Un écosystème

Dimanche 5 Février 2017.


Ce terme est fréquemment employé par les journalistes et tous ceux qui se piquent d’écologie ; que décrit-il ? as-t-on une idée correcte de ce qu’il signifie ?

Le concept de biome, que nous avons examiné précédemment, est descriptif ; il regroupe sur une très grande échelle des communautés vivantes qui s’intègrent dans les mêmes limites thermiques, hydriques et énergétiques. Le concept d’écosystème est dynamique, il s’intéresse aux relations qui existent entre les communautés vivantes qui partagent un même milieu.

Si vous vous promenez dans une de nos forêts à feuilles caduques vous prendrez conscience qu’elle constitue une association naturelle d’espèces végétales et animales. Vous y trouverez en effet des chênes en majorité, des hêtres, des fougères mais aussi des renards, des lapins de garenne, des écureuils etc. vous n’y trouverez pas des palmiers ni des hyènes. Cette communauté d’espèces n’est pas fortuite, elle n’existe que parce qu’elle dépend non seulement du milieu physique sur lequel elle vit mais aussi parce que les espèces qui la constituent sont liées directement ou indirectement par des relations alimentaires.

La première caractéristique d’un écosystème est donc que les espèces qui le composent forment des associations naturelles. Il ne s’agit pas seulement d’une association d’organismes vivants, il faut y inclure aussi les facteurs physiques de l’environnement que partagent ces organismes : caractères du sol, du climat, de l’éclairement pour un écosystème aérien ; caractères de l’eau, de l’éclairement pour un écosystème marin. Ces associations peuvent être systématiquement classifiées par les écologistes.

La deuxième caractéristique d’un écosystème c’est qu’il existe une relation alimentaire entre les espèces composantes. Cette relation alimentaire peut se décrire à son tour en deux composantes :
-         la chaîne alimentaire commence par les organismes photosynthétiques (plantes, algues, bactéries photosynthétiques) capables de transformer l’énergie solaire en énergie chimique contenue dans les sucres. Ces organismes photosynthétiques sont à leur tour ingérés par les animaux herbivores et ces derniers par les carnivores les uns et les autres étant incapables de récupérer directement l’énergie solaire.
-         La pyramide alimentaire tient au fait qu’à mesure que l’on progresse dans la chaîne alimentaire la taille des individus est de plus en plus grande et ils sont aussi de moins en moins nombreux car ils vont avoir besoin de plus en plus de place pour trouver leur nourriture.

De fait un écosystème est un ensemble thermodynamique créé par les êtres vivants et traversé par un flux d’énergie (puisée dans l’énergie solaire) et de matière. L’énergie est accumulée sous forme de sucres par les organismes photosynthétiques et distribuée le long de la pyramide alimentaire ; la matière se construit à chaque niveau de la pyramide, à  partir des nutriments du sol, de l’eau et de l’air, grâce à l’énergie chimique disponible provenant des niveaux précédents.


Le fonctionnement d’un écosystème est strictement dépendant des quantités d’énergie et de nutriments disponibles à chaque niveau de la pyramide. Dans les conditions naturelles ces quantités oscillent très lentement mais l’intervention brutale de l’homme peut provoquer des ruptures aux conséquences graves. Par exemple dans un écosystème lacustre, si l’homme déverse dans le lac des eaux usées contenant un excès d’azote, les algues, suralimentées, vont proliférer et épuiser, pour leur propre respiration, l’oxygène du lac qui ne sera plus disponible pour les poissons. L’eutrophisation des lacs provoque ainsi la disparition des poissons ! 

Un soupçon de Lamarckisme dans un monde Darwinien

Lundi 2 Janvier 2017


On s’est longtemps moqué de Lamarck et de son hérédité des caractères acquis ; la découverte de l’ADN support de l’hérédité, ses modifications ou mutations alimentant les possibilités d’adaptation aux changements de milieu, donnaient une explication suffisante aux sources de l’hérédité, à sa contribution à l’évolution et rendait inutile tout autre recours explicatif. Selon Weismann l’information ne pouvait aller que du génotype vers le phénotype jamais dans l’autre sens.

L’idée de Weismann s’est maintenue pendant plus de cinquante ans ; pourtant lorsque la structure de l’ADN a été bien établie, on avait déjà noté que l’une de ses quatre bases constitutives : la cytosine, pouvait tantôt être méthylée tantôt non méthylée ; cette particularité avait-elle une explication ? Très longtemps on a ignoré cette ambiguïté en désaccord avec la stabilité de l’ADN.

La mise en évidence de l’existence d’une hérédité ne dépendant pas d’une séquence d’ADN, donc non génétique, ne peut se faire que si l’on possède des individus dont le génotype est identique ; on dispose maintenant de lignées pures, parthénogénétiques  ou isogéniques bien identifiées. A partir de ce matériel, on s’est aperçu que des  individus génétiquement identiques, maintenus dans des milieux différents, pouvaient présenter des différences capables de se maintenir au-delà de la 3ème génération affectant non seulement le phénotypique mais aussi le comportement, ce qui a suggéré qu’il existait des signaux extérieurs héritables ; l’épigénétique est née à la suite de ces observations.

Où se situaient les modifications ; la méthylation de la cytosine sur l’ADN est apparue très vite comme ayant un réel impact sur le fonctionnement de certains gènes, elle pouvait accroître aussi leur taux de mutation, de plus cette méthylation pouvait être réplicative et se maintenir de génération en génération. D’autres modifications de même nature : méthylations, acétylations, phosphorylations, s’accrochant aux protéines histones des nucléosomes  (pavés octaédriques sur la tranche desquels s’enroulent l’ADN dans le chromosome) se sont révélées intervenir sur le fonctionnement des gènes régulateurs codant pour les facteurs de transcription, ces facteurs contrôlent la transcription des gènes de structure  dont ils ont le contrôle.

Ces méthylations, acétylations, phosphorylations étaient induites par la nutrition, le métabolisme et plus généralement l’environnement de l’individu dans lequel elles se produisaient, elles allaient donc du phénotype vers le génotype, elles étaient Lamarckiennes !


Tout n’est pas acquis encore pour cette nouvelle branche de la génétique, notamment la permanence de ces modifications au cours des générations  et les facteurs de l’environnement qui les induisent ; il est certain toutefois que l’assertion de Weismann était trop rigide et que le fonctionnement du vivant est en réalité bien plus complexe. Saluons donc ici ce petit espace qui prouve que la théorie de Lamarck n’était pas entièrement fausse.       

Gradient latitudinal de la diversité génétique


Mardi 6 Décembre 2016


Si on vous posait la question : où trouve-t-on le plus grand nombre d’espèces animales ? Vous répondriez sans doute : en Afrique ; et si on vous demandait de préciser, vous diriez : dans la forêt tropicale. De fait, ce ne sont pas que les espèces animales qui sont en plus grand nombre dans la zone intertropicale humide mais aussi les végétaux, les insectes et même les espèces aquatiques vivant dans les rivières et les mers. Il existe un gradient de diversité spécifique qui s’accroît des pôles aux tropiques, ce gradient avait été décrit il y a plusieurs décades déjà.

D’un point de vue évolutif et notamment des possibilités d’adaptation aux variations de l’environnement qui risquent d’être rapides avec le réchauffement climatique, il est plus fondamental de connaître l’importance de la diversité génétique intra-spécifique qui conditionne l’aptitude d’une espèce à répondre à la sélection naturelle. Jusqu’ici l’accès à cette diversité génétique était quasiment impossible car distribuée dans des milliers de publications. Cependant le dépôt, dans des banques de gènes de séquences génétiques et la facilité d’accéder à ces séquences a permis à des chercheurs* d’évaluer cette diversité génétique intra-spécifique et de voir s’il existait, comme pour la diversité spécifique, un gradient croissant allant des pôles à la zone intertropicale.

Ces chercheurs ont utilisé la séquence nucléotidique du gène du cytochrome b (cytb) qui est particulièrement variable. Ils ont comparé des alignements de séquences nucléotidiques de ce gène pour tous des individus d’une même espèce géographiquement repérés dans chaque carré de 150 000km2 d’une grille terrestre et calculé leur diversité nucléotidique. Ce travail a été fait pour 4675 espèces de mammifères et d’amphibiens. Ils ont calculé  ensuite  pour chaque carré de la grille la moyenne de la diversité génétique de toutes les espèces de mammifères, la moyenne de la diversité génétique de toutes les espèces d’amphibiens et la moyenne de la diversité génétique de toutes les espèces (mammifères + amphibiens) et réalisé à partir de ces moyennes trois cartes du globe : l’une pour la diversité génétique des mammifères, l’autre pour celle des amphibiens et la troisième regroupant mammifères et amphibiens.

Quelles sont les principales conclusions que tirent les auteurs de ce travail :
o   la disponibilité des séquences et la couverture taxonomique est très variable d’un territoire à l’autre ; comme on pouvait s’y attendre la majorité des connaissances se trouve en Europe de l’Ouest, en Amérique du Nord et en Asie de l’Est.
o    L’Europe de l’Ouest a le plus faible niveau de diversité génétique.
o   On identifie un gradient décroissant de variabilité génétique de la zone intertropicale vers les pôles. Ce gradient est à l’image du gradient latitudinal de la richesse en espèces.
o   Ce résultat est en accord avec l’hypothèse qui lie la biodiversité à la température. Celle-ci a un effet direct sur le taux des mutations et sur le temps des générations. En zone intertropicale, la température pourrait ainsi accroître la vitesse de divergence des populations et de leur spéciation.
o   La diversité génétique sur les mammifères et les amphibiens est d’autant plus affectée que la pression humaine est grande.

La diversité génétique d’une espèce alimente son aptitude aux changements environnementaux. De nombreuses espèces, soumises à la pression destructrice humaine, ne survivent qu’en très petit nombre et se multiplient en forte consanguinité ; elles ne possèdent plus de diversité génétique et sont, de ce fait, condamnées à disparaître.


A.   Miraldo et al. Science 20 septembre 2016, N° 6307, pp.1532-1535

Les biomes terrestres

Samedi 5 Novembre 2016


La vie ne peut exister que dans des limites thermiques, hydriques et énergétiques ; ces contraintes vont déterminer la répartition des espèces sur notre planète. Le concept de biome terrestre* délimite, à grande échelle, les communautés  vivantes sur la base de la forme végétale dominante celle qui lui donne son allure propre. Selon les auteurs, la liste de biomes peut varier de 12 à 14 ; nous donnons une liste de 12 biomes ; ils s’échelonnent des zones arctiques aux zones équatoriales :
- Biome de toundra.
- Biome forestier boréal, taïga.
- Biome de la forêt tempérée à feuilles caduques.
- Biome de la forêt tempérée à conifères.
- Biome de la prairie tempérée.
- Biome forestier méditerranéen.
- Biome de toundra alpine.
- Biome du désert subtropical.
- Forêt tropicale saisonnière.
- Savane tropicale.
- Forêt tropicale et équatoriale ombrophile.
- Mangrove.

En zone tempérée, les biomes sont différenciés par le régime saisonnier des pluies et la longueur de la saison sans gelées, la France, qui de par l’influence océanique, se situe en zone tempérée humide, va être principalement concernée par le biome de la forêt à feuilles caduques ; sur un espace plus réduit on va trouver le biome forestier méditerranéen ; en haute montagne, du fait des températures basses en hiver, apparaissent le biome forestier boréal et plus haut encore : la toundra alpine. Il n’y a pas de biome de  la forêt tempérée de conifères qui se développe sur des sols sableux pauvres (la forêt landaise donne une idée de ce biome mais elle est une création artificielle) ni de biome de prairie tempérée qui se développe en climat continental à très faible hygrométrie (prairie américaine, steppes d’Asie)

La forêt à feuilles caduques est présente lorsque la longueur de la période végétative se situe entre 130 et 180 jours et que l’évapotranspiration potentielle est inférieure aux précipitations. L’eau satisfait à la demande des végétaux et le surplus s’écoule créant des ruisseaux et des rivières. La végétation comprend trois strates : la strate supérieure est constituée par des arbres à feuilles caduques (chênes, hêtres, érables …) ; la strate moyenne comprend des arbustes ombrophiles ; enfin la strate inférieure est recouverte par des plantes herbacées qui se développent rapidement au printemps alors que les arbres n’ont pas encore leurs feuilles. Ce biome forestier caducifolié a dû recouvrir la majorité du territoire français au néolithique et avant la conquête Romaine et n’a commencé à se réduire qu’au moyen âge avec les déboisements et essartages consécutifs aux besoins en terres agricoles.

Le biome forestier méditerranéen est présent en France sur le pourtour de la côte méditerranéenne, il est adapté à une faible hygrométrie et à l’irrégularité des précipitations : pluies en hiver, saison sèche en été. La végétation basse et dense est constituée d’arbustes à feuilles persistantes, à systèmes racinaires profonds capables de résister à la sécheresse : chênes verts, pins d’Alep, lentisques, térébinthes etc.

Le biome forestier boréal correspond en haute montagne à la zone des conifères : sapins et épicéas. Ces espèces à feuilles persistantes résistent bien à la déshydratation et aux températures hivernales très basses. Sur le sol leurs aiguilles se décomposent très lentement  et forment une litière acide. Plus haut encore, au-dessus des arbres, le froid hivernal s’oppose au développement d’une végétation arbustive on ne trouve plus que quelques plantes basses qui sont recouvertes et protégées en hiver par la neige : c’est la toundra alpine différente de la toundra polaire par des températures moins basses et l’absence de sols continuellement gelés (les permafrosts).


*Notons que les biomes aquatiques n’ayant pas de forme végétale ou animale dominante sont désignés par le type d’environnement aquatique : biome de rivière, de lac, d’océan.                            

Des virus à notre secours?

Mercredi 5 Octobre 2016

La résistance des bactéries aux antibiotiques est devenue préoccupante, l’utilisation de ces médicaments, quelquefois de manière inappropriée, a conduit à la sélections de souches bactériennes résistantes. Aussi des chercheurs* s’intéressent à d’autres moyens de traitements et l’un des plus originaux est le recours aux bactériophages. Ces virus géants sont tueurs de bactéries ; pour cela ils se fixent sur leur enveloppe et injectent, à travers elle, leur ADN dans le cytoplasme ; l’ADN du phage s’y multiplie, en déviant le métabolisme bactérien à son profit, et donne naissance à de nouveaux phages qui provoquent la lyse de la cellule bactérienne. Ainsi libérés ils pourront aller parasiter d’autres bactéries.

Les bactériophages ont été signalés de manière anecdotique comme actifs dans le traitement d’infections réfractaires aux traitements classiques et seraient déjà utilisés dans des traitements en Europe de l’Est. Mais il n’y a jamais eu d’essai clinique rigoureux, ni étendu à  un nombre important de patients.

La Commission Européenne a lancé un appel d’offre (PhagoBurn) pour qu’une expérimentation rigoureuse à grande échelle soit faite afin de confirmer ou d’infirmer l’effet curatif de phages dans certaines infections réfractaires. Le Ministère Français de la Défense en partenariat avec des sociétés pharmaceutiques et des hôpitaux civils et militaires de France, Suisse et Belgique se sont associés pour réaliser un essai de thérapie phagique sur des brûlés ayant des blessures infectées. La mise en place de l’expérimentation s’est heurtée à deux problèmes :
 - Les phages ont des cibles bactériennes spécifiques ce qui fait que les patients qui entreront dans l’essai ne peuvent être infectés que par une seule bactérie or les brûlés sont infectés le plus souvent par plusieurs bactéries. 
- Les concentrations et les compositions des différentes souches de phages utilisées doivent être stables dans le temps ce qui est difficile à obtenir avec des mélanges de phages qui sont seulement semblables.

Une société française, Pherecydes Pharma, spécialisée dans l’isolation de souches de phages à partir des eaux usées riches en bactéries recueillies dans les effluents des hôpitaux parisiens avait commencé un essai utilisant un cocktail de 12 ou 13 phages chacun, actifs contre Eschericia coli et Pseudomonas aeruginosa et avait enrôlé 220 patients à cet effet. Cet essai pouvait fournir un départ pour Phagoburn à condition de rationaliser l’essai afin qu’il soit conforme à une expérimentation irréprochable. Parmi les 220 patients enrôlés un seul avait Escherichia coli et quinze étaient infectés par Pseudomonas aeruginosa l’essai sera donc dirigé contre cette dernière bactérie et l’on s’efforcera de trouver 110 personnes contaminées par elle. Phagoburn espère recruter ces 110 patients d’ici la fin de l’année et avoir une réponse sur l’efficacité du traitement en février ou mars prochains.


*Kelly Servick, Science 24 juin 2016, N°6293, p.1506.                          

Ecureuil Rouge et écureuil Gris

Vendredi 5 Août 2016

Si vous allez aux Etats Unis, vous serez surpris de voir dans les parcs publics de très nombreux écureuils gris, peu farouches, vivant plus au sol que sur les arbres. Cette espèce attachante est pourtant un sévère danger pour nos écureuils rouges et nous devons y prendre garde. Introduite en Angleterre il y a 140 ans* elle s’est répandue dans tout le pays éliminant peu à peu l’écureuil rouge local qui est en voie de disparition.

L’écureuil gris entre en compétition avec notre écureuil rouge pour la nourriture et pour l’habitat, mais surtout, il est porteur d’un virus vis-à-vis duquel il est immun alors que ce virus est mortel pour l’écureuil rouge. La contamination se ferait par des glands souillés d’urine répandue par les écureuils gris qui marquent ainsi leur territoire. Une fois le virus a pénétré dans un peuplement de rouges, il s’y répand rapidement.

La situation de l’écureuil rouge est critique en Angleterre ; il n’en resterait plus que 135 000 entre l’Ecosse et le nord de l’Angleterre et quelques milliers dans le sud essentiellement dans les iles Anglesey et Wright. Sur le continent l’écureuil gris occupe 2000 kilomètres carrés dans le nord-est de l’Italie et la porte est ouverte vers le sud de la France et la Suisse. Des associations de défense des droits des animaux s’opposant à leur élimination ont permis, sans le vouloir peut-être, leur installation alors que leur éradication commencée tôt aurait empêché cette invasion.

Comment lutter contre l’expansion de l’écureuil gris ? En Angleterre des scientifiques ont pris la défense de l’écureuil rouge qui était préexistant ; des campagnes d’éradication ont commencé il y a une vingtaine d’années. Les écureuils gris étaient piégés et tués et ce fut l’action de quelques biologistes entourés d’une petite équipe qui entreprirent cette reconquête ; la tâche paraissait impossible tant la population d’écureuils gris était devenue grande. Ce n’est que récemment que sont apparus les signes du succès de ces actions : l’ile d’Anglesey est devenue zone libre de tout écureuil gris. En Ecosse une association pour le sauvetage des écureuils rouges s’est créée ; elle a pour but : de détruire les écureuils gris infectés dans le sud du pays qui est fortement envahi, de réaliser une ligne frontière où l’écureuil gris est éliminé en vue d’arrêter son expansion vers le nord, enfin de faire un important effort d’éradication autour d’Aberdeen où l’écureuil gris est maintenant seul présent. En dehors de l’éradication réalisée par l’homme, il existe un prédateur de l’écureuil gris, il s’agit de la martre du pin mais celle-ci avait été chassée en tant qu’espèce nuisible ; elle n’est protégée que depuis 1988 alors qu’elle était sur le point de disparaître.

En France l’arrivée de l’écureuil gris ne semble pas avoir été signalée encore ; mais, étant présent en Italie, il risque d’entrer dans notre territoire rapidement. Saurons-nous prendre les mesures nécessaires pour contenir son invasion et protéger le si merveilleux écureuil rouge ! Espérons-le.

*Erick Stokstad, Science 10 juin 2016, N° 6291, pp. 1269-1271.


Il n’y aura pas de billet en septembre. Bonnes vacances.          

Echange de substances carbonées par ectomycorhises

Lundi 4 juillet 2016

Dans une forêt les végétaux sont en compétition : dans le sol ils se disputent l’eau et les nutriments : Azote, Phosphore, potassium et les microéléments; dans l’air ils se concurrencent pour la lumière (les gaz CO2 et O2 étant très abondants cette compétition ne les concerne que peu ou pas). Mais y-a-t-il des cas de coopération ? Jusqu’ici cela paraissait peu vraisemblable tant la lutte pour la vie domine les espèces vivantes, cependant un article d’une équipe de chercheurs Suisses* apporte un démenti à cette vision stricte.

Les racines des arbres sont souvent colonisées par des mycéliums de champignons avec lesquels elles réalisent des échanges nutritifs ; il s’agit de comportements symbiotiques : l’arbre reçoit du champignon des nutriments, le champignon reçoit de l’arbre des substances énergétiques carbonées (sucres) qui proviennent de la photosynthèse. On distingue les champignons dont le mycélium superficiel peut simultanément recouvrir les racines d’arbres de plusieurs espèces différentes, on parle d’ectomycorhise, celle-ci n’est donc pas une symbiose stricte, elle diffère de l’endomycorhise chez laquelle le mycélium envoie des suçoirs à l’intérieur du parenchyme cellulaire de la racine ; celle-ci est stricte, elle ne peut pas relier des espèces d’arbres différentes. Les observations qui ont été faites concernent la symbiose ectomycorhisienne.

Les chercheurs ont alimenté continuellement des pointes de rameaux prises dans la canopée de 5 épicéas avec un mélange de CO2 dans lequel deux isotopes du carbone étaient présents : l’isotope 14 et l’isotope 13 mais ce dernier étant en quantités inférieures à la normale. Ce mélange va ainsi marquer tous les organes ayant reçu des molécules carbonées issues de la photosynthèse. Cinq épicéas non marqués constituaient les témoins. La présence de l’isotope 13 déficitaire a permis de suivre le trajet du carbone aussi bien dans l’arbre marqué que dans les arbres voisins et dans les carpophores des champignons ectomycorhisiens qui colonisent les racines de ces arbres.

Le marquage isotopique ainsi réalisé a montré que les substances carbonées se retrouvent dans les racines des arbres marqués mais aussi, de manière inattendue, qu’elles sont présentes dans les arbres voisins de la même espèce ainsi que dans des arbres voisins d’espèces différentes (ce qui exclue donc le passage par des greffes racinaires) ; enfin les mycéliums et les carpophores des champignons ectomycorhisiens présents sur les racines sont positifs au marquage isotopique.

Les auteurs suggèrent que les substances carbonées issues de la photosynthèse des épicéas marqués non seulement sont stockées dans les racines de l’arbre qui les produit, mais qu’elles sont distribuées, grâce aux mycorhises qui se comportent comme des tuyaux distributifs, à des arbres du voisinage déficients en sucres. La compétition est de ce fait remplacée par de la coopération.


T. Klein et al.,  Science 15 avril 2016, N° 6283, pp.342-344.      

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