Comment évolue la vie en milieu urbain

Dimanche 7 Janvier 2018


L’urbanisation de notre planète occupe de plus en plus de place (55% des gens vivent maintenant dans des villes) et elle ne peut que s’étendre encore puisque la population humaine continue de croître. L’urbanisation altère l’environnement biotique ; cette modification du monde vivant en milieu urbain fait de celui-ci un écosystème nouveau qui fait l’objet de nombreuses études. Je tirerai ici, les principales idées de mon billet,  d’une étude bibliographique* qui fait le point sur ces recherches.

Les changements physiques les plus visibles d’un milieu urbain sont l’imperméabilisation des surfaces, des températures plus élevées, du bruit une pollution lumineuse et une fragmentation de l’espace ; en ce qui concerne le monde vivant il y a une diversité spécifique moindre et abondance de quelques espèces natives. L’urbanisation affecte fortement les possibilités d’évolution des espèces qui y vivent. Ainsi les milieux urbains se comportent comme des écosystèmes qui n’ont aucun équivalent avec les écosystèmes naturels

En général les espèces de grande taille ou susceptibles d’être dangereuses pour l’homme ont été éliminées. Il n’y subsiste plus que des espèces de petite taille et des oiseaux.
-   Certains mammifères comme la souris et le rat, pré-adaptés à vivre facultativement de déchets, ont profité du développement des villes pour se nourrir exclusivement des déchets laissés par les êtres humains. Ils sont passés ainsi du stade « anthropophile » au stade « anthropodépendant ».
-   Les pigeons domestiqués très tôt comme source de nourriture, sont devenus vite familiers dans toute l’Europe. Certains d’entre eux, échappés du contrôle humain, ont fondé des colonies libres dans la ville où ils ont trouvé habitat et nourriture.
-      L’urbanisation a aussi favorisé l’évolution des parasites du corps humain comme les puces, les poux, les moustiques.
-         Des insectes se nourrissant de déchets comme les larves des mouches, les blattes sont inféodées au milieu urbain.
-         Enfin on y trouve quelques reptiles non dangereux pour l’homme comme le lézard gris ou la salamandre.
D’une manière générale le milieu urbain est pauvre dans sa diversité biologique.

Comment évoluent génétiquement ces espèces ?

Le processus d’évolution par mutations en milieu urbain provient soit de mutations qui préexistaient avant que l’espèce ne s’urbanise (cas bien connu du papillon qui était devenu plus pigmenté par sélection naturelle d’une mutation préexistante en zone industrielle poussiéreuse car cette pigmentation le rendait moins visible à ses prédateurs), soit de mutations induites par les pollutions urbaines : molécules carcinogènes atmosphériques, irradiations provoquées par des  d’accidents nucléaires.

Le phénomène de dérive génétique au hasard (random drift) est très important en milieu urbain ; dans un milieu ouvert et une population très grande,  la fréquence d’un allèle ne varie pas d’une génération à l’autre en l’absence de sélection ou de mutations (loi de Hardy Weinberg), en milieu fragmenté les individus d’une espèce sont en petit nombre et les allèles qu’ils portent ne seront peut-être pas représentés  à la génération suivante ; c’est, à chaque génération,  un tirage au sort des allèles qui seront conservés. Ainsi des allèles favorables peuvent être éliminés d’une génération à l’autre et des allèles défavorables maintenus.

Enfin la structure compartimentée d’une zone urbaine empêche la dispersion des individus et donc des allèles qu’ils portent ce qui facilite la divergence génétique des groupes d’un compartiment à l’autre. Les urbanistes devraient en tenir compte en créant par exemple des corridors de végétation naturelle dans les villes.

Ces spécificités génétiques n’empêchent pas  les espèces urbaines de s’adapter à leur environnement particulier mais elles se différencient des populations naturelles dont elles proviennent par de nombreux caractères.


*M.T.J. Johnson et al. Science, 3 Novembre 2017, N°6363, pp.607-617.          

Variation de la teneur atmosphérique du CO2 mesurée par satellite

Mardi 5 Décembre 2017

En l’absence des émissions de CO2 provenant de la combustion des carburants fossiles : pétrole, charbon ; la variation de la concentration du CO2 atmosphérique varierait peu. Il y aurait seulement des variations de flux saisonniers : en automne et hiver ou la photosynthèse diminuant le CO2 issu de la respiration s’accumulerait dans l’atmosphère, au printemps et en été la photosynthèse très active reprendrait celui-ci.

Les émissions de CO2 dues à la combustion des carburants fossiles modifient cet équilibre, une partie, 50% environ, est absorbée par les océans (accroissant ainsi leur acidité) et la terre (photosynthèse). Les autres 50% s’accumulent dans l’atmosphère contribuant à l’effet de serre et donc au réchauffement climatique. Ces émissions « anthropogéniques » augmentent chaque année la concentration du CO2 dans l’atmosphère terrestre de 2 à 3 parts par million (ppm).

De faibles variations autour des 400 ppm, concentration globale actuelle du CO2, traduisent l’activité des mécanismes produisant ces variations ; il a donc été décidé d’étudier et de localiser ces variations à l’aide d’observations satellitaires. Le satellite américain OCO-2* (Orbiting Carbon Observatory ; OCO-1 a été perdu au lancement) lancé en 2014 avait pour mission de collecter des mesures précises de variation globales du CO2 atmosphérique sur une large couverture afin de mieux connaître les sources et les puits produisant ou absorbant du CO2.

Le gaz CO2 absorbe particulièrement les rayonnements de la lumière solaire dont les longueurs d’ondes se situent au voisinage de 1,61 et 2,06 nanomètres. Le satellite est équipé d’un spectromètre qui mesure l’intensité du rayonnement solaire réfléchi par la terre aux longueurs d’ondes 1,61 et 2,06. Celles-ci ayant été plus ou moins absorbées par le CO2 présent dans l’atmosphère terrestre, les mesures du spectromètre sont donc proportionnelles aux quantités de CO2 présentes dans l’atmosphère.

Quels sont les principaux résultats relevés sur deux années d’observation, 2015 et 2016, concernant les variations des teneurs en CO2 de l’atmosphère terrestre :
-         De mars à avril, il y a un accroissement de la teneur du CO2. Pendant tout l’hiver l’absorption du CO2 par la photosynthèse est minimale,  les émissions dues aux combustions de carburants fossiles se poursuivent sur la Chine, l’Europe et les Etats Unis de sorte que le maximum saisonnier dans l’hémisphère nord est atteint en Avril juste avant que les températures ne s’accroissent assez pour réveiller la végétation. La hausse peut atteindre globalement 3,5 ppm, elle est due surtout à la combustion des carburants fossiles.

-         De juin à Juillet, c’est le contraire, bien que les émissions de CO2 par les combustions de carburants fossiles continuent, l’absorption de ce gaz par la biosphère terrestre (photosynthèse notamment) augmente, sa présence dans l’atmosphère de l’hémisphère nord diminue. Cette baisse printanière commence en Europe et se propage vers l’Est à travers l’Asie et l’Amérique du Nord ; dans certaines régions la baisse de la teneur en CO2 peut atteindre 7 ppm en un mois.

-  Des émissions de CO2 liées aux incendies qui se déclenchent saisonnièrement en Afrique, notamment dans les périodes du réchauffement cyclique équatorial dit El Niño, sont fortement marquées dans les signaux reçus par le satellite.

Les observations de ce satellite combinées à d’autres observations notamment à des mesures terrestres permettent de voir précisément quelles sont les sources d’émission de CO2, quelle est leur variation saisonnière, enfin quelle est leur importance. Convaincre, ceux qui doutent encore, que le réchauffement climatique est lié à nos émissions de CO2, évaluer l’évolution de celui-ci au cours du temps, sont des objectifs déterminants pour notre avenir sur la planète.


*A. Eldering et al. Science 15 octobre 2017, N°6330 pp.189-197

Concurrence

Dimanche 5 Novembre 2017


Certains pratiquants de l’agriculture biologique préconisent d’associer aux plantes agricoles des plantes d’autres espèces qui pourraient à la fois attirer vers elles les parasites mais aussi fournir aux plantes agricoles les éléments nutritifs dont elles manquent. Ces associations « d’entraide » seraient plus favorables à la production que les cultures mono-spécifiques. Y-a-t-il dans cette appréhension de l’agriculture des bases scientifiques solides ?

Le détournement parasitaire par une plante piège est une observation superficielle empirique, elle oublie la spécificité des parasites à leur plante hôte  (l’oïdium de la vigne n’est pas causé par la même espèce qui infeste le rosier par exemple) et dans le cas où l’espèce parasite serait commune à deux espèces hôtes ce serait méconnaître aussi les capacités de multiplication des parasites pour croire qu’ils se cantonneront à l’individu ayant subi la contamination primaire.

Plus intéressante est la deuxième assertion qu’une plante agricole peut recevoir une aide alimentaire d’une autre espèce (non agricole notamment)  car elle va me permettre de parler de concurrence (competition en langue anglaise).

Disons d’abord que la notion de concurrence n’est pas évidente, la coexistence dans la nature d’individus de la même espèce ou d’espèces autres est chose courante : dans une prairie vous voyez, côte à côte, une foule d’herbes appartenant à la même espèce ou à des espèces différentes, elles ne semblent pas se gêner en aucune manière. Ce n’est que dans des expériences de laboratoire que l’on mit d’abord en évidence le rôle joué par la concurrence dans le déterminisme de l’effectif de deux populations utilisant une ressource commune. D’autres expériences en milieu naturel ont montré que la présence ou l’absence d’une espèce dans un milieu donné est déterminée par la compétition interspécifique : deux espèces ne pouvant coexister sur la même ressource si elle est limitante.

En fait dès qu’un individu utilise une ressource qui réduit la disponibilité de celle-ci pour les autres individus, il entre en concurrence avec eux.
-Si les individus appartiennent à la même espèce on parlera d’une concurrence intra spécifique, c’est précisément le cas de l’agriculture : la  densité d’une culture va déterminer son  rendement ; dans les zones arides ont réduit la densité des cultures pour diminuer la concurrence pour l’eau, dans les climats océaniques pluvieux on augmente leur densité pour réduire la teneur en eau des récoltes (ex. la vigne).
-Si les individus appartiennent à deux espèces différentes, on parle de concurrence interspécifique ; chaque espèce contribue à sa propre régulation ainsi qu’à celle de l’espèce compétitrice. L’issue de la compétition dépend de l’efficacité des individus de chaque population dans l’exploitation de la ressource ; si la ressource est limitée, elle va diminuer au cours de sa consommation et l’espèce la plus dépendante va cesser de croître. Sur le long terme elle sera éliminée par l’espèce moins dépendante.

Chez les plantes la concurrence s’exprime de plusieurs manières : la concurrence par consommation basée sur l’utilisation d’une ressource renouvelable, la concurrence par préemption basée sur l’occupation de l’espace disponible, la concurrence par surcroissance (une espèce croît au- dessus d’une autre la privant de lumière solaire), la concurrence chimique par production de substances toxiques qui se répartissent dans l’environnement proche de l’émetteur.

L’agriculture empirique avait bien perçu les risques d’une concurrence  entre une espèce cultivée et les « mauvaises herbes » ; la pratique des sarclages avait pour but essentiel d’éliminer ces dernières, c’était un gage d’améliorer les rendements. L’écologie a démontré expérimentalement que la concurrence était elle aussi un des facteurs de la sélection naturelle.

La taille des feuilles des plantes dépend des contraintes climatiques globales

Jeudi 5 Octobre 2017


Rappelons d’abord l’importance des feuilles pour la plante. Les feuilles sont le siège de la photosynthèse ; dans leurs chloroplastes elles fabriquent, à partir de l’énergie solaire, des sucres qui sont les réserves d’énergie chimique du monde vivant. Dans les mitochondries a lieu la respiration : les sucres y sont convertis en molécules circulantes qui vont fournir l’énergie nécessaire à la synthèse de toutes les autres molécules cellulaires. Par ses alvéoles, la feuille échange avec l’extérieur le gaz carbonique repris par la photosynthèse, l’oxygène oxydant de la respiration et la vapeur d’eau qui régule la température de la feuille. Enfin les cellules foliaires sont le lieu d’une intense activité métabolique créatrice et destructrice de molécules ; ce métabolisme  est indispensable au fonctionnement de la plante.

Toutes ces fonctions sont influencées par les différentes composantes du climat : la photosynthèse s’accroit avec la température mais en même temps la respiration augmente ; il en résulte  une dégradation accélérée défavorable des réserves sucrées. Le métabolisme est aussi très sensible aux conditions thermiques, il cesse quand les températures sont trop bases et se ralentit à mesure qu’elles deviennent trop élevées. Ainsi il existe une température optimale caractéristique de l’espèce en relation avec son milieu d’adaptation. Les pertes en eau de la plante en climat aride vont être limitées par la diminution de la densité des stomates, par l’épaisseur de la cuticule cirée de la feuille et sa réflexivité élevée vis-à-vis des radiations solaires, enfin par sa position relative à l’éclairement : les feuilles retombantes recevant moins d’énergie radiante que les feuilles étalées.  Il est un dernier caractère qui va jouer un rôle fondamental dans cette adaptation aux caractéristiques climatiques c’est la taille de la feuille celle-ci varie de manière importante dans le monde végétal, il est des espèces dont la surface de la feuille est inférieure à 1mm2, d’autres dont la surface est supérieures au 1 m2.

Des chercheurs* se sont intéressés à la variation de la taille des feuilles en relation avec les caractéristiques climatiques du site dans lequel la plante vit ; ils ont  pour cela compilé des données sur 7670 espèces sur 680 sites non agricoles. A chaque site ils ont établi une moyenne pour chaque espèce de la valeur de la surface projetée des feuilles ou des folioles.

La surface des feuilles varie d’une espèce à l’autre d’un ordre de grandeur de cinq. D’une manière générale les arbres ont des feuilles plus grandes que les buissons ou les herbes. Il existe un important effet lié à la famille à laquelle appartient l’espèce, ainsi on trouve de très grandes feuilles chez les Magnoliacées et des très petites chez les Fabacées. Enfin la taille de la feuille est fortement corrélée aux variables climatiques : moyenne des températures du site au cours des mois le plus chaud, irradiation et humidité. Les combinaisons des variables climatiques expliquent la plus grande part de la variation de la surface des feuilles.

Selon ces chercheurs, la clé expliquant les variations géographiques de la taille des feuilles réside dans la différence de température qui existe entre la feuille et l’air environnant. Cette différence reflète la balance énergétique de ce que la feuille reçoit  et de ce qu’elle perd. Les pertes sont atténuées par des feuilles petites, au contraire quand les gains seront élevés la feuille sera grande. Ainsi s’explique une observation écologique ancienne : les feuilles des plantes sont plus grandes lorsqu’on se déplace des régions septentrionales vers l’équateur.


*Ian J. Wright et al. Science 1 septembre 2017, N° 6354, pp.817-920.

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