appartenant au groupe des vertébrés.
On peut également représenter les relations entre les espèces sous forme d'un arbre de parenté, aussi appelé arbre phylogénétique. Les branches de l'arbre correspondent à l'évolution des caractères, les nœuds correspondent à l'ancêtre commun qui a transmis les caractères dont il hérite à toute sa descendance. Les espèces qui sont proches sur l'arbre ont une parenté plus proche que celles qui sont éloignées. Les caractères sur les branches sont les nouveaux caractères qui apparaissent, on les nomme des innovations évolutives.
Exemple d'un arbre phylogénétique traduisant la parenté entre les vertébrés
L'organisation des vertébrés
Les vertébrés regroupent, au sein des êtres vivants, 50 000 espèces actuelles et éteintes. Ils se définissent par le partage de caractères communs, comme la possession d'un squelette interne osseux ou cartilagineux. De plus, l'observation de leur morphologie montre qu'ils possèdent tous un même plan d'organisation.
On distingue chez eux des axes de polarité ainsi qu'un axe de symétrie.
- Un axe de polarité antéro-postérieur qui permet de localiser l'avant de l'arrière de l'individu, on note toujours la même suite osseuse chez les vertébrés le long de cet axe. On y retrouve pour tous, dans le même ordre, une tête puis un tronc (organes internes) et enfin une queue selon les espèces.
- Un axe de polarité dorso-ventral qui permet de localiser la zone où l'on retrouve le ventre, de la zone où l'on retrouve le dos de l'individu.
- Un plan de symétrie bilatérale qui va permettre de distinguer une zone droite d'une zone gauche, les deux étant quasi semblables.
Plan d'organisation
Le plan d'organisation d'un organisme est la disposition de ses différents éléments constitutifs (axes de polarité et place des différents organes).
Le plan d'organisation des vertébrés est différent de celui des étoiles de mer (Asteroidea). Les vertébrés ont une symétrie axiale (bilatérale) tandis que les étoiles de mer ont une symétrie centrale.
Axe de polarité
Un axe de polarité décrit l'arrangement de certains organes dans un ordre particulier, selon un axe donné.
Chez les vertébrés il existe deux axes de polarité :
- L'axe de polarité antéro-postérieur est un axe constitué de deux extrémités différentes (pôles), où la tête est le pôle avant, la queue correspond au pôle arrière et le tronc correspond au centre du corps. La colonne vertébrale est située selon cet axe.
- L'axe de polarité dorso-ventral se définit par la localisation du dos et du ventre. Chez les vertébrés, le système nerveux est en position dorsale.
Symétrie bilatérale
La symétrie bilatérale signifie que le corps de l'animal comporte deux parties similaires selon un plan de symétrie. La plupart des organes sont donc pairs, à l'extérieur (yeux, membres, etc.) comme à l'intérieur de l'organisme (reins, poumons, etc.).
Il est possible d'avoir une symétrie bilatérale sans que l'ensemble des organes existent en deux exemplaires symétriques. Chez l'humain par exemple, le cœur est d'un seul côté.
Représentation du plan d'organisation externe d'une souris et d'une grenouille
Les différentes espèces de vertébrés ont un plan d'organisation identique, c'est-à-dire que les organes et les os sont disposés presque sur la même zone. Ces similitudes reflètent une parenté entre eux. Cela montre que les vertébrés ont un ancêtre commun, qui avait un squelette interne avec une colonne vertébrale, une symétrie bilatérale, un axe de polarité antéro-postérieur et un axe de polarité dorso-ventral.
Les facteurs génétiques qui influencent l'évolution de la biodiversité
La diversité des allèles
Au sein des diverses populations d'une même espèce, la quantité et la diversité d'allèles pour un même gène varie.
Population
Une population est un ensemble d'individus d'une même espèce vivant au même endroit.
Deux populations d'une même espèce peuvent vivre dans une même zone mais constituer des populations différentes car elles ne vivent pas exactement dans les mêmes milieux.
Par exemple, il peut y avoir des populations des plaines et d'autres des montagnes.
La fréquence allélique est le nombre d'exemplaires d'un allèle d'un gène dans une population, rapporté au nombre total d'allèles de ce gène existant dans la population. Ces fréquences diffèrent selon les populations d'une même espèce. Cela constitue la diversité allélique.
La dérive génétique et la sélection naturelle
La diversité allélique diffère selon les populations. Cela suggère qu'il existe des mécanismes influençant l'évolution de la fréquence des allèles au sein des populations au cours du temps.
Les mutations sont l'un de ces mécanismes, elles permettent l'apparition de nouveaux allèles.
Au sein d'une population, tous les individus ne transmettent pas systématiquement tous leurs allèles à leur descendance. En effet, un gamète est unique, il possède une seule combinaison d'allèles (tous gènes confondus) et lors de la fécondation, chaque parent ne transmet qu'un seul gamète (sur les 2n gamètes disponibles), c'est un phénomène aléatoire. Une partie des allèles d'une population n'est donc pas transmise, via ce phénomène aléatoire. Les fréquences alléliques varient donc de manière aléatoire au cours du temps, au sein des populations. Ces variations constituent la dérive génétique et elles sont d'autant plus importantes que la population comporte peu d'individus.
Dérive génétique
La dérive génétique est le phénomène de tirage aléatoire d'allèles d'une génération à une autre. Ce phénomène est d'autant plus important que la population est petite.
Pour un même nombre d'allèles, la fréquence sera plus grande dans une petite population, les variations seront donc plus fortes.
Pour un allèle représenté 20 fois, la fréquence sera de \dfrac{20}{40}=0{,}5 pour une population de 40 individus hétérozygotes. Elle sera de \dfrac{20}{100}=0{,}2 pour une population de 100 individus.
Dans une petite population, la mort accidentelle d'un seul individu peut par exemple éliminer un allèle de la population.
D'autre part, au sein d'une population, certains individus sont plus adaptés à leur environnement que d'autres. Or, les caractères d'un individu dépendent de ses gènes, donc de ses allèles.
- Certains allèles améliorent la survie des individus qui les possèdent : on dit qu'ils leur confèrent un avantage sélectif. Les individus possédant un allèle favorable se reproduisent plus que les autres, et transmettent cet allèle à leurs descendants : la fréquence de cet allèle augmente.
- À l'inverse, les individus possédant un allèle défavorable à leur survie ont moins de descendants : la fréquence de cet allèle diminue.
Ce processus est appelé la sélection naturelle.
Sélection naturelle
La sélection naturelle est une modification des fréquences alléliques en fonction des conditions du milieu dans lequel vit la population. Elle a pour effet de faire augmenter la fréquence des allèles qui confèrent un avantage (pour se nourrir, survivre et se reproduire) et de diminuer la fréquence des allèles qui confèrent un désavantage.
Un même allèle peut conférer un avantage dans certains milieux et un désavantage dans d'autres. C'est pour cela que l'on parle de sélection des individus les plus adaptés au milieu.
Les mutations, la dérive génétique et la sélection naturelle sont des mécanismes d'évolution pouvant modifier la diversité allélique au sein d'une population. Ces processus peuvent conduire, au cours du temps, à la différenciation des populations et à la genèse de nouvelles espèces.