Lycée · 2ⁿᵈᵉ · SVT (2nde)
La biodiversité et son évolution
Des espèces à la phylogénie : comprendre la diversité du vivant et son histoire (programme de 2nde)
À propos de cette page
Définition et niveaux de la biodiversité
La biodiversité (contraction de « biological diversity ») désigne l'ensemble de la diversité du vivant sur Terre. Elle s'organise en trois niveaux imbriqués :
- Diversité des écosystèmes : variété des milieux (forêt, prairie, récif corallien, lac…) et des interactions entre organismes et environnement.
- Diversité des espèces (diversité spécifique) : nombre et variété des espèces dans un milieu donné. On distingue la richesse spécifique (nombre d'espèces) et l'abondance relative de chaque espèce.
- Diversité génétique (diversité intraspécifique) : variabilité des allèles au sein d'une même espèce. Elle est la matière première de l'évolution.
Ces trois niveaux sont interdépendants : une perte de diversité génétique fragilise les espèces, ce qui peut déstabiliser des écosystèmes entiers.
Mesurer la biodiversité : richesse spécifique et indices
Quantifier la biodiversité permet de suivre son évolution et d'alerter sur son érosion. Plusieurs outils existent :
| Mesure | Définition | Exemple |
|---|---|---|
| Richesse spécifique (S) | Nombre total d'espèces dans un milieu | Une forêt tropicale peut abriter S > 10 000 espèces végétales |
| Abondance relative | Proportion de chaque espèce dans la communauté | Espèce dominante vs. espèce rare |
| Indice de Shannon (H') | Combine richesse et équitabilité | $H' = -\sum_{i=1}^{S} p_i \ln(p_i)$ où $p_i$ est la fréquence relative de l'espèce $i$ |
L'inventaire de la biodiversité s'appuie sur des techniques modernes comme le barcoding ADN (identification d'espèces à partir d'une courte séquence d'ADN) et l'ADN environnemental (eDNA), qui permettent de détecter des espèces sans les capturer.
L'évolution de la biodiversité au fil du temps
La biodiversité n'est pas figée : elle a considérablement varié au cours des 4 milliards d'années d'histoire de la vie sur Terre. L'analyse des fossiles permet de retracer cette histoire.
On observe de grandes extinctions de masse (au moins 5 au cours du Phanérozoïque) suivies de radiations adaptatives (diversification rapide d'un groupe à partir d'un ancêtre commun).
- Radiation adaptative : diversification rapide d'un groupe dans de nombreuses niches écologiques à partir d'un ancêtre commun (ex : Darwin's finches aux Galápagos).
- Extinction de masse : disparition d'au moins 75 % des espèces en un temps géologiquement court.
La plus grande extinction est celle du Permien-Trias (−252 Ma) : environ 96 % des espèces marines et 70 % des espèces terrestres disparaissent. La plus connue est celle du Crétacé-Paléogène (−66 Ma) qui emporte les dinosaures non-aviens.
Les mécanismes de l'évolution : mutations et sélection naturelle
L'évolution des espèces repose sur plusieurs mécanismes. Les deux principaux sont les mutations et la sélection naturelle.
- Mutation : modification aléatoire et aléatoire de la séquence d'ADN. Source principale de la diversité génétique. Elle peut être neutre, délétère ou avantageuse.
- Sélection naturelle (Darwin, 1859) : mécanisme par lequel les individus portant des variants avantageux dans un environnement donné survivent mieux et se reproduisent davantage. Leurs allèles augmentent en fréquence dans la population.
La sélection naturelle agit sur le phénotype (caractères observables), mais ce sont les génotypes (allèles) qui sont transmis aux descendants. Trois conditions sont nécessaires :
- Variation : les individus diffèrent par leurs caractères.
- Héritabilité : les différences sont héréditaires.
- Différences de succès reproducteur : certains phénotypes se reproduisent davantage.
La dérive génétique
La dérive génétique est un mécanisme évolutif aléatoire : les fréquences alléliques changent d'une génération à l'autre à cause du hasard des reproductions, indépendamment de toute valeur sélective.
Deux situations particulières amplifient la dérive :
| Effet | Description | Conséquence |
|---|---|---|
| Effet fondateur | Une petite population colonise un nouveau milieu | Perte d'allèles rares ; diversité génétique réduite |
| Goulot d'étranglement | Réduction drastique de la taille d'une population | Seuls quelques allèles subsistent ; risque d'extinction |
La spéciation et l'origine des espèces
La spéciation est le processus par lequel une nouvelle espèce se forme. Elle résulte généralement de l'accumulation de différences génétiques entre deux populations séparées, jusqu'à ce qu'elles ne puissent plus se reproduire entre elles.
- Espèce biologique (concept de Mayr) : ensemble d'individus capables de se reproduire entre eux et de donner une descendance fertile, mais isolés reproductivement des autres espèces.
- Spéciation allopatrique : formation d'espèces après isolement géographique de deux populations (montagne, mer, désert…). Les deux populations évoluent séparément jusqu'à l'isolement reproducteur.
- Spéciation sympatrique : formation d'espèces sans isolement géographique (ex : polyploïdie chez les plantes).
La spéciation allopatrique est le mécanisme le plus fréquent. Elle nécessite :
- Un isolement géographique (barrière physique).
- Une divergence génétique (mutation + sélection + dérive).
- Un isolement reproducteur (les deux populations ne peuvent plus se croiser, même si la barrière disparaît).
Parentés et phylogénie
La phylogénie est l'étude des relations de parenté entre les êtres vivants et de leur histoire évolutive. Elle est représentée par des arbres phylogénétiques.
- Arbre phylogénétique : schéma en forme d'arbre représentant les relations d'ascendance et de parenté entre espèces ou groupes.
- Nœud : ancêtre commun hypothétique entre deux branches.
- Synapomorphie : caractère dérivé partagé par plusieurs espèces, hérité d'un ancêtre commun. C'est le critère de regroupement.
- Groupe monophylétique (ou clade) : groupe comprenant un ancêtre et TOUS ses descendants.
On construit un arbre phylogénétique en comparant des caractères homologues (même origine évolutive, éventuellement différente fonction). Les données moléculaires (séquences d'ADN ou de protéines) sont aujourd'hui au cœur de la phylogénie.
L'érosion actuelle de la biodiversité
Depuis le XXe siècle, la biodiversité s'érode à un rythme sans précédent. Les scientifiques parlent d'une 6e extinction de masse, causée cette fois par les activités humaines.
| Cause principale | Mécanisme | Exemple |
|---|---|---|
| Destruction des habitats | Déforestation, urbanisation, agriculture intensive | Forêt amazonienne : −17 % depuis 1970 |
| Surexploitation | Pêche, chasse, braconnage | Effondrement des stocks de thon rouge |
| Pollution | Pesticides, plastiques, engrais → eutrophisation | Déclin des insectes pollinisateurs |
| Espèces invasives | Compétition ou prédation sur espèces locales | Frelon asiatique en Europe |
| Changement climatique | Modification des niches écologiques, acidification des océans | Blanchissement des coraux |
Le taux d'extinction actuel est estimé à 100 à 1 000 fois supérieur au taux naturel de fond (background extinction rate). La Liste rouge de l'UICN recense les espèces menacées et évalue leur risque d'extinction selon plusieurs catégories (LC, NT, VU, EN, CR, EW, EX).
- La biodiversité s'exprime à 3 niveaux : écosystèmes → espèces → gènes.
- On la mesure par la richesse spécifique et l'indice de Shannon.
- L'évolution repose sur : mutations (source de variation), sélection naturelle (non aléatoire, favorise les variants avantageux), dérive génétique (aléatoire, plus forte dans les petites populations).
- La spéciation allopatrique = isolement géographique → divergence → isolement reproducteur.
- La phylogénie regroupe les espèces par synapomorphies (caractères dérivés partagés).
- L'érosion actuelle est causée par l'homme (destruction d'habitats, pollution, espèces invasives, changement climatique).
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