Effets des organismes sur leur environnement

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Effets des organismes sur leur environnement

IRD S. BarotBioemco, UMR 7618

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Notions d’ingénieur des écosystèmesLes différents types d’ingénieur desécosystèmesLa boucle de rétroaction ingénieurs-environnementEtude par la modélisationEvolution des activités d’ingénieur

Plan

LV 335, Effets de organismes , Barot

ConclusionInteraction avec les autres organismes

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Notion d’ingénieur des écosystèmes


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L’écologie c’est longtemps surtoutoccupé de relations entre espèces

Il est évident que l’environnementinfluence les organismes


L’inverse est aussi vrai!

Proie

Prédateur

Hôte

Parasite

Organisme

Environnement

5LV 335, Effets de organismes , Barot

Relations trophiques/

Relations non trophiques

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Analogie avec les activités humaines


Ingénieurs des écosystèmes (Jones 1994)

Idée que la plupart des organismesmodifient leur environnement


Organisme ingénieur = organismes modifiant les propriétés physico-

chimiques de son milieu sans agir directement sur un autre organisme

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Interactions indirectes avec d’autresorganismes

L’effet de l’ingénieur n’est pasforcément proportionnel à sa taille ou àla densité d’individus

Conséquences


Ingénieur

Environnement

Organisme 1Organisme 2

Organisme n

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Les différents types d’ingénieur des écosystèmes


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Autogénique : qui modifie le milieu parsa simple présence physique

Allogénique : qui modifie le milieu parson action, des échanges avec lemilieu …

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 minérauxMatière organique morte

Utilisation d’une ressource non-vivante


Effets physico-chimiques sur le milieuCompétition avec les autres organismes

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Beaucoup de champignons

Beaucoup de macroorganismes dessols

Une grande variété d’organismes saprophages


Beaucoup de bactéries

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Compétition avec les autressaprophages Modifie la MO, fournissant par là de lanourriture 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 nutrimentsminéraux (en particulier l’azote nécessaire pourles 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 denutriments

Diminution locale de la disponibilité en eau etnutriments

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Cas particulier


Importance de la spatialisation

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Nombreux cas de végétation structurée


Bandes de végétation ligneuseen zone

tropicale

Bosquetsen 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 construisentun support physique = habitat

Grande barrière de corail (Australie)

En plus des effets trophiques (corail comme basedu 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 =ZooxanthellesFournit de la MORecycle les déchets azotés des polypesParticipe à la précipitation du calcaire en fixant le CO2

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Un écosystème menacé mondialement



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

PlusieursGroupes

fonctionnels

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Consomme tout le sol en quelques années

Modifie la structure du sol (taille etstabilité des agrégats). Stabilité physiquePénétration des autres organismes

GalerieAugmente l’infiltration de l’eauTemps à augmenter le lessivage

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Incorporation de la MO

Fragmentation de la MO

Assimilation d’une partie de la MOingérée

Stimulationd’une partie dela microflore

Participation à la décomposition de la MO

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Effets sélectifs sur la microflore (parexemple stimulation de bactérie dénitrifiantes,en général décroissance de la biomassemicrobienne)

Structure l’habitat de tous lesorganismes du sol

Augmente en général la croissance desplantesMécanismes?

Effet sur les autres organismes

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Isoptères (Ordre)

E des sols, Barot

Cas des termites

Très nombreuses surtoutdans les régions tropicales

Mode de viesocial comme lesfourmisExistence dedifférentescastes

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Termites

E des sols, Barot

Aspect ingénieurGalerie PlacageTermitièresButtesRécolte d’argile

31E des sols, Barot

TermitesEffet sur le recyclage de la MOConsomment essentiellement de lamatière organique végétale morteTermites humivoresTermites lignivoresTermites récoltant des restesd’herbacées

Comment digérer la cellulose et la lignine?

32E des sols, Barot

TermitesAssimilation de la MO Symbioses avec des protozoairesintestinaux (qui contiennent desbactéries!) 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)

Prof

onde

ur (

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

tet I

ng

Organisme

Environnement+

tEnv

tet I

ng

+

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 favorisel’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 propreniche

Cela peut lui permettre de coloniser desenvironnements ou sinon il ne pourrait passurvivre

Cela peut lui permettre de gagner lacompétition contre d’autres organismes

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Cas de la rétroaction négative


Exemples?

L’activité de l’organisme ingénieur défavorisel’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’une rétroaction positive

Organisme

Environnement

Changements qualitatifs et quantitatifs

Effet positif ou négatif

tEnv

tet I

ng

tEnv

tet I

ng

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Pourquoi construire un modèle mathématique?


Faire des prédictions générales

Comprendre lesphénomènesobservés surle terrain ou aulaboratoire

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 tα+ = + + −⎡ ⎤⎣ ⎦

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’accroissementα : 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

tEnv

ironn

emen

t

Synergie IngénieurEnvironnement

Retour de l’environnement

Densitédépendancenégative

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Analyse mathématique


Il existe des méthodes adéquates

Différents comportements possibles Dynamique périodiqueDynamique chaotiqueExtinctionÉquilibre

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Dynamique spatiale


Un ingénieur transforme localementson environnement

Un ingénieur transforme dépend deson environnement local

Dispersion del’ingénieur

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Un programme de simulation


Densité moyenne et état moyenconstant de l’environnement constants

Apparition d’hétérogénéité spatiale

Variabilité temporelle locale (danschaque case)

Apparition d’une structure spatiale

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Conclusions sur les 2 modèles


La boucle de rétroaction ingénieur-environnement aboutit probablement àdes dynamiques complexes

Elle conduit probablement à de lavariabilité spatiale et temporelle del’environnement et des densitésd’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 sonactivité d’ingénieurDes gènes déterminent ces activitésd’ingénieursLes activités d’ingénieur peuvent êtresélectionnées par l’évolution

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Notion de phénotype étendu (R. Dawkins)


Environnement comme phénotypeextérieur = étendu

Gènes

PhénotypeProtéines Sélection

Gènes

PhénotypeProtéines Sélection

EnvironnementActivitésd’ingénieur

Rétroaction

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


La production d’enzyme doit avoir uncoût

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 1Organisme 2

Organisme n

Effet indirect des activités d’ingénieur

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Types d’interaction indirecte


Création d’habitat

Fournit/utilise une ressource uneressource

Modifie l’habitat

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Effet de la variabilité et de l’hétérogénéité


Les ingénieurs créent de la variabilitéspatiale et temporelles

Cela pourrait augmenter labiodiversité?

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 autresespèces

Espèces à protéger

Influence les propriétés de l’écosystème

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Conclusion



Interaction intime entre biotique etabiotique

Utiliser les ingénieurs en ingénierieécologique?

Problème évolutif

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