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Created on May 05, 2023
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    Thème 3 - Histoire du vivant
  Chapitre 1 - La biodiversité et son évolution
I. Introduction
Biodiversité : diversité des êtres vivants au sein d’un écosystème
Ecosystème : biocénose (ensemble des êtres vivants) + biotope (milieu minéral)
Importance de la biodiversité :
Biosphère (fonctionnement des écosystèmes dont les chaînes alimentaires)
Hydrosphère (forêts et cycle de l’eau liés)
Atmosphère (êtres vivants et cycle du carbone liés)
Activités humaines (agriculture, médecine, énergie, construction...)
Objectifs du chapitre :
Comprendre les méthodes d’étude de la biodiversité
Étudier la structure génétique des populations en utilisant un modèle
Envisager comment limiter l’impact des activités humaines sur la biodiversité

II.Mesure de la biodiversité
1) Définitions
Espèce : ensemble d’êtres vivants capables de se reproduire entre eux, de donner une descendance fertile et partageant une combinaison commune de caractères morphologiques, de gènes.
Taxon : groupe d’êtres vivants (espèce, famille, ordre, etc).
Abondance des espèces au niveau d’un écosystème : nombre d’individus d’une espèce / nombre total d’individus.
Richesse spécifique de l’écosystème : Nombre d’espèces au sein de
l’écosystème.

2) Méthodes classiques d’évaluation de la biodiversité basées sur la morphologie.
Les méthodes classiques d’évaluation de la biodiversité basées sur des
critères morphologiques font intervenir la mesure sur le terrain de l’abondance
et de la richesse spécifique.

a) Comparaison de la biodiversité de deux écosystèmes du mont Alban (Nice) : la garrigue et la forêt de chênes verts.
Infos : Richesse spécifique : 22 / garrigue vs 15 / forêt de chêne vert
Indice de Shannon :
Garrigue du mont Alban = 1,8 > Forêt de chênes vert du Mont Alban = 1,1
Conclusion : Biodiversité végétale de la garrigue du mont Alban > biodiversité végétale de la forêt de chênes verts du Mont Alban. 

b) Evaluation de l’effectif d’une population d’animaux : Méthode Capture – Marquage – Recapture
Effectif d’une population (cas des animaux) : Nombre d’individus au sein de la population d’une même espèce → Méthode Capture – Marquage – Recapture
Document : Méthode de capture-marquage-recapture (CMR)
Un suivi des effectifs de population d’animaux peut être réalisé par la mise en œuvre d’une campagne de capture-marquage-recapture (CMR).
N = est l’effectif estimé de la population totale ; M est le nombre d’individus marqués dans la période de marquage ; m est le nombre total d’animaux recapturés dans la période de recapture ; n est le nombre d’animaux marqués recapturés dans la période de recapture. La relation suivante permet déduire N l’effectif estimé de la population totale.

N = (M x m) / n

Les individus ont été capturés à l’aide de nasses, ou de cages-pièges utilisées pour la capture des tortues exotiques. Le marquage des individus se fait par l’intermédiaire d’encoches réalisées sur la carapace à l’aide d’une lime selon un système de notation normé. Le protocole de capture était basé sur trois jours de capture successifs répétés au cours de trois sessions séparées par trois semaines d’intervalle. L’utilisation de modèles de type Capture-Marquage-Recapture (CMR) en population fermée permet d’estimer la taille d’une population échantillonnée à plusieurs dates au cours d’une même saison de reproduction.

Ces modèles posent les hypothèses suivantes :
• Survie locale de 100% au cours de la saison (pas de mortalité, pas d’émigration),
• Pas recrutement local (pas de natalité, pas d’immigration)
• La zone est prospectée de manière homogène au cours des sessions de capture.

Cas des Cistudes du marais de Targuguien Lansargus :
N en 2017 = (69x28) / 14 = 138 ; N en 2018 = (100x39) / 25 = 156

c) Évaluation de la qualité de l’échantillonnage.
  1) Notion d’intervalle de confiance.
L'intervalle de confiance (IC) :
= une plage de valeurs (intervalle) susceptible d'inclure une proportion de la
population caractérisée par un caractère donné avec un certain degré de confiance qui correspond à une probabilité (exemple 95%).
= estimation de la probabilité de rencontrer un individu ayant un caractère
(phénotype) dans la population
Remarque : Effectif élevé → intervalle de confiance réduit
f = fréquence d’un caractère

Cas : Estimation de la p probabilité de rencontrer une cistude mâle sur les marges de l’étang d’Or :
Borne inférieure de l’intervalle de confiance = f - (1/√n) avec f = 65/100= 0,65 √n = √100 = 10 d’où Borne inférieure de l’intervalle de confiance = 0,65 - 0,1 = 0,55

Borne supérieure de l’intervalle de confiance = f + (1/√n) avec f = 65/100= 0,65 √n = √100 = 10 d’où Borne inférieure de l’intervalle de confiance = 0,65 + 0,1 = 0,75

Conclusion : probabilité p = 0,95 (95%) d’avoir entre 55 et 75 mâles dans un
effectif de 100 cistudes prélevées dans le marais de Targuguien Lansargus.

  2) Évaluation de l’exhaustivité d’un échantillonnage de la biodiversité.
Si le nombre d’espèces en fonction de la surface prospectée n’augmente plus
on peut en déduire que l’échantillonnage est représentatif de la réalité.
Si le nombre d’espèces en fonction de la surface prospectée continue à augmenter on peut en déduire que l’échantillonnage n’est pas de représentatif
de la réalité. Il faut augmenter la surface d’échantillonnage.

3) Méthodes récentes d’évaluation de la biodiversité basées sur l’ADN : barcoding
Document : Méthode du barcoding moléculaire
Le barcoding moléculaire consiste à identifier une espèce en comparant une courte séquence de son ADN à toutes les séquences connues d’ADN rassemblées dans une banque de données, comme si l’on « scannait » son code-barres génétique. En comparant toutes les séquences d’ADN retrouvées dans un échantillon d’eau ou de sol à cette banque de données, les chercheurs peuvent identifier les espèces qui se trouvent dans cet échantillon : c’est le metabarcoding.

Le logiciel Blast https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi permet de traiter des
séquences d’ADN e (ADN environnemental) pour identifier des espèces sans les avoir observés. Ces méthodes sont cependant coûteuses et ne peuvent pas remplacer complétement les reconnaissances morphologiques sur le terrain.

Document : Mesure de la richesse spécifique des poissons du Rhône par
l’ADNe vs morphologie.

Document : Mesure de la richesse spécifique du plancton par l’ADNe vs
morphologie

Idées clés :
Les méthodes classiques (morphologie) et récentes (barcoding/ADN) d’étude de la
biodiversité sont complémentaires :
- Méthodes classiques basées sur la morphologie → données fiables /
anatomie et à la présence actuelle d’une espèce
- Méthodes récentes (barcoding/ ADN)
→ Données exhaustives / présence actuelle ou récente d’une espèce,
→ Possibilité d’identifier d’espèces non identifiables facilement sur des critères morphologiques.

Conclusion : Les techniques d’évaluation de la biodiversité des espèces de
type morphologique et ADN (Metabarcoding) sont complémentaires.

4) Découverte de nouvelles espèces et inventaire de la biodiversité mondiale.
Des expéditions scientifiques visent à compléter l’inventaire de la biodiversité
mondiale.
Ecosystèmes terrestres et marins → formés par des millions d’espèces (2,2 Millions identifiées pour l’instant)

III. Evolution génétique et population et modèle de Hardy-Weinberg
1) Etude de la structure génétique des populations : intérêt de la loi de Hardy-Weinberg
Le modèle de Hardy-Weinberg : un équilibre théorique de la fréquence des allèles au sein d’une population.

Hardy et Weinberg ont proposé un modèle théorique qui prévoit, sous certaines conditions, la stabilité des fréquences relatives des allèles dans les populations eucaryotes à reproduction sexuée.

La loi de Hardy-Weinberg s’énonce ainsi : 
soit une population caractérisée par la présence de deux allèles A1 et A2 du même gène A. La fréquence de l’allèle A1 est p et celle de l’allèle A2 est q avec q = 1-p.

La loi de Hardy-Weinberg stipule que pour une population de grande taille (nombreux individus) et en absence de pressions évolutives, de mutations, de sélection naturelle et de migration si les croisements se font au hasard alors les fréquences des génotypes A1A1, A1A2 et A2A2 sont respectivement p**2, 2pq, q**2 et restent inchangées au fil des générations.

S’il y a variation de la fréquence allélique au cours du temps, c’est qu’une condition n’est pas respectée au cours du temps → on peut évaluer l’impact évolutif de ce paramètre : force évolutive en œuvre (voir les conditions de la Loi de Hardy Weinberg).

Conditions de la loi de Hardy-Weinberg :
Pas de sélection naturelle : la population n’est pas soumise à la sélection naturelle
Pas de mutation : aucun nouvel allèle n'apparaît dans la population par modification d’un allèle préexistant
Pas de migration : la population n’est pas extraite d’un échantillon d’une population initiale
Population de grand effectif : la population n’est soumise à la dérive génétique
Reproduction au hasard : les couples se forment au hasard

Important : Forces évolutives mises en évidence par des données ne répondant pas à la Loi de Hardy Weinberg.

2) Evolution et modification de la structure génétique des populations
Idées clés :
*Mutations → nouveaux allèles

Mutation avec fréquence 1% à chaque génération → augmentation de la fréquence de l’allèle muté jusqu’à atteindre une fréquence de 100 % dans la population.

Allèle avec avantage ou désavantage sélectif par rapport à un environnement donné → sélection naturelle.
Exemple : Drosophile avec allèle vg -

*Sélection naturelle → avantage sélectif de certains phénotypes en termes de survie / environnement et/ou de reproduction (sélection sexuelle) → augmentation de la fréquence des allèles responsables du phénotype avantageux au sein de la population.

Exemple : Cas des drosophiles à ailes développées avantagées / Drosophiles à ailes vestigiales pour se nourrir en haut du dispositif expérimental → augmentation de la fréquence de l’allèle vg+ et diminution de celle de l’allèle vg-.

Exemple : Environnement avec paludisme : Individus hétérozygotes HbS HbA avantagés en terme de survie / aux individus homozygotes HbS HbS et HbA HbA → augmentation de la fréquence de l’allèle HbS et diminution de celle de l’allèle HbA.

Exemple : Environnement sans paludisme : Individus hétérozygotes HbS HbA désavantagés en terme de survie / aux individus homozygotes HbA HbA → augmentation de la fréquence de l’allèle HbA et diminution de celle de l’allèle HbS.

Cas de la sélection sexuelle :
Exemple : Cas des mouton Soay avec l’allèle Ho+ dominant → Phénotypes [Cornes] + [Espérance de vie faible] vs l’allèle Horécessif → Phénotypes [Pas de cornes] + [Espérance de vie élevée] → succès reproducteur de l’espèce lié à un compromis entre taux de survie et accès aux femelles.

Exemple : Cas de la dérive génétique → variation aléatoire de la fréquence des allèles responsables du phénotype au sein d’une population de faible effectif → appauvrissement génétique de la population → risque de disparition de la population.

IV. Protection de l’environnement



idée clés :
Fragmentation des écosystèmes : Diminution de la biodiversité (diminution de la richesse spécifique) et diminution de l’effectif des populations → dérive génétique → diminution de la diversité génétique des populations → augmentation de la probabilité d’extinction d’espèces



idée clés :
Activités humaines 🡪 25 % des espèces menacées d’extinction. 
Actions négatives des activités humaines sur la biodiversité :  
Cas de la déforestation / agriculture
Cas de la pollution atmosphérique 🡪 - / lichens
Cas de l’urbanisation  🡪 destruction et fragmentation des espaces naturels
Cas de l’abandon du pâturage 🡪 fermeture des milieux
Cas des incendies répétés 🡪 érosion → perte du sol
Cas de la surexploitation des ressources naturelles : prélèvements > renouvellement naturel des populations (exemple de la pêche)
Cas du réchauffement climatique :  lié à l’augmentation de l’émission par les activités humaines de gaz à effet de Serre comme de CO2, CH4
Cas de l’introduction d’espèces invasives :
🡪 Moins de ressources  (espace, eau, nutrition) pour les espèces locales (Exemples : Tortue de Floride / Cistude locale ; Oxalis du Cap / Flore locale.)
🡪 Prédation des espèces locales (Exemple : Tortue de Floride / Grenouilles ; Pyrale du Buis / Buis)
Bilan : Nombreuses espèces menacées d'ici à 2050 : entre 15 et 37% des espèces terrestres de la planète menacées 🡪 6ème extinction

Actions positives des activités humaines sur la biodiversité : 
restauration des écosystèmes : reforestation, maintien des clairières
restauration de la continuité des écosystèmes : pont à faune sur l’autoroute, crapauducs...
Développement de l'agriculture biologique
Luttes contre les espèces invasives